一种多维调谐质量阻尼器的制作方法

本发明涉及一种多维调谐质量阻尼器，可实现强风、车辆、地震等动力荷载作用下工程结构的多维减振控制。

背景技术：

近年来，地震、强风等自然灾害在世界范围内日益频繁，其所造成的损失也极其巨大。例如，2011年3月11日日本东京发生9级地震，同时引发了强烈海啸与多次余震，造成日本全国15894人遇难，经济财产损失极其巨大；2016年，强台风尼伯特袭击我国福建省，近地风速最大可达60m/s，造成福建省45.2万人受灾，900余间房屋倒塌，1.1万间不同程度损坏，直接经济损失达9亿元。因此，建筑、桥梁等工程结构的抗风与抗震安全性成为了学术界与工程界密切关注的问题。对于大多数经过严密设计的工程结构而言，其在地震与强风荷载作用下通常不会发生直接破坏，但结构的大幅振动通常影响结构的舒适度、疲劳寿命等指标，因此结构振动控制已成为了当今土木工程领域的热点研究方向。同时，车辆荷载作用下的桥梁振动控制也是其中的研究热点。

在现代结构振动控制方式中，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)是国内外研究较早且较为有效的一种无能源被动控制措施，其原理在于：当主结构受激振动时，子结构(TMD的质量块)将产生一个与主结构振动方向相反的惯性力，使得主结构动力响应衰减而达到减振控制的目标。由于TMD构造简单、经济、减振效果明显，目前已被广泛应用于工程结构的振动控制中，如台北101大厦、上海中心大厦等高层建筑结构的风振控制。

在工程应用中，TMD只能用于控制单个方向某一阶频率的振动。因而当需要对结构多个方向的振动同时进行控制时，便需设置多个相互独立的TMD装置以控制结构不同方向的振动。然而，TMD在结构减振控制中的一个特点便是质量块的质量越大，其减振效果越好。因此，采用多个相互独立的TMD装置进行结构多维振动控制时，无疑给结构增加了较大的恒载，甚至会严重影响主体结构的静动力特性。为此，在不增加或少量增加TMD质量块质量的基础上，研发多维调谐质量阻尼器，对于强风、车辆、地震等动力荷载作用下工程结构的减振控制具有重要意义及价值。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多维调谐质量阻尼器，可对强风、车辆、地震等动力荷载作用下工程结构的多维振动响应进行有效控制。

技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多维调谐质量阻尼器，包括外部套筒、内部套筒、中心质量块单元、竖向弹簧单元、竖向阻尼器单元、水平向弹簧单元、水平向阻尼器单元；所述中心质量块单元通过水平向弹簧单元、水平向阻尼器单元及滚轮与内部套筒连接，所述内部套筒通过竖向弹簧单元、竖向阻尼器单元及滚轮与外部套筒连接，所述外部套筒与工程结构固定连接。

进一步的，所述中心质量块单元中心设置有球形空洞，通过在球形空洞中填充不同密度的材料改变中心质量块单元的质量，以适应水平、竖向TMD对质量块质量的设计要求。

进一步的，所述中心质量块单元置于内部套筒内，并与水平向弹簧单元、水平向阻尼器单元形成水平向TMD减振系统。

进一步的，所述中心质量块单元水平方向一侧通过至少一个水平向弹簧单元与内部套筒的内壁一侧连接，所述中心质量块单元水平方向另一侧通过至少一个水平向阻尼器单元与内部套筒的内壁另一侧连接，所述水平向弹簧单元与水平向阻尼器单元成对对称布置，且所述中心质量块单元的上、下表面通过滚轮分别与内部套筒的内壁上、下壁面贴合设置；所述中心质量块单元位于内部套筒正中心。

进一步的，所述内部套筒置于外部套筒内，并与竖向弹簧单元、竖向阻尼器单元形成竖向TMD减振系统。

进一步的，所述竖向弹簧单元和竖向阻尼器单元竖向构成一竖向模块，所述竖向模块分别对称设置在所述内部套筒的上、下表面，并分别与外部套筒的上、下内壁面连接，所述内部套筒的左、右外壁面上通过滚轮分别贴近外部套筒的内壁左、右壁面，滚轮与壁面间留有一定空隙以适应制造误差；所述内部套筒位于外部套筒的正中心。

进一步的，所述水平向阻尼器单元分别与中心质量块单元和内部套筒之间的连接机构可采用插销铰支座、形状记忆合金或球形铰支座。

进一步的，所述竖向阻尼器单元分别与内部套筒和外部套筒之间的连接机构可采用插销铰支座、形状记忆合金或球形铰支座。

进一步的，所述外部套筒和内部套筒均呈圆柱形，所述中心质量块单元呈长方体结构。

有益效果：本发明基于不完全共用质量的理念，将水平TMD系统的质量成功纳入竖向TMD系统，可实现工程结构多向振动的独立控制。相比于多个独立的TMD装置，本发明在保证多向振动减振效率的前提下，大大降低了TMD的总质量，一方面节约了材料成本，另一方面使TMD对结构静动力特性的影响大幅度减小。同时，该装置还具有安装简单、使用方便等优点，在新建结构减振控制与既有建筑加固改造中均具有广阔的应用前景与价值。

附图说明

图1是本发明实施例的结构剖面图；

图2是图1中I-I截面剖面图；

图3是图1中II-II截面剖面图；

图4是图1中阻尼器单元的连接示意图；

图5是图4中形状记忆合金的连接示意图。

具体实施方式

一种多维调谐质量阻尼器，包括外部套筒1、内部套筒2、中心质量块单元3、竖向弹簧单元4、竖向阻尼器单元5、水平向弹簧单元6、水平向阻尼器单元7；所述中心质量块单元3通过水平向弹簧单元6、水平向阻尼器单元7及滚轮8与内部套筒2连接，所述内部套筒2通过竖向弹簧单元4、竖向阻尼器单元5及滚轮8与外部套筒1连接，所述外部套筒1与工程结构10固定连接。

所述中心质量块单元3置于内部套筒2内，并与水平向弹簧单元6、水平向阻尼器单元7形成水平向TMD减振系统。所述中心质量块单元3水平方向一侧通过至少一个水平向弹簧单元6与内部套筒2的内壁一侧连接，所述中心质量块单元3水平方向另一侧通过至少一个水平向阻尼器单元7与内部套筒2的内壁另一侧连接，所述水平向弹簧单元6与水平向阻尼器单元7成对对称布置，且所述中心质量块单元3的上、下表面通过滚轮8分别与内部套筒2的内壁上、下壁面贴合设置；所述中心质量块单元3位于内部套筒2正中心。

所述内部套筒2置于外部套筒1内，并与竖向弹簧单元4、竖向阻尼器单元5形成竖向TMD减震系统。所述竖向弹簧单元4和竖向阻尼器单元5竖向构成一竖向模块，所述竖向模块分别对称设置在所述内部套筒2的上、下表面，并分别与外部套筒1的上、下内壁面连接，所述内部套筒2的左、右外壁面上通过滚轮8分别贴近外部套筒1的内壁左、右壁面，滚轮与壁面间留有一定空隙以适应制造误差；所述内部套筒2位于外部套筒1的正中心。

由上述可知，内部套筒2对中心质量块单元3具有竖向限位作用，中心质量块单元3仅能沿水平向运动，因而可较好实现结构水平向的振动控制；同理，外部套筒1对内部套筒2具有水平限位作用，内部套筒2仅能沿竖向运动，因而可较好实现结构竖向的振动控制。

同时，中心质量块单元3中心设置有球形空洞，该球形空洞可填充不同密度固体或液体以调节水平向与竖向TMD系统的质量，同时辅助调节水平向与竖向弹簧的刚度以使TMD达到设计频率参数。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本实施例的多维调谐质量阻尼器安装在工程结构上，可在总质量较小的情况下，对强风、车辆、地震等动力荷载作用下工程结构的多向振动进行有效控制。

如图1至图3所示，本发明的多维调谐质量阻尼器安装在工程结构10上，并采用高强螺栓9使二者形成可靠连接。多维调谐质量阻尼器主要包括外部套筒1、内部套筒2、中心质量块单元3、竖向弹簧单元4、竖向阻尼器单元5、水平向弹簧单元6、水平向阻尼器单元7以及滚轮8。其中，外部套筒1、内部套筒2均呈圆柱形，中心质量块单元3呈长方体结构，以下具体说明本发明的组装关系。

如图1所示，外部套筒1与工程结构10采用高强螺栓9相连，内部套筒2与外部套筒1的顶板、底板采用竖向弹簧单元4和竖向阻尼器单元5相连，使其能在外部套筒内上下运动，在内部套筒2侧壁装有滚轮8以减小摩擦，且内部套筒2与外部套筒1内壁之间留有一定空隙以便于装置的组装。

如图2所示，中心质量块单元3与内部套筒2的内壁采用水平向弹簧单元6与水平向阻尼器单元7相连，且在中心质量块单元3的上下部装有滚轮8以减小摩擦力，使之能在内部套筒2内做水平向运动。

如图3所示，竖向弹簧单元4和竖向阻尼器单元5在外部套筒1和内部套筒2之间均匀分布，保证内部套筒2在外部套筒1内上下运动。

这样，中心质量块单元3、水平向弹簧单元6、水平向阻尼器单元7三者便形成了水平向TMD系统，内部套筒2、竖向弹簧单元4、竖向阻尼器单元5便形成了竖向TMD系统。两个TMD系统可分别用于控制结构的水平振动与竖向振动，且水平向TMD系统的质量完全纳入了竖向TMD系统的质量块部分。

上述TMD减振装置的相关参数由待控结构模态对应的频率确定，根据位移限值选择合适参数的弹簧单元并确定其数量，通过数值分析确定该多维TMD装置各方向应具备的阻尼参数，通过此类参数选用合适的阻尼器单元。阻尼器单元可采用摩擦型阻尼器、橡胶阻尼器、粘滞阻尼器等阻尼器装置；阻尼器单元与弹簧单元的类型根据实际设计参数进行选择。

为保证水平向阻尼器单元7在平面内可以协调中心质量块单元而发生转动，阻尼器与梁端的连接可采用图4所示的插销铰支座11、形状记忆合金12或球形铰支座13。由于内部套筒2和外部套筒1内壁之间存在一定间隙，因此内部套筒2在外部套筒1内运动时可能产生微小的水平位移或扭转。为使竖向阻尼器单元可协调内部套筒的水平运动，连接处可采用插销铰支座11、形状记忆合金12或球形铰支座13。对于图4中形状记忆合金的具体构造方式，见图5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。