[發明專利]一種具有負剛度非線性能量阱的低頻豎向調諧質量阻尼器

有效

• 申請號: 202010086393.8
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111139730B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 王浩;郜輝;邢晨曦;汪志昊;趙愷雍;梁瑞軍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: E01D19/00
• 分類號: E01D19/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 周蔚然

本發明公開了一種具有負剛度非線性能量阱的低頻豎向調諧質量阻尼器，屬于結構振動控制技術領域，所述的調諧質量阻尼器包括底板、推力軸承、螺旋彈簧、滾珠絲桿、滾珠螺母、質量塊、運動永磁體組、不動鋼板、固定永磁體組、滑動軸承和銅質飛輪組成；本發明利用運動永磁體組和固定永磁體組之間吸引力的非線性使裝置具有負剛度非線性能量阱特征；采用滾珠絲杠式慣容機構放大了調諧質量阻尼器的等效振動質量，在提升調諧質量阻尼器減振效果的同時，解決超低頻豎向調諧質量阻尼器彈簧凈伸長過大的問題；該裝置融合了非線性能量阱和調諧質量阻尼器的優勢，拓寬了調諧質量阻尼器的控制頻帶；同時采用電渦流阻尼技術，提升了裝置的耐久性。

技術領域

本發明屬于結構振動控制技術領域，具體涉及一種具有負剛度非線性能量阱的低頻豎向調諧質量阻尼器。

背景技術

近幾十年來，我國橋梁建設經歷了跨越式發展，興建了一系列跨江、跨海的千米級橋梁。隨著橋梁跨度的不斷增大，大跨度橋梁在強/臺風、地震、車輛等荷載作用下極易發生大幅振動。橋梁的振動不僅會引起橋梁結構的疲勞損傷，增加橋梁的維護成本，而且會降低橋上行車的安全性和舒適型，使司乘人員和公眾媒體對橋梁的安全性產生懷疑。因此，有效的橋梁減振技術對橋梁的安全運營至關重要。

調諧質量阻尼器（TMD）作為一種應用最為廣泛的被動式減振裝置，已成功應用于大跨度橋梁的減振控制，如英國千禧橋、日本東京灣跨海大橋、我國的崇啟長江大橋等。然而TMD長期工作過程中，由于TMD或橋梁結構的剛度退化、橋梁結構的多階模態振動控制需求、以及車-橋耦合作用使橋梁頻率具有時變特點，易導致TMD產生頻率失諧問題；由于TMD對控制結構的振動頻率十分敏感，當TMD的振動頻率與主結構的振動頻率失諧時，將導致TMD減振效果的顯著下降；

為避免TMD頻率失諧導致其減振效果的下降，專利“一種調諧質量阻尼器頻率調節裝置及其實現方法”基于慣容機構的質量放大效應實現了豎向TMD的頻率調節；論文“Performance of tuned mass dampers under wind loads”提出設置被動式擺長調節機構實現擺式TMD的頻率調節；論文“擺式調諧質量阻尼器頻率調節新方法”利用磁場作用力同性相斥、異性相吸的特點實現了擺式TMD的頻率調節；論文“調諧質量減振器在杭州灣大橋觀光塔風振控制中的應用”通過附加調頻彈簧實現了TMD的頻率調節，然而上述頻率調節方法僅能實現TMD向特定振動頻率的調節，對車-橋耦合作用引起的時變結構的不能起到很好的減振效果；此外，為保證TMD的減振效果，還需定期進行TMD的現場調試。

非線性能量阱（NES）作為一種新型的減振裝置，由非線性剛度和阻尼組成，當結構受到外激勵時，NES能夠在較寬的頻率范圍俘獲共振能量并實現能量靶向傳遞。為拓寬TMD的控制頻率提供了新的思路，專利“一種并入非線性能量阱的調諧質量阻尼器減振系統”拓寬了水平向TMD的控制頻帶，然而目前尚未發現關于減振性能更好的負剛度非線性能量阱融入TMD相關報道。

此外，豎向TMD在控制大跨度橋梁豎向振動時，TMD將存在彈簧元件靜伸長過大的問題，以日本東京灣橋為例，TMD的工作頻率為0.33Hz，TMD彈簧元件的靜伸長量將達到2.27m。彈簧的設計與安裝面臨巨大困難。為解決這一問題，該橋TMD采用主副框架結構構成的杠桿機構有效降低了彈簧的靜壓縮量（僅0.45m），但框架式機械裝置也造成了TMD運動質量塊與整體質量比重下降等問題。

發明內容

為解決上述問題，本發明公開了一種具有負剛度非線性能量阱的低頻豎向調諧質量阻尼器，利用永磁體之間作用力的非線性及異性相吸的特點，通過構造設計使裝置具有負剛度非線性能量阱特點，拓寬了TMD的振動頻率；采用滾珠絲杠式慣容機構，提升了TMD的等效運動質量的同時降低TMD質量元件的物理質量，實現TMD減振效果提升和TMD的彈簧元件的靜伸長量減小；融合旋轉式電渦流阻尼器技術提升TMD的耐久性。

為了實現上述目的，本發明采用以下的技術方案：