结合碰撞阻尼的杆式调谐颗粒质量阻尼装置

技术领域

本发明涉及阻尼减振技术领域，尤其涉及一种结合碰撞阻尼的杆式调谐颗粒质量阻尼装置。

背景技术

对于通信塔结构，为了适应越来越多的设备种类和数量，风荷载的常规解决方式一方面是增加塔桅结构数量或加大单个塔主体结构外观及钢材用量，另一方面是设置各种结构减振措施。

结构减振控制措施按控制方式不同，可分为主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。主动控制需要通过传感器监测参数计算出最优控制力，由作动器直接输出至被控结构，但其技术复杂，造价昂贵，维护要求高。半主动控制去除了需要外部大功率供电的作动器，根据传感器参数反馈，仅需微小电流的控制器对阻尼或刚度参数小范围调整，使阻尼器参数处于最优状态，但其仍然需要复杂的控制算法计算。混合控制是近年来发展的将主动与被动控制相结合的新型控制技术，可发挥被动控制与主动控制各自优点，但二者的协同与辅助控制组合方式尚不成熟。被动控制是当前发展较为成熟的结构减振技术，其主要通过合理的阻尼器参数设计与安装位置分布，达到控制工程结构有害振动响应的目的。

被动控制中，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)是一种常用的减振装置，是在高耸塔顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构(高耸塔)相连。调谐质量阻尼器的振动频率接近主结构的频率，控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，应用阻尼结构不断消耗主结构和子结构的能量来降低主结构的动力响应。TMD从部件组成上通常分为刚度系统、质量系统和阻尼系统三大部分，这几部分通过不同组合方式可组成不同类型的阻尼装置：刚度系统种类较多，质量系统可分为固体和液体两大类，阻尼系统可分为杆式阻尼器、阻尼箱、电涡流阻尼器三大类。然而，现有TMD的减振频带窄，耗能能力有限，且往往需要占用较大空间以匹配质量系统的运动。

颗粒阻尼器技术是近年来应用于土木工程振动控制领域的新型阻尼器，其作为一种调谐质量、耗能减振控制技术，具有对原系统改动小、附加质量小、减振频带宽、多维控制能力好等优点。然而，颗粒阻尼器中，阻尼颗粒起振后发生的颗粒与颗粒间、颗粒与腔体间的碰撞多为弹性碰撞，碰撞耗散结构能量的能力有限。

因此，亟需提供一种能够克服TMD减振频带过窄和颗粒阻尼器效果不稳定的、耗能能力强、空间利用率高的新型调谐颗粒阻尼器。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种结合碰撞阻尼的杆式调谐颗粒质量阻尼装置。本发明利用颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器的优点，并通过杆式阻尼器和碰撞阻尼支架作为阻尼系统，杆式阻尼布置灵活，混合耗能机制加强了减振耗能效果，增大了减振频带，结构更为紧凑，空间利用率高。

为实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种结合碰撞阻尼的杆式调谐颗粒质量阻尼装置，包括外壳，以及设置在外壳中的质量块组件、弹簧和杆式阻尼器；

所述质量块组件至少包括颗粒质量块，所述颗粒质量块包括由壳体形成的空腔，空腔内填充有颗粒群，通过颗粒群自身之间以及颗粒群与壳体之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量；质量块组件通过滑轮作为下部支撑安装在外壳中，使得质量块组件能够在平面内任意方向进行振动；所述弹簧水平设置在质量块组件与外壳之间用于提供水平刚度；所述杆式阻尼器的一端连接在外壳上，另一端连接在质量块组件上，在质量块组件振动时杆式阻尼器产生阻尼力；

以及安装于质量块组件的振动行程上能够对质量块组件的振动进行水平限位的碰撞阻尼支架，所述碰撞阻尼支架包括支架和粘弹性材料层，所述粘弹性材料层安装在支架内侧并在外壳中竖向设置以接收质量块组件的碰撞。

进一步，所述质量块组件还包括固定质量块，将前述颗粒质量块固定安装在固定质量块的上部和/或下部，所述颗粒质量块的重量与质量块组件的总重量的重量比为5％-90％。

进一步，所述杆式阻尼器为多个，杆式阻尼器为单出杆式粘滞阻尼器、双出杆式粘滞阻尼器、摩擦阻尼器或粘弹阻尼器，粘滞体为流体或半流体。

进一步，杆式阻尼器包括筒体，一对盖体，在筒体和盖体所包围的封闭空间中填充有粘滞体，一端盖体或两端盖体上设置有活塞杆，振动时，活塞杆运动使粘滞体通过节流孔或使粘滞体在封闭空间中进行相对运动，耗散振动能量。

进一步，所述颗粒质量块的重量与质量块组件的总重量的重量比为20％-30％，所述碰撞阻尼支架安装位置位于质量块组件的振动行程的1/4-1/2位置处。

进一步，所述碰撞阻尼支架距离质量块组件的水平距离为20-100mm，所述粘弹性材料层的厚度为3-10mm。

进一步，所述颗粒质量块的壳体形成的空腔内设置有隔板以将空腔分隔成多个子腔，子腔中填充有颗粒群，通过颗粒群与隔板之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。

进一步，所述颗粒群由多个1-60mm的不等直径的球体组成；所述球体为钢制球体、铅制球体、铝制球体、陶瓷球体、玻璃球体、塑料球体和合金球体中的一种或多种混合构成。

进一步，所述弹簧在同一水平面上布置有多个，多个弹簧采用对称或非对称方式安装在质量块周围。

进一步，所述固定质量块为钢材、铅块、混凝土、灌浆料和液体中的一种或多种混合构成。

本发明由于采用以上技术方案，与现有技术相比，作为举例，具有以下的优点和积极效果：

1)混合利用颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器的优点，颗粒质量块部分内部的颗粒群与外壳内部、隔板之间以及颗粒群之间进行摩擦、碰撞，大量消耗振动能量，可有效减小外界激励引起的结构响应。同时，将碰撞阻尼支架作为阻尼系统的一部分形成碰撞阻尼，防碰撞支架上的粘弹性材料通过与质量块组件整体的碰撞消耗能量，减小结构响应。混合耗能机制加强了减振耗能效果，增大了减振频带。

2)碰撞阻尼支架的设置，使得整个阻尼装置的结构更为紧凑，显著提高了空间利用率高。

3)可通过调节质量块大小或更换弹簧来调节整个阻尼装置的刚度和频率。

4)杆式阻尼器产品成熟，密闭性好，易于安装。

附图说明

图1为本发明实施例提供的杆式调谐颗粒质量阻尼装置的结构示意图一。

图2为本发明实施例提供的杆式调谐颗粒质量阻尼装置的结构示意图二。

图3为本发明实施例提供的阻尼装置在建筑上的安装示意图。

图4为本发明实施例提供的质量块组件的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的碰撞阻尼支架的安装位置示意图。

图6为本发明实施例提供的碰撞阻尼支架的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的碰撞阻尼支架和弹簧的平面布置图。

图8为本发明实施例提供的弹簧的安装位置示意图一。

图9为本发明实施例提供的弹簧的安装位置示意图二。

图10为本发明实施例提供的单出杆式阻尼器的结构示意图。

图11为本发明实施例提供的双出杆式阻尼器的结构示意图。

附图标记说明：

阻尼装置100；

外壳110；

质量块组件120，颗粒质量块121，壳体121a，空腔121b，颗粒群121c，隔板121d，固定质量块122；

滑轮130；

弹簧140；

杆式阻尼器150，筒体151，活塞杆152，节流孔153，盖体154，粘滞体155，封闭空间158；

碰撞阻尼支架160，支架161，粘弹性材料层162，通孔163；

安装架170；

通信塔200；

安装平台210。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明公开的结合碰撞阻尼的杆式调谐颗粒质量阻尼装置作进一步详细说明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

需说明的是，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所述的或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

实施例

参见图1所示，提供了一种结合碰撞阻尼的杆式调谐颗粒质量阻尼装置。

所述杆式调谐颗粒质量阻尼装置100包括外壳110，以及设置在外壳110中的质量块组件120、弹簧140和杆式阻尼器150。

所述质量块组件120至少包括颗粒质量块，所述颗粒质量块包括由壳体形成的空腔，空腔内填充有颗粒群，通过颗粒群自身之间以及颗粒群与壳体之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。

质量块组件120通过滑轮130作为下部支撑安装在外壳110中，使得质量块组件120能够在平面内任意方向进行振动。

所述弹簧130水平设置在质量块组件120与外壳110之间用于提供水平刚度。

所述杆式阻尼器150的一端连接在外壳110上，另一端连接在质量块组件120上，在质量块组件120振动时杆式阻尼器150产生阻尼力。所述杆式阻尼器150可以水平设置或倾斜设置在外壳与质量块组件之间，在倾斜设置时，与水平面的倾斜角度优选的位于30-60度。

质量块组件120和外壳110之间还设置有碰撞阻尼支架160。

所述碰撞阻尼支架160安装于质量块组件120的振动行程上的、能够对质量块组件120的振动进行水平限位。本实施例中，所述的碰撞阻尼支架160可以直接安装在外壳110上，比如图1中的将碰撞阻尼支架160的底部固定安装在外壳110的底板上；也可以通过单独的安装架170进行安装，比如图2中的通过横向安装架170将碰撞阻尼支架160固定安装在外壳110的侧壁上。

碰撞阻尼支架160可以包括支架和粘弹性材料层，所述粘弹性材料层安装在支架内侧并在外壳中竖向设置以接收质量块组件的碰撞。所述碰撞阻尼支架作为阻尼系统的一部分，能够为系统提供耗能。

在使用时，将阻尼装置100安装于建筑结构上，外壳110作为整个阻尼装置100的外围骨架及防护结构。质量块组件120振动时，颗粒质量块121内部的颗粒群与壳体内部、隔板之间以及颗粒群自身之间进行摩擦、碰撞，可以大量消耗振动能量；同时，防碰撞支架160上的粘弹性材料层通过与质量块组件进行碰撞消耗能量，减小结构响应，防碰撞支架160可显著阻尼装置自身的振动时间及振动行程，耗散运动能量。

参见图3所示，以通信塔200为例，比如通过在通信塔200上增加一个或多个上述阻尼装置，在通信塔200主结构受到外界动态力作用(如风荷载)时，阻尼装置提供一个频率相近或相等、与结构运动方向相反的力，来部分或全部抵消外界激励引起的结构响应。优选的，所述多个阻尼装置通过安装平台210以中心对称形式安装在通信塔200上。

本实施例中，所述质量块组件120还可以包括固定质量块122，将前述颗粒质量块121固定安装在固定质量块122的上部和/或下部。可通过调节颗粒质量块121和固定质量块122的重量和重量比来调节阻尼装置的刚度和频率。

参见图4所示，所述颗粒质量块121包括由壳体121a形成的空腔121b，空腔121b内填充有颗粒群121c，通过颗粒群121c自身之间以及颗粒群121c与壳体121a之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。

优选的，本实施例中，所述空腔内设置有一个或多个隔板121d，隔板121d可以将空腔121b分隔成多个子腔，每个子腔中均可以填充有颗粒群121c，通过颗粒群121c自身之间以及颗粒群121c与壳体121a和隔板121d之间的摩擦和/或碰撞消耗振动能量。所述颗粒群的体积可占各子腔的腔室体积的20％-80％，优选为20％-40％。

所述空腔可以是长方体，也可以是其它形状比如圆柱体、棱柱体、曲面体等，空腔的形状不应作为对本发明的限制。

所述颗粒群优选的由多个1-60mm的不等直径的球体组成。一方面，球体相互间发生的碰撞、摩擦、动量交换及相互碰撞时微小颗粒塑形变形可以消耗振动系统能量，实现减振的效果；另一方面，球体与容器壁——包括壳体和隔板——之间相互作用的碰撞、摩擦也可以消耗振动系统能量。

所述球体可以为钢制球体、铅制球体、铝制球体、陶瓷球体、玻璃球体、塑料球体和合金球体中的一种或多种混合构成。优选的，本实施例中，所述球体采用为钢球。当然，本领域技术人员应知晓，球体作为优选减振颗粒，其它形状的减振颗粒也可用于上述颗粒阻尼器中，其不应作为对发明的限制。

所述颗粒质量块121的重量与质量块组件的总重量的重量比为范围为5％-90％。所述碰撞阻尼支架160可以设置在质量块组件的振动行程(或称滑动行程)上的任意位置。

优选的，所述颗粒质量块121的重量与质量块组件的总重量的重量比为20％-30％，所述碰撞阻尼支架160安装位置位于质量块组件120的振动行程的1/4-1/2位置处，在上述重量比和安装位置范围内，阻尼装置100的减振频带宽度和耗能效果更为优越，同时保证了空间利用率。

结合图5进行描述：假如令质量块组件120的振动行程为L，所述碰撞阻尼支架160安装位置为质量块组件120的振动行程的1/4-1/2位置处，即D＝1/4L-1/2L。

进一步，所述碰撞阻尼支架160距离质量块组件120的水平距离d的取值范围为20-100mm。

参见图6所示，本实施例中，考虑到碰撞产生的耗能效果以及制作成本，优选的，所述粘弹性材料层162的厚度t取值范围为3-10mm。所述粘弹性材料层162通过支架161进行安装，所述支架161优选的采用刚性材料制作，能够在接收碰撞时提供刚性支撑。

参见图7所示，本实施例中，作为刚度系统的弹簧140可以在同一水平面上布置有多个，多个弹簧140可以采用对称或非对称方式安装在质量块组件120周围，优选的，采用对称方式安装。多个弹簧140与碰撞阻尼支架160均位于外壳110与质量块组件120之间，图7中，对应于外壳和质量块的形状，所述碰撞阻尼支架160可以设置为环形。

需要说明的是，虽然图1至图2中示例的弹簧的安装高度均位于碰撞阻尼支架的上方，当本领域技术人员应知晓，弹簧的安装高度也可以位于碰撞阻尼支架的下方，参见图8所示；或者在一个优选的实施方式中，还可以将弹簧穿过碰撞阻尼支架160上的通孔163后进行安装，参见图9所示。

本实施例中，所述杆式阻尼器150可以水平或倾斜安装在质量块组件120与外壳110之间。

所述杆式阻尼器可以为单出杆式粘滞阻尼器、双出杆式粘滞阻尼器、摩擦阻尼器或粘弹性阻尼器，粘滞体为流体或半流体。

杆式粘滞阻尼器一般由活塞、油缸及阻尼孔组成，是利用活塞前后压力差使油流过阻尼孔产生阻尼力的一种阻尼装置。作为举例，以单出杆式粘滞阻尼器为例，阻尼器可以包括活塞缸筒，在缸筒内设有活塞，所述活塞将缸筒内室分为第一活塞腔和第二活塞腔，两个活塞腔内分别填充有粘滞体作为阻尼介质，活塞上连接有活塞杆，活塞杆的另一端与耳环相连接。考虑到密封性能，所述缸筒内还设有密封装置，比如所述缸筒、密封装置、活塞杆之间可以通过密封圈进行密封。其工作原理如下：当受到外力时，外力会推动活塞杆和活塞在缸筒内运动，活塞推压第一活塞腔(或第二活塞腔)的阻尼介质，使粘滞体通过阻尼孔，来产生摩擦阻尼，进而耗散受到的振动能量。

所述粘滞体优选的采用可压缩硅油。

参见图10所示，具体的，所述杆式阻尼器150包括筒体151和一对盖体154，在筒体151和盖体154所包围的封闭空间158中填充有粘滞体155。可以在一端盖体154或两端盖体154上设置活塞杆152，图10示例了在左端盖体154上设置活塞杆152，其构成单出杆式粘滞阻尼器。当然，根据需要，也可以在左右两端的盖体154上同时设置活塞杆以构成双出杆式粘滞阻尼器，参见图11所示。

活塞杆152上的活塞将前述封闭空间158分割成2个活塞腔，两个活塞腔内均填充有粘滞体155。振动时，活塞杆152运动使粘滞体155通过节流孔或使粘滞体155在封闭空间中进行相对运动，以此实现振动能量的耗散。

所述固定质量块122可以为钢材、铅块、混凝土、灌浆料和液体中的一种或多种混合构成。

在上面的描述中，本发明的公开内容并不旨在将其自身限于这些方面。而是，在本公开内容的目标保护范围内，各组件可以以任意数目选择性地且操作性地进行合并。另外，像“包括”、“囊括”以及“具有”的术语应当默认被解释为包括性的或开放性的，而不是排他性的或封闭性，除非其被明确限定为相反的含义。所有技术、科技或其他方面的术语都符合本领域技术人员所理解的含义，除非其被限定为相反的含义。在词典里找到的公共术语应当在相关技术文档的背景下不被太理想化或太不实际地解释，除非本公开内容明确将其限定成那样。本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。