多级混合型耗能减振控制装置的制作方法

本发明属于高耸结构减振耗能控制范畴，具体涉及一种多级混合型耗能减振控制装置。

背景技术：

高耸结构是一种高度较高、横截面相对较小、水平荷载起控制作用的细长结构，该结构被广泛应用于通讯、电力及化工等众多领域。相对于普通建筑结构，高耸结构侧向刚度较小，对风荷载和地震作用敏感，易产生较大的动力响应。因此，有关高耸结构动力特性及减振控制的研究日益受到重视。传统意义上，高耸结构的抗风抗震设计主要是通过提高结构的刚度和强度来提高自身的安全性，这种方法既不经济，也不能很好的达到预期的效果。能够找到一种使高耸结构在风荷载或地震作用下安全运行的控制装置，对整个结构工程行业具有重要的现实意义。

高耸结构在地震或风荷载作用下的运动呈多方向，仅控制单一方向的振动是远远不能满足要求的，应对高耸结构进行多个方向的振动控制。目前常用的振动控制技术可以分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制和混合控制。目前振动控制的方法主要包括消振、隔振、动力吸振及阻尼减振等方法。主动控制装置利用外部能量控制结构在地震作用或风荷载下的振动反应，尽管其控制效果好，适应性强，但技术复杂、造价昂贵、维护要求高，但广泛应用于工程实际中有较大困难。被动控制则没有外部能量输入，主要是通过抗震设计改变结构的刚度、阻尼和质量大小，或者改变能量的传递途径，以达到控制工程结构振动响应的目的。

形状记忆合金作为一种兼具感知和驱动能力的新型功能材料，具有特殊的形状记忆效应和超弹性效应。由形状记忆合金制成的阻尼器，具有可恢复变形大，阻尼性能较好，耐久耐腐蚀以及维修简便等特点。然而，目前研究的形状记忆合金阻尼器只能在单方向上实现减振耗能，不易实现工程中要求的多维被动控制。

技术实现要素：

为了实现结构工程中的多维多级控制，本发明提供了一种多级混合型耗能减振控制装置，该装置将形状记忆合金(SMA)与调频液体阻尼器(TLD)结合起来，能够有效的减小高耸结构在地震和风荷载作用下的各个方向的振动响应，并且可以根据小震或大震、小风或大风来自行调节控制方式，达到多维多级耗能减振的效果。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

多级混合型耗能减振控制装置，包括一个外箱型结构；在所述的外箱型结构内部设有一个调频液体阻尼器，调频液体阻尼器包括一个圆筒结构，在所述的圆筒结构内盛装有用于耗散振动能量的阻尼液体；所述的圆筒结构的底部通过多个形状记忆合金弹簧与外箱体结构相连；所述的圆筒结构的侧壁通过四个形状记忆合金丝与外箱体结构侧壁相连。

在小风或小震激励下结构带动箱型结构发生振动或扭转时，圆筒结构中的液体也随之发生晃动，液体晃动产生的压力作用于容器壁，其作用传播到结构上，从而对结构运动产生影响，动水压力起到减振控制力的作用。从能量的角度来看，容器中的液体通过晃动吸收主体结构的振动能量，通过液体之间的剪切，液体和容器壁之间的摩擦、碰撞来耗散振动能量，主体结构的振动能量最终转化为热能，从而达到减小振动对结构影响的目的。所述的调频液体阻尼器在水平方向通过多跟根形状记忆合金丝与箱型结构连接，在大风或大震激励下结构带动箱型结构发生振动或扭转时，形状记忆合金丝和形状记忆合金弹簧发生变形，在其伸长或缩短的过程中起到吸收能量，耗能减振的效果。

进一步的，多级混合型耗能减振控制装置固定在高耸结构的节点连接处，旨在减小节点处的振动。

进一步的，所述的箱型结构由不锈钢制成，可以防止其在复杂的室外环境下受到腐蚀。

进一步的，所述的TLD中的圆筒结构是由不锈钢制成的刚性容器，内部装有水，可以在结构振动时发生振荡。

进一步的，所述的弹簧采用马氏体形状记忆合金制成，此合金具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点。

进一步的，所述的弹性合金丝采用奥氏体形状记忆合金制成，此合金具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点。

进一步的，所述的形状记忆合金弹簧与TLD组合的振动频率与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度以及TLD中圆筒结构的尺寸和水深等。

进一步的，所述的多个形状记忆合金弹簧均匀的分布在调频液体阻尼器的底部，以保证调频液体阻尼器自身的稳定性。

进一步的，所述的多个形状记忆合金丝沿着调频液体阻尼器的环状外壁均匀分布，且多个形状记忆合金丝位于同一水平面上，以保证调频液体阻尼器自身的稳定性。

本发明的工作原理如下：

将本装置固定在高耸结构的节点连接处，在小震或小风作用下，被控结构发生振动或扭转时，带动箱形结构一起振动，在此过程中，调频液体阻尼器中的液体也随之发生晃动，液体晃动产生的压力作用于容器壁，其作用传播到结构上，从而对结构运动产生影响，动水压力起到减振控制力的作用。从能量的角度来看，容器中的水通过晃动吸收主体结构的振动能量，通过液体之间的剪切，液体和容器壁之间的摩擦、碰撞来耗散振动能量，主体结构的振动能量最终转化为热能，从而达到减小振动对结构影响的目的。在大震或大风作用下，被控结构发生振动或扭转时，形状记忆合金丝和形状记忆合金弹簧发生变形，在其伸长或缩短的过程中起到吸收能量，耗能减振的效果，实现了多维多级耗能减振的作用。

本发明的有益效果：

本发明属于被动控制装置，无需外部能量的输入，可通过装置自身对被控结构进行减振耗能，具有构造简单，造价低廉，施工方便，实用性强等优点。本发明不仅能在水平方向起到耗能减振的作用，还能在竖直方向产生耗能减振的效果，解决了以往被动控制装置只能在单一方向减振的弊端。本发明能够根据结构振动强弱自行选择控制方式，能够达到多级减振耗能的效果。本发明可以广泛的应用到高层建筑、输电塔等高耸结构的耗能减振方面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多级混合型耗能减振控制装置结构示意图

图2是多级混合型耗能减振控制装置结构A-A剖面图。

图中：1箱形结构，2圆筒结构，3液体，4马氏体形状记忆合金弹簧，5奥氏体形状记忆合金丝。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式。

为了实现结构工程中的多维多级控制，本发明提供了一种多级混合型耗能减振控制装置，该装置将形状记忆合金(SMA)与调频液体阻尼器(TLD)结合起来，能够有效的减小高耸结构在地震和风荷载作用下的各个方向的振动响应，并且可以根据小震或大震、小风或大风来自行调节控制方式，达到多维多级耗能减振的效果。

多级混合型耗能减振控制装置在小震或小风作用下发生振动或扭动时，TLD中的液体也随之发生晃动，液体晃动产生的压力作用于容器壁，其作用传播到结构上，从而对结构运动产生影响，动水压力起到减振控制力的作用。从能量的角度来看，容器中的液体通过晃动吸收主体结构的振动能量，通过液体之间的剪切，液体和容器壁之间的摩擦、碰撞来耗散振动能量，主体结构的振动能量最终转化为热能，从而达到减小振动对结构影响的目的。此外，本装置利用形状记忆合金高阻尼，超弹性，高耗能的特点，构造简单，造价低廉，施工方便，实用性强等优点。相应的，本发明基于形状记忆合金以上的优点，在大震或大风作用下，结构发生振动或扭转时，外箱型结构与圆筒结构会发生相对运动，在此过程中，形状记忆合金弹簧与形状记忆合金丝产生形变，部分伸长和部分缩短交替变换，在变形过程中，产生的弹力会阻碍相对运动，从而提供较大的阻尼力和耗能能力，达到耗能减振的效果。

本发明提出的多级混合型耗能减振控制装置如图1所示，该装置可以安装在高耸结构的节点连接处。

具体结构如下：该减振装置是由箱形结构1，圆筒结构2，液体3，马氏体形状记忆合金弹簧4，奥氏体形状记忆合金丝5组成。

这里的液体可以选择水等可以流动的液体即可，下面以水为例进行说明。

其中箱形结构1固定于高耸结构的节点连接处，2圆筒结构中装有水并通过4形状记忆合金弹簧与1箱型结构的低端相连，2圆筒结构通过5形状记忆合金丝与1箱型结构相连，外箱型结构和圆筒结构相对运动时可带动形状记忆合金弹簧和形状记忆合金丝变形。

进一步的，多级混合型耗能减振控制装置固定在高耸结构的节点连接处，目的是控制节点处的振动。

进一步的，箱型结构由不锈钢制成，防止其在复杂的室外环境下受到腐蚀，保障其能够正常运行。

进一步的，TLD中的圆筒结构是由不锈钢制成的刚性容器，内部装有水，可以在结构振动时发生振荡。

进一步的，弹簧采用马氏体形状记忆合金制成，此合金具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点。

进一步的，弹性合金丝采用奥氏体形状记忆合金制成，此合金具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点。

进一步的，形状记忆合金弹簧与TLD组合的振动频率与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度以及TLD中圆筒结构的尺寸和水深等。

进一步的，多个形状记忆合金弹簧均匀的分布在圆筒结构的底部，以保证圆筒结构自身的稳定性。

进一步的，多个形状记忆合金丝沿着圆筒结构的环状外壁均匀分布，且多个形状记忆合金丝位于同一水平面上，以保证圆筒结构自身的稳定性。

本实施方案中需要注意以下几个方面：

一、该装置应设置在被控结构节点连接处，能够在地震作用或者风荷载沿各个方向振动；二、箱型结构、圆筒结构均采用不锈钢制成，能够承受极端天气，防止锈蚀。

本实施方案中，应当根据结构的具体情况确定多级混合型耗能减振控制装置的安装位置和数量，以达到最佳的减振吸能效果。

本发明利用TLD中的水随结构发生晃动时产生的动水压力作用于容器壁起到减振控制力的作用，并将振动的机械能最终转化为热能，从而达到减小振动对结构影响的目的；本发明基于形状记忆合金以上的优点，通过形状记忆合金弹簧和形状记忆合金丝产生形变，部分伸长和部分缩短交替变换，在变形过程中，产生的弹力会阻碍相对运动，从而提供较大的阻尼力和耗能能力，从而达到耗能减振的效果。

本发明的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。