CN107989217B - 一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，属于建筑工程抗震和抗风技术领域。该阻尼器包括阻尼器腔体单元、质量块、限位板、连接弹簧、导向杆、粘弹性缓冲材料和滑动滚珠。阻尼器腔体单元为中空杆件；导向杆轴向固定于阻尼腔体单元中，连接弹簧、质量块和限位板依次穿过导向杆，质量块和限位板的外表面粘贴粘弹性缓冲材料；质量块与导向杆的连接处设有滑动滚珠。本申请的阻尼器在主结构振动时，质量块和主结构产生相对运动，当质量块未和限位板碰撞时，等同于传统TMD，各个阻尼器调谐为不同的固有频率，可以对不同振型减振；当质量块和限位板碰撞时，可以通过撞击耗能。该阻尼器可应用在建筑工程抗震和抗风领域。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程减振和抗风技术领域，具体涉及一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器。
背景技术
近年来，调谐质量阻尼器及消能减振阻尼器减振控制技术由于其结构形式简单、减振效果显著、减振耗能机理明确、不需要施加外部能量、易于实现等优点而得到广泛应用。空间网架结构由于其跨度大，竖向刚度较小，极容易受到风或地震作用影响，其三维空间特性显著，并且动力响应振型密集。
然而，目前常见的调谐质量阻尼器或碰撞阻尼器多置于建筑结构顶部或者底部，质量和体积较大，并且作用范围集中，只控制少数前几个振型，有效带宽较窄，对于大跨空间结构振动控制效果不明显。传统的调谐质量阻尼器或碰撞阻尼器都借助外部结构作为质量块，占用主结构内部空间，并且可能导致主结构局部自重差别较大，杆件和节点受力不均。空间网架结构杆件内部空间可以作为阻尼器腔体结构，充分利用空间，降低阻尼器造价。因此，采用空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器的形式，通过质量块吸收结构动能，然后与限位板发生碰撞来耗散能量，从而达到进行消能减振的目的，这对于实际工程的消能减振具有重大的意义。
发明内容
本发明为了解决传统碰撞阻尼器不适用于大跨空间网架结构振动控制中的问题，本发明的目的在于提出一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，在空间网架结构的杆件中设置碰撞***，来传递和耗散能量。本阻尼器构造简单，易于实施，减振性能好。本发明的阻尼器分布在主结构的各个杆件中，在主结构振动时，质量块会和主结构产生相对运动，当质量块未和限位板碰撞时，等同于传统调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper TMD)，主结构的动能通过弹簧传递给质量块，从而减小主结构本身的动能，各个阻尼器调谐为不同的固有频率，可以对不同振型减振；当质量块和限位板碰撞时，质量块与限位板互相碰撞耗散能量，质量块与限位板外部的粘弹性材料在碰撞中产生非线性变形，从而增加碰撞中的能量耗散。
本发明的技术方案：
一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，包括阻尼器腔体单元、质量块、限位板、连接弹簧、导向杆、粘弹性缓冲材料和滑动滚珠；所述的内置杆式碰撞阻尼器分布于空间网架结构中；
所述的阻尼器腔体单元为中空杆件；导向杆轴向固定于阻尼器腔体单元中，连接弹簧、质量块和限位板依次穿过导向杆，连接弹簧一端固定在导向杆上，另一端与质量块相连，质量块沿导向杆滑动，限位板与导向杆固定连接，限位板与质量块碰撞散耗能量；质量块和限位板的外表面粘贴粘弹性缓冲材料；质量块与导向杆的连接处设有滑动滚珠，滑动滚珠沿导向杆滑动，用于减小摩擦。
所述的质量块和限位板为实心铁块。
所述的滑动滚珠为不锈钢材质，表面涂有润滑材料。
所述的粘弹性缓冲材料为橡胶、泡沫塑料或针织棉。
所述的空间网架结构中所有质量块的总质量为空间网架结构总体质量的1％-3％，单个质量块的质量根据空间网架结构中阻尼器的个数确定；所述的连接弹簧的刚度ki通过公式来计算，其中，fi为第i个阻尼器的频率，即为所需要控制的空间网架结构的模态频率，mi为第i个阻尼器中质量块的质量。
所述的质量块与限位板之间的距离根据质量块的质量以及外荷载激励确定，阻尼器的质量块越大，间距应越大，在应用安装中，可根据控制效果进行调节。
所述的阻尼器的频率fi根据空间网架结构的模态分析来确定，通过模态分析得到各个振型的振型质量参与系数，控制振型即为振型质量参与系数较大的前几阶振型，控制振型的累计质量参与系数之和应大于或等于90％，阻尼器的频率即为控制振型的频率。
工作原理：本发明的阻尼器分布在空间网架的各个杆件中，在空间网架振动时，质量块会与空间网架产生相对运动，当质量块未和限位板碰撞时，等同于传统调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper TMD)，空间网架结构的动能通过弹簧传递给质量块，从而减小空间网架结构本身的动能，各个阻尼器调谐为不同的固有频率，可以对不同振型减振；当质量块与限位板碰撞时，质量块与限位板互相碰撞耗散能量，质量块与限位板外部的粘弹性材料在碰撞中产生非线性变形，从而增加碰撞中的能量耗散。
本发明有益效果：
1.应用对象明确，适用于振型密集，空间特性显著的空间网架结构地震或风致振动控制中。
2.构造简单，充分利用大跨空间结构的杆件中空的特点，将单个大质量块分割成若干个小质量块，根据一定的规律分布在不同的杆件中，节省空间和造价，便于工程制作、安装及使用，更易于在工程建设中进行推广。
3.能够针对空间网架结构的模态贡献大的振型进行减振，减振频带宽，效果理想。
4.耗能机制简单，当质量块未和限位板碰撞时，等同于传统调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper TMD)，空间网架结构的动能通过弹簧传递给质量块，从而减小空间网架结构本身的动能，各个阻尼器调谐为不同的固有频率，可以对不同振型减振；当质量块和限位板碰撞时，质量块与限位板互相碰撞耗散能量，质量块与限位板外部的粘弹性材料在碰撞中产生非线性变形，从而增加碰撞中的能量耗散。
附图说明
图1为本发明空间网架结构内置杆式碰撞阻尼器俯视图。
图2为本发明质量块沿杆轴向剖面图。
图3为本发明质量块横截面剖面图。
图4为本发明限位板块沿杆轴向剖面图。
图5为本发明限位板横截面剖面图。
图6为本发明在空间网架中的布置示例俯视图。
图7为本发明在空间网架中的布置示例剖面图。
图中：1阻尼器腔体单元；2质量块；3限位板；4连接弹簧；5导向杆；6粘弹性缓冲材料；7滑动滚珠。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：如图1所示，为本发明的一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，其主要包括阻尼器腔体单元1，质量块2，限位板3，连接弹簧4，导向杆5，粘弹性缓冲材料6，滑动滚珠7。
如图2、3所示，质量块与导向杆之间有滑动滚珠，减小两者之间的摩擦，滑动滚珠上涂有润滑剂以减小磨损。
如图4、5所示，限位板与导向杆之间固定连接。
如图6、7所示，本阻尼器可以布置在空间网架结构中的任何位置，图中的加粗线为阻尼器示例图。在实际工程中的具***置可以根据空间网架结构的动力响应的到其振型参与系数，通过振型参与系数或者需要控制的主振型，阻尼器的布置在各个主振型的振型腹点。
阻尼器腔体单元1为空间网架结构的杆件，空腔中有一根固定的导向杆5，上面有连接弹簧4，质量块2，限位板3，其中连接弹簧,4一端与导向杆5固定连接，另一端与质量块2相连，质量块2与导向杆5之间有滑动滚珠7，限位板3与导向杆4固定连接。所述质量块和限位板为环状实心铁块，质量块、限位板形状、长度由空间网架结构的杆件体系特征来确定，质量块的质量和弹簧的长度与空间网架结构的频率有关，根据空间网架结构的动力响应，得到其振型参与系数，通过振型参与系数获得需要控制的主振型，从而确定各个阻尼器的各个频率，质量块的质量以及弹簧的刚度也由此确定。滑动滚珠为不锈钢材质，表面涂有润滑材料。所述的质量块2与限位板3之间的距离根据质量块的质量以及外荷载激励确定，阻尼器的质量块越大，间距应越大，在应用安装中，可根据控制效果进行调节。粘弹性缓冲材料(6)为包括橡胶，泡沫塑料或针织棉中任一种或多种。
Claims (3)
1.一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，其特征在于，包括阻尼器腔体单元（1）、质量块（2）、限位板（3）、连接弹簧（4）、导向杆（5）、粘弹性缓冲材料（6）和滑动滚珠（7）；所述的内置杆式碰撞阻尼器分布于空间网架结构中；
所述的阻尼器腔体单元（1）为中空杆件；导向杆（5）轴向固定于阻尼器腔体单元（1）中，连接弹簧（4）、质量块（2）和限位板（3）依次穿过导向杆（5），连接弹簧（4）一端固定在导向杆（5）上，另一端与质量块（2）相连，质量块（2）沿导向杆（5）滑动，限位板（3）与导向杆（5）固定连接，限位板（3）与质量块（2）碰撞散耗能量；质量块（2）和限位板（3）的外表面粘贴粘弹性缓冲材料（6）；质量块（2）与导向杆（5）的连接处设有滑动滚珠（7），滑动滚珠（7）沿导向杆（5）滑动，用于减小摩擦，所述的滑动滚珠（7）为不锈钢材质；
所述的空间网架结构中所有质量块（2）的总质量为空间网架结构总体质量的1%-3%，单个质量块（2）的质量根据空间网架结构中阻尼器的个数确定；所述的质量块（2）与限位板（3）之间的距离根据质量块的质量以及外荷载激励确定；
所述的连接弹簧（4）的刚度ki通过公式来计算，其中，fi为第i个阻尼器的频率，即为所需要控制的空间网架结构的模态频率，mi为第i个阻尼器中质量块（2）的质量；
内置杆式碰撞阻尼器分布在空间网架结构的各个杆件中，在空间网架振动时，质量块（2）与空间网架产生相对运动，当质量块（2）未和限位板（3）碰撞时，等同于传统调谐质量阻尼器，空间网架结构的动能通过连接弹簧（4）传递给质量块（2），减小空间网架结构本身的动能，各个阻尼器调谐为不同的固有频率，对不同振型减振；当质量块（2）与限位板（3）碰撞时，质量块（2）与限位板（3）互相碰撞耗散能量，质量块（2）与限位板（3）外部的粘弹性缓冲材料（6）在碰撞中产生非线性变形，增加碰撞中的能量耗散。
2.根据权利要求1所述的一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，其特征在于，所述的质量块（2）和限位板（3）为实心铁块。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间网架结构分布式内置杆式碰撞阻尼器，其特征在于，所述的粘弹性缓冲材料（6）为橡胶、泡沫塑料或针织棉。
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