一种用于模型试验的竖向调频质量阻尼器及其设计方法与流程

本发明涉及建筑结构模型减震试验领域，尤其是涉及一种用于模型试验的竖向调频质量阻尼器及其设计方法。

背景技术：

随着经济和城市建设发展的需要，建筑物和桥梁的跨度和规模越来越大，大跨度结构常见于体育、会议展览和机场建筑以及大跨桥梁等。采用调频质量阻尼器(TMD)对大跨度结构减振，是一种经济和合理的解决方法。TMD是应用最早的结构被动控制装置之一，是由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动系统。当主结构在外激励作用下产生振动时，带动调频质量阻尼器一起振动，其产生的惯性力反作用到结构上，其阻尼也发挥消能作用，使主结构的振动反应衰减并受到控制。

近年来，随着大型公共建筑的大量建设，TMD在大跨度空间结构减震控制的设计得到越来越多人的研究。大跨度空间结构由于自身动力特性的复杂性，理论计算难以满足要求，为了更好的研究TMD对大跨度结构的减震效果，进行结构模型减震试验是必不可少的。大跨度空间结构具有振型复杂、频率杂糅等动力特性，为了探究最优阻尼器的安装方案，在模型试验过程中，阻尼器的布置方式以及控制频率等参数需随时改变。此外，由于大跨度空间结构动力特性及模型缩比原因，阻尼器所需频率较高(一般在10-30Hz)，且质量较小(与模型缩比和设计质量有关)。这使阻尼器对摩擦很敏感，少量的摩擦就可能对该阻尼器的动力特性带来很大改变，使其无法满足TMD减震原理。目前，还比较缺乏一种有效的用于模型试验的竖向调频质量阻尼器。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种安装拆卸简便、频率可变的用于模型试验的竖向调频质量阻尼器及其设计方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于模型试验的竖向调频质量阻尼器，包括上部的顶板、下部的底板以及设在顶板和底板之间的质量块，所述的顶板和底板通过设在它们之间的连接螺杆连接，所述的竖向调频质量阻尼器设有竖直的直线轨道，所述的直线轨道与顶板和底板固定连接，顶板和质量块之间、底板与质量块之间分别设有弹簧，质量块与沿直线轨道上下滑动的滑块连接，该质量块在弹簧的作用下沿直线轨道做简谐运动。

所述的连接螺杆为设有外螺纹的圆柱长杆，并配有对应的螺母，顶板与底板的间距通过连接螺杆和螺母进行调节。

所述的直线轨道前后对称设置，该直线轨道与顶板和底板之间以及所述的质量块与滑块之间均设有连接板。

所述的连接板通过螺钉连接在顶板、底板及质量块上。

所述的顶板的下表面、底板的上表面以及质量块的上、下表面均设有定位板，该定位板形状与质量块的截面相同，定位板采用聚四氟乙烯制作。

所述的定位板通过螺钉与顶板、底板以及质量块连接，所述的定位板上设有多个弹簧定位孔，所述的弹簧上下两端粘连圆环垫圈，可使弹簧在往复压缩过程中更稳定，在更换弹簧时更好定位。

所述的底板、底板上表面和质量块下表面的定位板分别设有大小相同的中心圆孔，通过该中心圆孔，所述的质量块下表面可放置测试用加速度传感器。

所述的质量块采用密度大的金属材料制作，优选为铸铁。

所述的顶板上端设有与大跨度结构试验模型相连接的螺栓，所述的螺栓上配有螺母。

所述的竖向调频质量阻尼器中的质量块以及弹簧的设计，具体采用以下方法：

(a)根据预期减震效果以及大跨度结构模型悬挂处局部的承压能力，确定单个阻尼器质量块的质量m_TMD，然后确定质量块的尺寸及阻尼器的尺寸；

(b)确定所要控制的大跨度结构模型的频率f_TMD；

(c)根据公式k_TMD＝m_TMD(2·π·f_TMD)²/N确定每个弹簧的刚度系数，其中N为弹簧根数，根据实际情况确定，N优选取为偶数，使弹簧布置对称；

(d)根据公式k_TMD＝Gd⁴/(8D³n)，选择符合刚度及尺寸要求的弹簧，其中，G为弹簧的切变模量，d为弹簧丝的直径，D为弹簧的中径，n为弹簧有效圈数；如若无此类弹簧，回到步骤(3)调整弹簧数量N。

本发明根据TMD减震控制原理，提供一种易于安装、拆卸且能随时改变TMD频率的竖向调频质量阻尼器，该阻尼器通过螺栓与主结构紧密相连，与主结构形成一个整体，仅有质量块在直线滑轨上竖向相对运动，有助于找到结构中主要贡献振型及相应频率，当主结构受到干扰振动时，带动减震器中的质量块运动。竖向调频质量阻尼器通过顶板的螺栓拧进大跨度结构模型预留的螺孔中，然后拧紧螺母，使之与大跨度结构模型固定。顶板与底板通过多根连接螺杆连接，质量块与滑轨上的滑块连接，沿着轨道做竖向往复运动，当主结构受到干扰振动时，带动减震器中的质量块运动。由共振原理，当质量块运动的频率与主结构运动的频率接近或相同时，质量块达到共振状态，在该状态下，减震器总会施加一与主结构运动反方向的力来减弱主结构的运动，从而对主结构起到保护作用；从能量的角度来说，主结构运动的能量转移到减震器上从而减少了主结构的运动能量，达到减震的效果。

与现有技术相比，本发明竖向调频质量阻尼器设计简洁，质量块仅在竖直方向运动，符合大跨度结构模型减震试验的需求，通过单向的控制达到多向减震的效果；部分大型地震台设备，由于性能限制，无法长时间处于待机状态，本发明阻尼器附加质量小、顶板设有螺栓，使安装拆卸方便；本发明采用定位板设计，可使弹簧快速安装拆卸，且定位对称准确，满足试验过程中快速调节的需求；本阻尼器质量块设计安装在光滑的直线导轨上，重力由压缩弹簧承担，在竖向往复的高频运动的过程中，基本无摩擦损耗，阻尼比仅为0.2％左右，摩擦力对阻尼器频率的影响可以忽略，保证调频的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明弹簧的示意图；

图4为本发明定位板的示意图；

图5为本发明底板的示意图；

图中：1-顶板；11-螺栓；12-螺母；2-质量块；3-连接螺杆；4-直线轨道；41-滑块；42-连接板；5-弹簧；51-圆环垫圈；6-定位板；61-螺钉；62-弹簧定位孔；7-底板；8-中心圆孔；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种用于模型试验的竖向调频质量阻尼器，如图1-5所示，包括上部的顶板1、下部的底板7以及设在顶板1和底板7之间的质量块2，顶板1上端设有与大跨度结构模型相连接的螺栓11，螺栓11上配有两个螺母12，质量块2为方块，采用实心铁块制成，顶板1和底板7通过设在它们之间的四个连接螺杆3连接，连接螺杆3为设有外螺纹的圆柱长杆，配有对应的螺母，顶板1与底板7的间距通过连接螺杆3和螺母进行调节。竖向调频质量阻尼器设有竖直的直线轨道4，直线轨道4与顶板1和底板7固定连接，顶板1和质量块2之间、底板7与质量块2之间分别设有多个弹簧5，直线轨道4设有上下滑动的滑块41，该质量块2在弹簧5的作用下沿直线轨道4做往复运动。直线轨道4前后对称设置，该直线轨道4与顶板1和底板7之间以及质量块2与滑块41之间均设有连接板42，连接板42通过螺钉连接在顶板1、底板7及质量块2上。顶板1的下表面、底板7的上表面以及质量块2的上、下表面均设有定位板6，该定位板6形状与质量块的截面相同，定位板6采用聚四氟乙烯制作，定位板6通过螺钉与顶板1、底板7以及质量块2连接，定位板6上设有六个弹簧定位孔62，弹簧5两端粘连有圆环垫圈51，可使弹簧5卡在定位孔62中，使弹簧5在往复压缩过程中更稳定，在更换弹簧时更好定位。底板1、底板1上表面以及质量板2下表面的定位板6分别设有大小相同的中心圆孔8，通过该中心圆孔8，质量块2可连接测试加速度传感器，以便测试该TMD的动力特性。

实施例2

竖向调频质量阻尼器中的质量块以及弹簧的设计，具体采用以下方法：

(a)根据预期减震效果以及大跨度结构模型悬挂处局部的承压能力，确定单个阻尼器质量块的质量m_TMD，然后确定质量块的尺寸及阻尼器的尺寸；

(b)确定所要控制的大跨度结构模型的频率f_TMD；

(c)根据公式k_TMD＝m_TMD(2·π·f_TMD)²/N确定每个弹簧的刚度系数，其中N为弹簧根数，根据实际情况确定，N取为偶数，使弹簧布置对称；

(d)根据公式k_TMD＝Gd⁴/(8D³n)，选择符合刚度、尺寸及其他要求的弹簧，其中，G为弹簧的切变模量，d为弹簧丝的直径，D为弹簧的中径，n为弹簧有效圈数；如若无此类弹簧，回到步骤(3)调整弹簧数量N。