本发明涉及土木结构的振动控制领域，具体涉及一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置。
背景技术
在风荷载或地震作用下，建筑结构受到外部传来的荷载而产生剧烈振动，对于工程结构本身来说，这种振动是非常有害的。在这种往复运动下，结构构件容易发生连续性失效，导致大范围的倒塌破坏。结构振动控制是解决建筑结构在外界激励下失效的有效方法。振动控制方法将人的主观能动性与自然不确定性结合，可以有效抑制建筑结构的振动响应，确保结构的安全性和耐久性。
目前在进行土木结构振动控制中可以采用的减振方式有很多，其中调谐质量阻尼器由于构造简单、减振效果显著，成为在实际工程中应用最广泛的减振方式之一。调谐质量阻尼器一般由质量块、弹性减振元件和阻尼系统组成。其中，弹性减振元件普遍采用圆柱螺旋弹簧，该弹簧结构简单，制造方便，重量小且占空间位置少。当结构发生振动时，带动质量块运动导致螺旋弹簧发生变形，将质量块的动能转化为螺旋弹簧的势能，从而抑制结构的振动响应。但是当质量块振动幅度较大时螺旋弹簧会产生较大的变形，在设计空间有限的情况下，难以达到理想的减振效果。
技术实现要素：
为克服以上弊端，本发明目的是提供一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置，旨在减小建筑结构在风荷载及地震作用下的振动响应，达到耗能减振的目的。本发明采用平面涡卷弹簧作为弹性减振元件，提出了一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置。当施加外力后，涡卷弹簧在卷绕时会产生弯曲弹性变形，导致产生较大的变形角，在有限的空间体积内可以储存更多的能量。当主体结构发生大幅度的振动时减振装置能够满足稳定的工作性能，达到有效抑制结构振动的目的。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置，包括一个保护筒，在所述保护筒的中心设有一个质量块，所述保护筒的顶面和底面分别通过弹簧与质量块的顶面和底面相连；在质量块的四周设有数个弹簧盒，弹簧盒固定放置于支撑杆顶部的槽板上，所述支撑杆底部连接在保护筒底板上；所述的弹簧盒内盘绕有涡卷弹簧，涡卷弹簧一端固定在弹簧盒内的条轴上，另一端伸出弹簧盒并穿过轴承连接在万向球铰上，所述的万向球铰放置于预留在质量块侧面的凹槽内。
进一步的技术方案为：所述的减振装置安装在主体结构容易发生振动响应的位置。
进一步的技术方案为：所述的保护筒采用不锈钢材质制作，防止其在风雨等外界环境下发生锈蚀。
进一步的技术方案为：所述的弹簧与质量块和保护筒之间通过弹簧支座相连；所述的弹簧支座一端附有粘弹性材料，避免质量块振动幅度较大时与保护筒发生剧烈碰撞。
进一步的技术方案为：所述的万向球铰表面与凹槽的间隙中涂有润滑油。
进一步的技术方案为：所述的涡卷弹簧为非接触型平面涡卷弹簧，所选材料可采用超弹性材料。
进一步的技术方案为：所述的保护筒底板在两个轴线方向上设有多个螺栓孔，使用螺栓将支撑杆底部连接在保护筒底板上。同时可以根据采用不同位置的螺栓孔改变质量块与弹簧盒的轴线距离。
进一步的技术方案为：所述的轴承通过刚性杆固定在保护筒底板上。
进一步的技术方案为：在初始状态下，所述的轴承两侧涡卷弹簧保持水平直线。
进一步的技术方案为：所述的弹簧盒与轴承间的涡卷弹簧始终保持直线，轴承另一侧的涡卷弹簧可以随质量块的运动状态发生任意方向的运动。
进一步的技术方案为：所述的减振装置的水平刚度主要由涡卷弹簧提供，可以通过水平移动弹簧盒的位置改变质量块对条轴的转动惯量，进而调整该减振装置的水平振动频率。同时，当质量块发生水平振动时，竖向弹簧产生剪切变形进一步抑制振动响应。
该减振装置的水平振动频率可由下式计算：
式中，kθ为涡卷弹簧的总刚度，i为质量块对条轴的转动惯量，可由下式确定：
i＝ml2
式中，m为质量块的质量，l为质量块重心到条轴的距离。
进一步的技术方案为：所述的减振装置的竖向刚度主要由竖向弹簧提供，可以调节该减振装置的竖向振动频率与结构相调谐。同时，当质量块发生竖向振动时，带动涡卷弹簧在平面内发生扭转，与竖向弹簧联合作用有效抑制结构的振动响应。
该减振装置的竖向振动频率可由下式计算：
式中，ks为竖向弹簧串联刚度总和，fopt为最优频率比，可由下式确定：
式中，μ为质量块与主体结构一阶模态的质量比。
本发明的有益效果是：
(1)该减振装置利用平面涡卷弹簧和竖向弹簧的配合作用，有效减小结构在风荷载或地震作用下水平和竖向振动响应，可以弥补荷载发生时方向不确定所带来的隐患。
(2)该减振装置充分考虑圆柱螺旋弹簧空间利用率低的弊端，采用在较小体积内可以储存更多能量的平面涡卷弹簧作为所需要的弹性减振元件，在减振空间受限的情况下，实现良好的减振效果。
(3)可以通过改变竖向弹簧的刚度、质量块对弹簧盒内条轴的转动惯量，对该减振装置的竖向、水平振动频率进行调整，应用范围广。
(4)该减振装置的工作原理属于被动控制，构造简单，维护方便，无需能源输入，可适用于高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构，保证结构满足所要求的安全性和耐久性。
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。
图1为一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置的正视图；
图2为一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置的俯视图；
图3为一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置的水平振动示意图；
图中：1保护筒，2弹簧盒，3条轴，4涡卷弹簧，5轴承，6万向球铰，7质量块，8弹簧支座，9粘弹性材料，10竖向弹簧，11支撑杆，12槽板，13刚性杆，14螺栓，15螺栓孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中目前在进行土木结构振动控制中可以采用的减振方式有很多，其中调谐质量阻尼器由于构造简单、减振效果显著，成为在实际工程中应用最广泛的减振方式之一。调谐质量阻尼器一般由质量块、弹性减振元件和阻尼系统组成。其中，弹性减振元件普遍采用圆柱螺旋弹簧，该弹簧结构简单，制造方便，重量小且占空间位置少。当结构发生振动时，带动质量块运动导致螺旋弹簧发生变形，将质量块的动能转化为螺旋弹簧的势能，从而抑制结构的振动响应。但是当质量块振动幅度较大时螺旋弹簧会产生较大的变形，在设计空间有限的情况下，难以达到理想的减振效果，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置，旨在减小建筑结构在风荷载及地震作用下的振动响应，达到耗能减振的目的。本发明采用平面涡卷弹簧作为弹性减振元件，提出了一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置。当施加外力后，涡卷弹簧在卷绕时会产生弯曲弹性变形，导致产生较大的变形角，在有限的空间体积内可以储存更多的能量。当主体结构发生大幅度的振动时减振装置能够满足稳定的工作性能，达到有效抑制结构振动的目的。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种多维涡簧和螺簧组合式调谐减振装置，包括一个保护筒1、数个弹簧盒2和质量块7，数个弹簧盒2布置在质量块7四周并固定于支撑杆11顶部的槽板12上，支撑杆11底部通过螺栓14与保护筒1底板连接。弹簧盒2内盘绕有涡卷弹簧4，涡卷弹簧4的一端固定在弹簧盒2的条轴3上，另一端伸出弹簧盒2并穿过轴承5与万向球铰6连接，万向球铰6放置于预留在质量块7侧壁的凹槽内。轴承5通过固定在保护筒1底板上的刚性杆13支撑。保护筒1内壁和质量块7的上、下面相对地固定设有弹簧支座8，并且分别套在竖向弹簧10的两端。
在附图1中，质量块为正方体，其中弹簧盒2包括四个，分布在质量块7的前、后、左、右四个方向上；当然，弹簧盒2还可以设置8个，或者16个等等。当质量块为圆柱形或者别的形状时，可以根据实际需要设置多个弹簧盒2。
在附图1中，弹簧10上下各设置了两组，实际应用时，可以根据实际需要进行设置。
万向球铰6表面与凹槽的间隙中涂有润滑油；保证万向球铰6可以在凹槽内自由转动。
弹簧支座8一端附有粘弹性材料9，避免质量块7振动幅度较大时与保护筒1发生剧烈碰撞。
涡卷弹簧4为非接触型平面涡卷弹簧，所选材料可采用超弹性材料，例如形状记忆合金。
保护筒1底板在轴线方向上设有多个螺栓孔15，使用螺栓14将支撑杆11底部连接在保护筒1底板上。同时可以根据采用不同的螺栓孔15改变质量块7与弹簧盒2的轴线距离；进而改变质量块7对弹簧盒2内条轴3的转动惯量。
弹簧盒2与轴承5间的涡卷弹簧4始终保持直线，轴承5另一侧的涡卷弹簧4可随质量块7的运动状态发生任意方向的运动。
该减振装置的水平刚度主要由涡卷弹簧4提供，可以通过水平移动弹簧盒2的位置改变质量块7对弹簧盒2内条轴3的转动惯量，进而调节该减振装置的频率。当质量块7的振动以水平方向为主时，拉动涡卷弹簧4在弹簧盒2内产生弯曲弹性变形，储存大部分由质量块7传来的能量。同时，质量块7的水平运动也会带动竖向弹簧10发生剪切变形，进一步抑制结构的水平振动响应。
该减振装置的水平振动频率下式计算：
式中，kθ为涡卷弹簧的总刚度，i为质量块对条轴的转动惯量，可由下式确定：
i＝ml2
式中，m为质量块的质量，l为质量块重心到条轴的距离。
该减振装置的竖向刚度主要由竖向弹簧10提供，可以通过改变竖向弹簧10的刚度以及个数，对该减振装置的频率进行调整。当质量块7的振动以竖向为主时，竖向弹簧10产生变形，将质量块7的动能转化为竖向弹簧10的势能。同时，质量块7的竖向运动也会带动涡卷弹簧4在平面内产生扭矩，储存一部分由质量块7传来的能量，进一步抑制结构的竖向振动响应。
该减振装置的竖向振动频率可由下式计算：
式中，k为竖向弹簧串联刚度总和，fopt为最优频率比，可由下式确定：
式中，μ为质量块与主体结构一阶模态的质量比。
该减振装置考虑外部荷载方向的不确定性，通过涡卷弹簧4和竖向弹簧10联合作用，有效抑制主体结构的多维振动响应。当振动结束后，利用涡卷弹簧4产生变形后的超弹性特性，将减振装置呈现回最初状态，保证下次应用时的工作性能。
该减振装置尤其适用于对外界激励情况敏感的结构，例如高层建筑或高耸结构。当结构发生剧烈振动时，带动质量块7产生幅度较大的运动，与圆柱螺旋弹簧相比，涡卷弹簧4可以在弹簧盒2内产生较大的变形角，在减振空间受限的情况下，减振装置仍有稳定的工作性能，达到良好的减振效果。
该减振装置安装在主体结构容易发生振动响应的位置，其工作原理属于被动控制，构造简单，加工方便，不仅适用于新建建筑结构的减振，也适用于已有建筑结构的减振控制。
本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。