CN106639473B - 高层土木结构用可调刚度粒子减震器 - Google Patents
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Abstract
高层土木结构用可调刚度粒子减震器，涉及减震器。设有外部框架箱、粒子阻尼箱、阻尼粒子、大刚度减震弹簧、小刚度减震弹簧；所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器通过固定螺栓与高层土木结构相连或在浇筑混凝土结构时直接浇筑在减震部位上；外部框架箱通过大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧配合组成可变刚度减震弹簧并与粒子阻尼箱相连，粒子阻尼箱内部放置阻尼粒子。无需外部能量供给，安装简单易行，维护方便快捷，具有良好的经济性和普适性。
Description
技术领域
本发明涉及减震器，尤其是涉及一种高层土木结构用可调刚度粒子减震器。
背景技术
传统结构抗震技术存在结构安全性难以保证、适应性受到限制、经济性欠佳及修复难度大等一系列问题。无粘结支撑体系最大的缺点在于相关部件和各个减震结构的设计计算都必须非常精确，而这在工程实践中是非常困难的；层间隔震的减震效果较差,隔震效率约10％～30％。现有的位移型阻尼器由于金属疲劳问题而不能用于抗风设计；速度型阻尼减震器的消能结构，因为作用力中的黏滞力分量无法直接计算，使得结构构件的内力计算十分复杂。
粒子阻尼技术是一项振动被动控制新技术，是以阻尼耗能机理为理论基础，主要由填充在结构空腔中的粒子通过非弹性碰撞和摩擦作用提供阻尼效应。粒子阻尼技术具有抑振效果显著、耐高温恶劣环境、对原结构改动小、产生的附加质量小等优点。粒子阻尼的产生机理从能量的角度上来看，是指损耗振动能量的能力，也就是将机械振动及声振的能量，转变成热能或其他可以耗损的能量。将粒子阻尼技术引入建筑减震领域可以延长上部结构的自振周期并给予结构较大的阻尼，有效代替上部结构承受地震强烈的位移动力，耗散地震能量，特别适用于建筑减震。
中国专利CN1624264A公开一种“高性能复合减震器”，该减震器将内外钢管所围成的腔体分为三部分，中间腔体为流体阻尼器，两端腔体为铅阻尼器。在内钢管的左端固定有左连接钢板，右端固定有限位板，在外钢管右端的内孔中设有内封板，在左腔体隔板与外钢管端头板之间以及右腔体隔板与内封板之间的内钢管上分别固定有左椭球突起和右椭球突起。在椭球突起和外为灌注铅；在外钢管的外壁中部设有密封口和灌注口，在内钢管上焊有运动阀，运动阀中有流体管道，在左腔体隔板与右腔体隔板之间为灌注流体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高层土木结构用可调刚度粒子减震器。
本发明设有外部框架箱、粒子阻尼箱、阻尼粒子、大刚度减震弹簧、小刚度减震弹簧；所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器通过固定螺栓与高层土木结构相连或在浇筑混凝土结构时直接浇筑在减震部位上；外部框架箱通过大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧配合组成可变刚度减震弹簧并与粒子阻尼箱相连，粒子阻尼箱内部放置阻尼粒子；所述可变刚度减震弹簧是由大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧串联连接配合组成，所述大刚度减震弹簧未连接于小刚度减震弹簧的一端固定连接到所述粒子阻尼箱上，所述小刚度减震弹簧未连接于大刚度减震弹簧的一端固定连接到所述外部框架箱上。
所述阻尼粒子可采用耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料，阻尼粒子的粒径可为0.5～30mm，阻尼粒子剖面水平投影面积占相应分区总面积的20％～90％，阻尼粒子的密度可为（1.5～18.5）×10³kg/m³。
所述粒子阻尼箱内部可用钢板分割成若干子空间，在子空间中放置一定数量的阻尼粒子；粒子阻尼箱可采用厚度为4mm的不锈钢板焊接而成。
所述大刚度减震弹簧的刚度系数可为500～1500kg/cm，所述小刚度减震弹簧的刚度系数可为20～500kg/cm。
发生震动时，粒子阻尼箱带动弹簧将机械能转化为弹性势能加以耗散，同时内部阻尼粒子发生碰撞摩擦进一步耗散***震动能量。由于粒子具有万向性，可以有效对来自各个方向的震动起到减震的作用。采用变刚度减震弹簧能够有效减轻风振和地震带来的震动。
当高层土木结构发生风振时，风载荷造成的土木结构位移较小，由公式f＝kx知，若减震弹簧的倔强系数k过大则土木结构带动的阻尼器位移x也会较小，那么就不能起到有效的减震作用。因此，为了有效减轻风震，则应采用倔强系数k小的减震弹簧，以使阻尼器可以产生较大的位移，使阻尼粒子可以有效发挥减震作用。但当发生地震时，为了达到“大震不倒、小震不坏”的要求，则应当使减震弹簧的倔强系数k尽量大。若倔强系数k小的话，则由公式f＝kx知，地震带动的阻尼器位移x过大，会超出减震弹簧的弹性极限而使之无法恢复自由长度，使与减震弹簧连接的阻尼器不能产生往复运动，大大降低了阻尼器减震的性能。大刚度减震弹簧的刚度系数应在500～1500kg/cm范围内选取，小刚度减震弹簧的刚度系数应在20～500kg/cm范围内选取。如大刚度减震弹簧不在上述刚度系数范围内选择，则不能对地震起到有效减震作用；若小刚度减震弹簧不在上述刚度系数范围内选择，则不能对风振起到有效减震作用。同一侧排布不同刚度的减震弹簧组合时采取对称的方式排布。
本发明的优点在于：将主要应用于机械减振领域的粒子阻尼减震技术应用于高层土木结构的减震中，具有减震频带宽和能量耗散快的优点，特别是采用了变刚度的减震弹簧，可针对土木结构面临的风振和地震两种不同类型的震动起到有效的减震效果，可有效将震动机械能转化为粒子间的摩擦耗能和弹簧的弹性势能。无需外部能量供给，安装简单易行，维护方便快捷，具有良好的经济性和普适性。
附图说明
图1为本发明实施例的纵剖面图。
图2为本发明实施例的俯剖视图。
图3为本发明实施例的侧视图。
图4为粒子阻尼箱的剖视图。
图5为本发明实际运用在高层建筑的一个示例。
具体实施方式
如图1～5所示，本发明实施例设有外部框架箱1、粒子阻尼箱2、阻尼粒子3、大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5；所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器通过固定螺栓与高层土木结构相连或在浇筑混凝土结构时直接浇筑在减震部位上；外部框架箱通过大刚度减震弹簧4和小刚度减震弹簧5配合组成可变刚度减震弹簧并与粒子阻尼箱相连，粒子阻尼箱2内部放置阻尼粒子3；所述可变刚度减震弹簧是由大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧串联连接配合组成，所述大刚度减震弹簧未连接于小刚度减震弹簧的一端固定连接到所述粒子阻尼箱上，所述小刚度减震弹簧未连接于大刚度减震弹簧的一端固定连接到所述外部框架箱上。
所述阻尼粒子3可采用耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料，阻尼粒子3的粒径可为0.5～30mm，阻尼粒子3剖面水平投影面积占相应分区总面积的20％～90％，阻尼粒子3的密度可为（1.5～18.5）×10³kg/m³。
所述粒子阻尼箱2内部可用钢板分割成若干子空间，在子空间中放置一定数量的阻尼粒子3。
所述大刚度减震弹簧的刚度系数可为500～1500kg/cm，所述小刚度减震弹簧的刚度系数可为20～500kg/cm。
外部框架箱1为钢制，通过固定螺栓固定在目标减震结构上，或者进行混凝土浇筑时直接浇筑在目标减震部位。若采用螺栓固定，则建议选用摩擦型高强螺栓。在粒子阻尼箱2的上部和四周设置可变刚度的大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5。大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5与外部框架箱1相连接。当建筑结构发生震动时，土木结构带动外部框架箱1发生震动，使连接外部框架箱1和粒子阻尼箱2之间的大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5发生弹性形变，将震动产生的机械能转化为弹簧的弹性势能，同时大刚度减震弹簧4、小刚度减震弹簧5带动粒子阻尼箱2中的阻尼粒子3震动，进一步将震动机械能通过阻尼粒子之间摩擦耗散。粒子阻尼箱2是由厚度为4mm的不锈钢板焊接而成，尺寸根据实际情况确定，图中对粒子阻尼箱2内部的分隔方式仅为实际运用中的一种，实际运用时应根据工程具体情况仿真计算后确定。阻尼粒子3耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料，所选粒径在0.5～30mm之间，不同粒子和混合搭配，阻尼粒子3水平投影面积占相应区域的20％～90％，密度设置为（1.5～18.5）×10³kg/m³。大刚度减震弹簧4的刚度系数应在500～1500kg/cm范围内选取，小刚度减震弹簧5的刚度系数应在20～500kg/cm范围内选取。同一侧排布不同刚度的减震弹簧组合时采取对称的方式排布。当建筑遭遇风振时，小刚度减震弹簧5发生弹性形变，有效减轻建筑震动；当发生地震时，大刚度减震弹簧4发生弹性形变，可有效减轻土木结构震动。
在图5，标记A代表本发明所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器。
Claims (6)
1.高层土木结构用可调刚度粒子减震器，其特征在于：设有外部框架箱、粒子阻尼箱、阻尼粒子、大刚度减震弹簧、小刚度减震弹簧；所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器通过固定螺栓与高层土木结构相连或在浇筑混凝土结构时直接浇筑在减震部位上；外部框架箱通过大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧配合组成可变刚度减震弹簧并与粒子阻尼箱相连，粒子阻尼箱内部放置阻尼粒子；
所述大刚度减震弹簧的刚度系数为 500～1500 kg/cm ；所述小刚度减震弹簧的刚度系数为20～500 kg/cm ；
所述粒子阻尼箱采用厚度为 4mm 的不锈钢板焊接而成；所述可变刚度减震弹簧是由大刚度减震弹簧和小刚度减震弹簧串联连接配合组成，所述大刚度减震弹簧未连接于小刚度减震弹簧的一端固定连接到所述粒子阻尼箱上，所述小刚度减震弹簧未连接于大刚度减震弹簧的一端固定连接到所述外部框架箱上。
2.如权利要求 1 所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器，其特征在于：所述阻尼粒子采用耐磨金属、耐磨非金属或耐磨高分子材料。
3.如权利要求 1 或 2 所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器，其特征在于：所述阻尼粒子的粒径为 0.5～30mm。
4.如权利要求 1 所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器，其特征在于：所述阻尼粒子剖面水平投影面积占相应分区总面积的 20%～90%。
5.如权利要求 1 所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器，其特征在于：所述阻尼粒子的密度为（1.5～18.5）×10³kg/m³。
6.如权利要求 1 所述高层土木结构用可调刚度粒子减震器，其特征在于：所述粒子阻尼箱内部用钢板分割成若干子空间，在子空间中放置阻尼粒子。
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