菱形消能模块及摇摆支架

1.本发明涉及结构工程领域，主要用于减震隔震结构，起到耗散地震能量、增强主体结构抗震性能的作用，尤其涉及一种菱形消能模块及摇摆支架。


背景技术：

2.地震灾害发生时，建筑结构受到巨大的水平地震作用，大批建筑物损坏倒塌，造成严重的生命财产损失，如何更好地抵御地震作用、保护建筑结构一直是结构工程师们探寻的目标。
3.带有普通支撑的钢结构框架依靠支撑杆件自身的材料受力特性和主体结构本身共同抗震，但受到强震作用时支撑杆件进入非弹性阶段发生不可恢复的受压屈曲，在突变荷载作用下，支撑杆件屈曲后的滞回性能变差，受拉和受压承载力均降低，导致结构整体的抗震性能减弱。而带有消能框的消能支撑，虽然抗震性能得到了改良并且不用主体结构耗能，但其受到重复荷载作用时支撑结构的耐久性降低，遇到强烈地震作用时结构受损严重，构件难以更换。
4.鉴于此，有必要提供一种新的菱形消能模块及摇摆支架，以解决或至少改善上述技术缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提供一种菱形消能模块及摇摆支架，旨在解决现有技术现有装置抗震性能不佳的技术问题。
6.为实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种菱形消能模块，包括交叉设置且相互铰接的两根第一连接杆，所述第一连接杆的端部通过第二连接杆连接分别形成第一菱形框和第二菱形框，所述第一连接杆与所述第二连接杆铰接；所述第一菱形框和所述第二菱形框的连接点为两根所述第一连接杆的铰接点；
7.惯容器、阻尼组件和丝杆组件，所述惯容器连接所述第一菱形框相对的两端，所述阻尼组件连接所述第二菱形框相对的两端，所述丝杆组件连接所述第一菱形框和所述第二菱形框。
8.在一实施例中，所述阻尼组件包括阻尼器、弹性元件一和分别连接于所述第二菱形框两端的两个连接件，所述阻尼器的两端分别与两个所述连接件连接，所述弹性元件一的两端分别与两个所述连接件连接，且所述阻尼器和所述弹性元件一平齐设置。
9.在一实施例中，所述连接件包括连杆以及分别设置于所述连杆两端的铰接端和横杆，所述铰接端与所述第二菱形框铰接，所述横杆的两端设置有轴帽，所述阻尼器和所述弹性元件一分别连接于所述横杆。
10.在一实施例中，所述阻尼器为液压阻尼器，包括一号连接板、活塞杆、液压缸、贮油缸、阻尼控制阀和二号连接板，所述活塞杆一端与一号连接板相连，位于所述液压缸内，所述贮油缸固套于所述液压缸外，所述阻尼控制阀位于所述液压缸端部，且与所述二号连接
板相连。
11.在一实施例中，所述弹性元件一为弹簧，所述弹簧的两端分别连接于两根所述横杆。
12.在一实施例中，所述惯容器包括外壳和分别设置于所述外壳两侧的第一连接端和第二连接端，所述第一连接端和所述第二连接端分别与所述第一菱形框相对的两端铰接，所述外壳内设置有齿条、第一小齿轮、第二小齿轮、大齿轮和飞轮，所述齿条的一端连接于所述第一连接端，所述齿条另一端与所述第一小齿轮啮合，所述大齿轮与所述第二小齿轮啮合，所述第一小齿轮与所述大齿轮同轴设置，所述第二小齿轮与所述飞轮同轴设置以驱动所述飞轮转动。
13.在一实施例中，所述丝杆组件包括丝杆、两个螺母、两个连接环以及弹性元件二，所述两个所述螺母分别位于所述丝杆上下两端且可沿所述丝杆滑动，两个所述连接环焊接于所述螺母侧面且分别与所述第一连接杆和所述第二连接杆铰接，所述弹性元件为弹簧，所述弹簧套装于所述丝杆上且与两个所述螺母抵接。
14.在一实施例中，所述惯容器连接所述第一菱形框非所述铰接点的相对的两端，所述阻尼组件连接所述第二菱形框非所述铰接点的相对的两端，所述惯容器和所述阻尼组件平齐设置，所述丝杆组件连接所述第一菱形框和所述第二菱形框。
15.根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种摇摆支架，包括：
16.底板、竖杆、上斜杆、下斜杆和固定铰支座，所述上斜杆和所述下斜杆分别相对于所述竖杆对称设置，所述固定铰支座固定于所述底板上，所述上斜杆的顶端铰接于所述竖杆，所述下斜杆的底端铰接于所述固定铰支座；还包括上述所述的菱形消能模块，所述菱形消能模块分别连接于所述上斜杆的底端和所述下斜杆的顶端。
17.在一实施例中，所述竖杆竖直设置，所述上斜杆和所述下斜杆倾斜设置且在同一个平面内，所述下斜杆的底端与所述固定铰支座通过第一连接轴和轴承铰接，所述上斜杆的顶端与所述竖杆通过第二连接轴和轴承铰接。
18.上述方案中，菱形消能模块包括交叉设置且相互铰接的两根第一连接杆，第一连接杆的端部通过第二连接杆连接分别形成第一菱形框和第二菱形框，第一连接杆与第二连接杆铰接；第一菱形框和第二菱形框的连接点为两根第一连接杆的铰接点；还包括惯容器、阻尼组件和丝杆组件，惯容器连接第一菱形框相对的两端，阻尼组件连接第二菱形框相对的两端，丝杆组件连接第一菱形框和第二菱形框。
19.本发明主要具有以下有益效果：
20.本发明中的菱形消能结构基于一种几何非线性设计，将惯容器、丝杆、阻尼器和弹性元件放于菱形框架中组合作用，提供一种有放大能量损耗功能的非线性阻尼，使其与传统线性阻尼相比具有更好的可调谐性、更高的稳定性、更强的鲁棒性，具备较强的减震耗能功能。
21.本发明提高了结构的静力承载能力，使结构在实现减震耗能的同时还能保持不错的承载力和运动稳定性。
22.本发明为装配式钢结构，具有轻量化、模块化、便于拆解、构件可调等优点。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，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示出的结构获得其他的附图。
24.图1为本发明一实施例菱形消能模块的结构示意图；
25.图2为本发明一实施例惯容器的内部结构示意图；
26.图3为本发明一实施例阻尼器的结构示意图；
27.图4为本发明一实施例连接件的结构示意图；
28.图5为本发明一实施例丝杆组件的结构示意图；
29.图6为本发明另一实施例摇摆支架的立体结构示意图；
30.图7为本发明另一实施例摇摆支架的正立面图；
31.图8为本发明另一实施例摇摆支架的背立面图。
32.附图标号说明：
33.1、底板；2、固定铰支座；3、竖杆；4、上斜杆；5、第一连接杆；6、第二连接杆；7、惯容器；701、外壳；702、齿条；703、第一小齿轮；704、大齿轮；705、第二小齿轮；706、飞轮；707、第一连接端；708、第二连接端；8、阻尼器；801、一号连接板；802、活塞杆；803、液压缸；804、贮油缸；805、阻尼控制阀；806、二号连接板；9、连接件；901、连杆；902、横杆；903、轴帽；10、弹性元件一；11、下斜杆；12、轴承；13、第一连接轴；14、第二连接轴；15、丝杆组件；1501、螺母；1502、丝杆；1503、连接环；1504、弹性元件二。
34.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
38.并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.参见图1-图8，根据本发明的一个方面，本发明提供一种菱形消能模块，包括交叉设置且相互铰接的两根第一连接杆5，第一连接杆5的端部通过第二连接杆6连接分别形成第一菱形框和第二菱形框，第一连接杆5与第二连接杆6铰接；第一菱形框和第二菱形框的
连接点为两根第一连接杆5的铰接点；
40.惯容器7、阻尼组件和丝杆组件15，惯容器7连接第一菱形框相对的两端，阻尼组件连接第二菱形框相对的两端，丝杆组件15连接第一菱形框和第二菱形框。
41.上述实施例中，菱形消能模块包括第一菱形框和第二菱形框，第一菱形框内设置有惯容器7能够吸收能量，第二菱形框内设置有阻尼组件同样能够吸收和消耗能量，第一菱形框和第二菱形框之前设置有丝杆组件15也可以吸收能量，提高结构的承载性能，第一菱形框和第二菱形框铰接使得两者可以相对运动，且第一菱形框和第二菱形框均为相互铰接的第一连接杆5和第二连接杆6铰接连接形成，具有一定柔性的活动连接结构。该实施例能够在受到地震或其他载荷冲击时可以相互转动以缓冲和传递震动，并通过惯容器7、阻尼组件和丝杆组件15吸收和消耗能量。该实施例具有抗震效果好的优点。同时，该实施例采用装配式构件，便于更换，同时具有可根据实际工程需要选择构件尺寸、调节阻尼等优点。
42.此外，如图1所示，惯容器7可以连接第一菱形框非铰接点的相对的两端，阻尼组件连接第二菱形框非铰接点的相对的两端，惯容器7和阻尼组件平齐设置，丝杆组件15连接了第一菱形框和第二菱形框。第一连接杆5的长度可以小于第二连接杆6的长度，第一菱形框和第二菱形框的第一连接杆5的数量均为两根。
43.请参照图1，在一实施例中，阻尼组件包括阻尼器8、弹性元件一10和分别连接于第二菱形框两端的两个连接件9，阻尼器8的两端分别与两个连接件9连接，弹性元件一10的两端分别与两个连接件9连接，且阻尼器8和弹性元件一10平齐设置。具体地，连接件9的一端与第二菱形框连接，另一端连接阻尼器8和弹性元件一10。弹性元件一10能够吸收和储存能量，且在震动消失后通过弹性元件一10使菱形消能模块回复到原来状态，减小菱形消能模块的残余变形。阻尼器8同样能够起到消耗能量的作用，减小地震或其他载荷冲击对菱形消能模块造成的振动和变形。通过将阻尼器8和弹性元件一10平齐设置，可以使得两者在同一方向上吸能和耗能，如图6-图8所示，图中虚线框表示菱形消能模块，当菱形消能模块安装于左右摇摆的支架上时，可以将阻尼器8和弹性元件一10均沿左右方向设置，这样可以增强吸能效果。随着主体结构摇摆振动，具有弹性伸缩性能的菱形消能结构发生形变，附加于菱形消能结构上的阻尼器8和弹性元件一10开始运作耗能，减小主体结构的震动。
44.请参照图1和图4，在一实施例中，连接件9包括连杆901以及分别设置于连杆901两端的铰接端和横杆902，铰接端与第二菱形框铰接，横杆902的两端设置有轴帽903，阻尼器8和弹性元件一10分别连接于横杆902。具体地，铰接端可以是圆环端，设置横杆902为阻尼器8和弹性元件一10提供连接点，并且横杆902具有一定的长度，两者在连接后可以具有一定的间隔，不会造成相互影响。阻尼器8和弹性元件一10的连接点均在两个轴帽903之间，确保连接后尤其是承受震动过程中不会从横杆902上滑落。
45.请参照图1和图3，在一实施例中，阻尼器8包括一号连接板801、活塞杆802、液压缸803、贮油缸804、阻尼控制阀805和二号连接板806。一号连接板801与二号连接板806分别与两根横杆902连接。通过活塞杆802的运动使得液压缸803内部液体进行流动，从而产生粘性液体阻尼。液压缸803内部的液体在活塞杆802运动时受挤压流动到贮油缸804，然后又回流至液压缸803，在活塞杆802完成一个运动周期时，阻尼器8中的液体循环流动一个周期。阻尼控制阀805可控制活塞杆802的最大运动范围，同时阻尼控制阀805用硅胶或橡胶材料可以有效地缓和活塞杆802顶部的冲击，保护活塞杆802，延长其使用寿命。在液压缸803中，液
压缸803内部半径或直径尺寸可以根据需求选取，从而确定液压缸803内的液体容量。在贮油缸804中，设计不同尺寸的线圈直径或半径可以控制液体的流动速度，从而控制粘性液体阻尼的等效阻尼系数。
46.请参照图1和图2，在一实施例中，惯容器7包括外壳701和分别设置于外壳701两侧的第一连接端707和第二连接端708，第一连接端707和第二连接端708分别与第一菱形框相对的两端铰接，外壳701内设置有齿条702、第一小齿轮703、第二小齿轮705、大齿轮704和飞轮706，齿条702的一端连接于第一连接端707，齿条702另一端与第一小齿轮703啮合，大齿轮704与第二小齿轮705啮合，第一小齿轮703与大齿轮704同轴设置，第二小齿轮705与飞轮706同轴设置以驱动飞轮706转动。飞轮706的尺寸大于第一小齿轮703的直径，这样，当惯容器7两端有相对运动时，可将直线运动转化为大尺寸的飞轮706的转动，最终产生的等效质量可达实际物理质量的几百倍。该实施例基于一种几何非线性的设计，将惯容阻尼器8添加于第一菱形框中，进一步放大惯容阻尼器8耗散能量的能力，实现菱形消能模块的有效减振。
47.请参照图1和图5，在一实施例中，丝杆组件15包括两个螺母1501、丝杆1502、两个连接环1503和弹性元件二1504，连接环1503夹于第一连接杆5和第二连接杆6且与之通过轴承12和第二连接轴14连接，连接环1501焊接于螺母1501侧面，螺母1501设置于丝杆1502两端并可沿丝杆1502上下滑动，弹性元件二1504套装在丝杆1502上且两端抵接于螺母1504。弹性元件二1504也能够吸收和储存能量，且在震动消失后通过弹性元件二1504使菱形消能模块回复到原来状态，减小菱形消能模块的残余变形。当具有弹性伸缩性能的菱形消能模块发生形变时，两端的螺母1501沿丝杆1502上的螺纹上下运动，抵接于螺母1501上的弹性元件二1504开始运作耗能，进一步提高结构的减振能力。此外，还可以根据实际情况需要对弹性元件二1504施加预应力，以此实现提高结构的承载能力和抗震性能的目的。
48.参见图6-图8，根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种摇摆支架，包括：
49.底板1、竖杆3、上斜杆4、下斜杆11和固定铰支座2，上斜杆4和下斜杆11分别相对于竖杆3对称设置，固定铰支座2固定于底板1上，上斜杆4的顶端铰接于竖杆3，下斜杆11的底端铰接于固定铰支座2；还包括上述的菱形消能模块，菱形消能模块分别连接于上斜杆4的底端和下斜杆11的顶端。该实施例主要承受上部建筑物传递的竖向荷载作用，具有良好的稳固性，杆件间通过轴承与连接件9互相连接，地震时可随上部建筑物振动在平面内转动，为其上菱形消能模块变形耗能提供基础。由于摇摆支架包括了上述菱形消能模块的所有技术方案，因此，至少具有上述技术方案带来的全部有益效果，对于菱形消能模块具备的有益效果，在此不再一一赘述。
50.对于摇摆支架，具体地，水平放置的底板1上焊接有沿板纵向中线方向间隔布置的三个固定铰支座2，固定铰支座2上固定有轴承12，另外，如图3所示，第一连接杆和第二连接杆也可以通过另一轴承12铰接。更进一步地，竖杆3两端、上下斜杆11两端、短连接杆的两端、长连接杆的两端及中部都可以固定安装有轴承12，竖杆3、下斜杆11的底端与底板1铰接，竖杆3上端和上斜杆4顶端铰接。
51.作为上述实施例的一个具体实施方式，竖杆3竖直设置，上斜杆4和下斜杆11倾斜设置且在同一个平面内，下斜杆11的底端与固定铰支座2通过第一连接轴13和轴承12铰接，上斜杆4的顶端与竖杆3通过第二连接轴14和轴承12铰接。具体地，竖杆3竖直布置于底板1
中部，其下端的轴承12与底板1中部固定铰支座2的轴承12通过第一连接轴13连接，两根下斜杆11倾斜对称布置于竖杆3两侧，其下端的轴承12与底板1两侧的固定铰支座2的轴承12通过第一连接轴13连接，竖杆3及下斜杆11可绕固定铰支座2自由转动。两根上斜杆4同样倾斜对称布置于竖杆3两侧且与自身一侧的下斜杆11处于同一平面，上斜杆4的顶端轴承12与竖杆3上端轴承12通过第二连接轴14连接，随竖杆3一起左右运动，上斜杆的底端轴承12也可以通过另一第二连接轴14与菱形消能模块连接。以上构件组成了摇摆支架的大体结构。上斜杆4与下斜杆11的中间部分为菱形消能模块。由此构成摇摆支架，具体可以为人形摇摆支架。
52.当结构受到地震作用时，人形摇摆支架左右摆动，菱形结构被压缩或者拉伸变形，惯容器7两端产生相对运动形成等效放大质量，提供一种有放大能量损耗功能的非线性阻尼，提高了系统的抗震鲁棒性；阻尼器8和弹性元件一10与惯容器7结合使结构具有调谐减震作用的同时，可有效利用菱形结构的几何非线性放大阻尼器8耗散能量的能力，使得在大幅度振动下系统可以耗散更多的振动能量从而减小振动幅值，特别是可以有效抑制共振峰幅值，对于提高结构振动鲁棒性十分有效；丝杆组件15上的弹性元件二1504也可吸收和储存能量，进一步减小菱形消能模块的残余变形，还能通过施加预应力提高结构的承载能力和抗震性能。并且本发明为装配式结构，所有构件尺寸及相关性能参数可根据实际工程需要选择，具有轻量化、模块化、便于拆解的优点。
53.以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。