一种可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器

1.本发明属于建筑结构减振技术领域，特别涉及一种可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器。


背景技术：

2.近年来，大跨结构得到迅猛发展，广泛应用于鸟巢、各大体育场看台等标志性建筑中。大垮结构普遍规模较大、结构高耸，为满足安全及工程需要，阻尼器的发展成为解决大跨结构发展的决定性因素。目前，在大跨结构中使用率最高的为粘滞阻尼器，通过采用替换杆件的方式，或者作为附属结构与结构进行并联，都表现出良好的减振效果。大部分研究中，最常用的手段之一是对整体杆件进行替换，但会使得粘滞阻尼器直接暴露在外界环境中，恶劣天气等复杂外部环境因素都会对阻尼器的工作稳定性和使用寿命产生不良影响。大跨结构特殊性，使得安装各类阻尼器时需要通过大量的高空作业来实现，具有作业难度高、劳动强度大等特点，所以开发出耐久、性能优越的阻尼器显得尤为重要。
3.对于采用大跨结构的建筑工程来说，要求越来越严格，不仅要求结构外观新颖更要保障其足够的稳定性、实用性和安全性。从建筑施工技术领域来说，整个大跨度空间结构的施工技术先进与否意味着一个国家的建筑水平的高低。大跨结构的特殊性使其具有竖向刚度小、质量相对较轻、结构阻尼小等风敏感特性，自然风荷载也就成了结构安全性能所主要考虑的因素之一。普通的调谐质量阻尼器在现今高层建筑中发挥着重要的作用，但是对于大跨度结构的风振响应性能表现相对欠缺。一方面，这是因为风荷载实质是一个平稳的随机荷载，其随机性使其很难进行稳定调谐，因此具有的不确定性使普通调谐质量阻尼器在风振方面推广受限；另一方面，调谐质量阻尼器通常需要足够大的质量块才能产生足够的惯性力来抵消能量，故通常造价偏高且安装难度相对较大，这也影响了其使用范围。
4.调谐粘滞质量阻尼器的出现，使大跨结构在抗风领域的研究得到有效的拓展。现目前市面上的调谐质量阻尼器存在使用局限性，因为需要足够大的质量块来对整体结构进行调频，所以存在着安装不易、造价昂贵的缺点。除此之外，常用的粘滞阻尼器和调谐质量阻尼器的调频范围也很难控制，且对整体结构的调频范围存在局限性。相对比，调谐粘滞质量阻尼器控制范围相对较大，但仍存在着很大的弊端。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器，可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器，扩大该阻尼器的调频范围。并联安置在各类杆件的连接节点处，自身结构内部完全封闭，可隔绝外界各类恶劣天气等外部环境因素的影响，大大提高了阻尼减振构件的工作稳定性和使用寿命。利用结构形式将弹簧系统和力学放大机制进行串联，利用小重量的质量系统可产生结构调谐所需要的表观质量效果，使得阻尼器总质量较小降低了安装的风险，并且后期维修涉及问题相对减少，维修成本随之减少，状态十分稳定。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器，包括外壳、支座ⅰ、支座ⅱ、外筒、滚珠丝杠及内筒；所述外壳内腔设置有支座ⅰ和支座ⅱ，支座ⅰ开口端与外壳的其中一块端板固定，支座ⅱ封闭端与外壳的另一个块端板固定，所述支座ⅰ由环状筒及带有通孔的端板组成，环状筒一端设置有带有通孔的端板，所述滚珠丝杠一端穿过端板的通孔延伸至支座ⅰ内部，滚珠丝杠上螺接有丝母，所述内筒一端插入丝母端部的凹槽内，且丝母通过其上的环状导槽ⅰ与内筒外圆上对应的环状导轨ⅰ转动连接，滚珠丝杠另一端延伸至内筒的光孔内，且滚珠丝杠与光孔内壁之间设置有间隙，丝母和内筒外侧同轴套装有外筒，且内筒通过其上环状导轨ⅱ的与外筒内孔上的环状导槽ⅱ转动连接，丝母与外筒之间焊接连接，内筒另一端的榫头与支座ⅱ上的榫槽配合，且同时内筒与支座ⅱ焊接固定，所述固定支座ⅰ的端板与滚珠丝杠之间通过多个弹簧组成的弹簧系统连接。
8.所述内筒中心处的光孔的内径大于滚珠丝杠的最大直径；支座ⅰ端板上的通孔内径大于滚珠丝杠的最大直径。
9.所述外筒的长度与丝母加上内筒的长度等长。
10.所述丝母、外筒、内筒及环状导轨ⅱ组成的封闭空间内填充有粘滞材料。
11.本发明的技术效果为：
12.1、本发明通过利用滚珠丝杠、内筒与外筒之间的粘滞材料等力学放大机制提供了以小质量呈现出数倍表观质量效果，避免了多个调谐粘滞质量阻尼器对整体结构自重的影响，通过弹簧系统的存在扩大了调谐粘滞质量阻尼器调频范围，提高了阻尼器减振效率。
13.2、本发明阻尼器造价低，改善了调谐粘滞质量阻尼器昂贵的成本，且整体结构处于完全的密封状态，不受外界条件的影响，使用寿命较长，降低了维修的成本。在安装时，质量较轻，也降低了安装风险。
附图说明
14.图1本发明可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器的剖面图；
15.图2本发明可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器的左视图；
16.101
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支座ⅰ，102
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支座ⅱ，2
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弹簧系统，3
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滚珠丝杠，4
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丝母，5
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内筒，6
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粘滞材料，7
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外筒，8
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榫头，9
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外壳，10
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导轨ⅰ，11
‑
导轨ⅱ。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
18.如图1和图2所示，一种可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器，包括外壳9、支座ⅰ101、支座ⅱ102、外筒7、滚珠丝杠3及内筒5；所述外壳9内腔设置有支座ⅰ101和支座ⅱ102，支座ⅰ101开口端与外壳9的其中一块端板固定，支座ⅱ102封闭端与外壳9的另一个块端板固定，所述支座ⅰ101由环状筒及带有通孔的端板组成，环状筒一端设置有带有通孔的端板，所述滚珠丝杠3一端穿过端板的通孔延伸至支座ⅰ101内部，且滚珠丝杠3端部外圆设置有环状限位凸台，防止滚珠丝杠3在水平位移的情况下从支座ⅰ101内脱离，滚珠丝杠3上螺接有丝母4，所述内筒5一端插入丝母4端部的凹槽内，且丝母4通过其上的环状导槽ⅰ与内筒5外圆上对应的环状导轨ⅰ10转动连接，滚珠丝杠3另一端延伸至内筒5的光孔内，且滚珠
丝杠3与光孔内壁之间设置有间隙，丝母4和内筒5外侧同轴套装有外筒7，且内筒5通过其上环状导轨ⅱ11的与外筒7内孔上的环状导槽ⅱ转动连接，丝母4与外筒7之间焊接连接，所述丝母4与外筒7作为该阻尼器的核心关键部分，利用滚珠丝杠3和粘滞材料6让整个结构的质量得到了很大的改善，使阻尼器通过小的质量系统可以发挥出数倍甚至几千倍的表观质量效果，保护了待减振结构危险杆件因为质量负荷过大而提前遭受破坏，大幅度降低了安装的危险性和阻尼器的造价成本，内筒5另一端的榫头8与支座ⅱ102上的榫槽配合，且同时内筒5与支座ⅱ102焊接固定，所述固定支座ⅰ101的端板与滚珠丝杠3之间通过多个弹簧组成的弹簧系统2连接，所述弹簧系统2在安装时，要保证弹簧系统2中的弹簧轴线垂直于支座ⅰ101，可有效避免弹簧发生作用效益时，受力作用线不垂直于支座ⅰ101和滚珠丝杠3，导致能量传递的效率变低，甚至会对阻尼器造成伤害。弹簧系统2作为一个附加串联结构，起着至关重要的作用，可以通过调整弹簧系统2的刚度系数，改变整体阻尼器的减振效能，从而改变调谐粘滞质量阻尼器的调频范围，且不影响后续整体体系。当整体结构振动偏小时，所述弹簧系统2可自行进行减振，打破调谐粘滞质量阻尼器调频范围的局限，扩大了调谐粘滞质量阻尼器的调频范围，提高了调谐粘滞质量阻尼器的减振耗能的效率；因局部构件的减振效果存在，从而提高阻尼器的整体的使用寿命，减少了维修的费用。
19.所述内筒5中心处的光孔的内径大于滚珠丝杠3的最大直径；支座ⅰ101端板上的通孔内径大于滚珠丝杠3的最大直径。
20.所述外筒7的长度与丝母4加上内筒5的长度等长。
21.所述丝母4、外筒7、内筒5及环状导轨ⅱ11组成的封闭空间内填充有粘滞材料6。
22.一种可调节弹簧刚度系数的调谐粘滞质量阻尼器的使用方法，包括以下步骤：
23.将阻尼器放置在待减振结构的危险杆件的一端节点处，将外壳9的一端的端板焊接在节点处，阻尼器外壳的外圆面焊接并联到待减振结构的危险杆件上；当阻尼器受到外荷载的作用时，外荷载从支座ⅰ101传入阻尼器，先经过弹簧系统2进行初步减振，然后传递至滚珠丝杠3，由于丝母4和外筒7同时与内筒5转动安装，且内筒5与支座ⅱ102固定，因此丝母4和外筒7只能转动不能沿丝杠轴向移动；同时内筒5上开设光孔且内径大于滚珠丝杠3最大直径，此光孔区域将为滚珠丝杠3提供位移空间，因此滚珠丝杠3在受到外荷载时产生水平直线运动，因此外荷载传递至滚珠丝杠3时迫使滚珠丝杠3产生水平位移趋势，进而迫使与其连接的丝母4和外筒7产生圆周运动，同时滚珠丝杠3向光孔一侧移动完成转动耗能；同时丝母4和外筒7克服粘滞材料6转动的过程中将外荷载转化为了粘滞材料6的内能进一步耗能，此时内筒5与外筒7之间会将减振结构的振动能量转换为切应力以及粘滞材料6的内能，从而将外部能量进行消耗和结构减振。
24.本发明阻尼器其自身内部为封闭结构，外壳9为不锈钢材质的圆筒。当外部荷载来临时，整体结构会因为振动而产生大量的能量，整体结构通过支座ⅰ101和支座ⅱ102将能量传入到调谐粘滞质量阻尼器中，弹簧系统2可对此进行第一次减振作用。此类调谐粘滞质量阻尼器，通过弹簧、粘滞材料6力学放大机制，以及一些表观质量上远大于实际质量效果的装置所提供的惯性力和抵抗力来消耗外部能量。