[发明专利]一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器

说明书

本发明公开了一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，属于结构振动控制技术领域，所述的调谐质量阻尼器包括底板、推力轴承、螺旋弹簧、滚珠丝杆、滚珠螺母、质量块、运动永磁体组、不动钢板、固定永磁体组、滑动轴承和铜质飞轮组成；本发明利用运动永磁体组和固定永磁体组之间吸引力的非线性使装置具有负刚度非线性能量阱特征；采用滚珠丝杠式惯容机构放大了调谐质量阻尼器的等效振动质量，在提升调谐质量阻尼器减振效果的同时，解决超低频竖向调谐质量阻尼器弹簧净伸长过大的问题；该装置融合了非线性能量阱和调谐质量阻尼器的优势，拓宽了调谐质量阻尼器的控制频带；同时采用电涡流阻尼技术，提升了装置的耐久性。

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器。

背景技术

近几十年来，我国桥梁建设经历了跨越式发展，兴建了一系列跨江、跨海的千米级桥梁。随着桥梁跨度的不断增大，大跨度桥梁在强/台风、地震、车辆等荷载作用下极易发生大幅振动。桥梁的振动不仅会引起桥梁结构的疲劳损伤，增加桥梁的维护成本，而且会降低桥上行车的安全性和舒适型，使司乘人员和公众媒体对桥梁的安全性产生怀疑。因此，有效的桥梁减振技术对桥梁的安全运营至关重要。

调谐质量阻尼器（TMD）作为一种应用最为广泛的被动式减振装置，已成功应用于大跨度桥梁的减振控制，如英国千禧桥、日本东京湾跨海大桥、我国的崇启长江大桥等。然而TMD长期工作过程中，由于TMD或桥梁结构的刚度退化、桥梁结构的多阶模态振动控制需求、以及车-桥耦合作用使桥梁频率具有时变特点，易导致TMD产生频率失谐问题；由于TMD对控制结构的振动频率十分敏感，当TMD的振动频率与主结构的振动频率失谐时，将导致TMD减振效果的显著下降；

为避免TMD频率失谐导致其减振效果的下降，专利“一种调谐质量阻尼器频率调节装置及其实现方法”基于惯容机构的质量放大效应实现了竖向TMD的频率调节；论文“Performance of tuned mass dampers under wind loads”提出设置被动式摆长调节机构实现摆式TMD的频率调节；论文“摆式调谐质量阻尼器频率调节新方法”利用磁场作用力同性相斥、异性相吸的特点实现了摆式TMD的频率调节；论文“调谐质量减振器在杭州湾大桥观光塔风振控制中的应用”通过附加调频弹簧实现了TMD的频率调节，然而上述频率调节方法仅能实现TMD向特定振动频率的调节，对车-桥耦合作用引起的时变结构的不能起到很好的减振效果；此外，为保证TMD的减振效果，还需定期进行TMD的现场调试。

非线性能量阱（NES）作为一种新型的减振装置，由非线性刚度和阻尼组成，当结构受到外激励时，NES能够在较宽的频率范围俘获共振能量并实现能量靶向传递。为拓宽TMD的控制频率提供了新的思路，专利“一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统”拓宽了水平向TMD的控制频带，然而目前尚未发现关于减振性能更好的负刚度非线性能量阱融入TMD相关报道。

此外，竖向TMD在控制大跨度桥梁竖向振动时，TMD将存在弹簧元件静伸长过大的问题，以日本东京湾桥为例，TMD的工作频率为0.33Hz，TMD弹簧元件的静伸长量将达到2.27m。弹簧的设计与安装面临巨大困难。为解决这一问题，该桥TMD采用主副框架结构构成的杠杆机构有效降低了弹簧的静压缩量（仅0.45m），但框架式机械装置也造成了TMD运动质量块与整体质量比重下降等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，利用永磁体之间作用力的非线性及异性相吸的特点，通过构造设计使装置具有负刚度非线性能量阱特点，拓宽了TMD的振动频率；采用滚珠丝杠式惯容机构，提升了TMD的等效运动质量的同时降低TMD质量元件的物理质量，实现TMD减振效果提升和TMD的弹簧元件的静伸长量减小；融合旋转式电涡流阻尼器技术提升TMD的耐久性。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：