本發(fā)明屬于土木工程、振動(dòng)控制，具體涉及一種基于智能材料的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。

背景技術(shù)：

1、隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)變得更高和更細(xì)長(zhǎng)。然而，高層建筑由于體型輕柔，自振頻率與阻尼比均較低，因此對(duì)自然災(zāi)害作用下的動(dòng)力響應(yīng)非常敏感。地震是極具破壞性和危險(xiǎn)性的自然災(zāi)害之一。如何保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性一直是世界土木工程界學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。隨著人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性更高的要求，進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)的智能防災(zāi)減災(zāi)研究是具有挑戰(zhàn)性和重要價(jià)值的。

2、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(tuned?mass?damper，簡(jiǎn)稱tmd)是一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是由質(zhì)量單元、剛度單元和阻尼單元組成的單自由度吸振器，可通過(guò)調(diào)節(jié)其自振頻率與結(jié)構(gòu)需要控制的某階頻率相同，當(dāng)外界激勵(lì)作用在結(jié)構(gòu)上使其發(fā)生水平振動(dòng)時(shí)，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器通過(guò)給結(jié)構(gòu)作用反向的慣性力，以控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，并通過(guò)阻尼單元消耗振動(dòng)能量。然而，傳統(tǒng)的被動(dòng)式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器有對(duì)頻率調(diào)諧敏感的缺點(diǎn)，當(dāng)其頻率偏離結(jié)構(gòu)頻率時(shí)，其控制效果就會(huì)明顯減小。為了提高調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的多災(zāi)害控制效果，使其具有一定的自適應(yīng)性，研究一種能自發(fā)改變參數(shù)以提高消能減震作用的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是很有意義的。

3、實(shí)際的自然災(zāi)害是雙向輸入的，而常規(guī)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器只能控制單向的結(jié)構(gòu)震動(dòng)。為了控制結(jié)構(gòu)的雙向地震響應(yīng)，一種方法是在平面內(nèi)雙向各布置一個(gè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，但這會(huì)增加機(jī)械裝置用量、增加經(jīng)濟(jì)投入和增大建筑占用空間，也會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)更大的豎向荷載負(fù)擔(dān)。綜上，為了保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)在雙向?yàn)?zāi)害作用下的安全性，且兼具節(jié)約阻尼器機(jī)電裝置和節(jié)約電能等優(yōu)點(diǎn)，提出一種雙向消能減震的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是很有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種基于智能材料的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，提高了雙向的消能減震性能。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于智能材料的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，包括：質(zhì)量塊、高強(qiáng)鋼珠滾輪、滑動(dòng)框架、下連接板和鋼柱支架，所述下連接板通過(guò)焊接或者螺栓連接于建筑結(jié)構(gòu)的樓層上，所述滑動(dòng)框架放置于所述下連接板上，所述滑動(dòng)框架的上表面放置有壓電陶瓷滑面，所述質(zhì)量塊的底面通過(guò)軸承與所述高強(qiáng)鋼珠滾輪連接，所述高強(qiáng)鋼珠滾輪放置于所述滑動(dòng)框架的上表面且可自由雙向滾動(dòng)，磁流變彈性體彈簧設(shè)置在所述質(zhì)量塊和所述滑動(dòng)框架之間且所述磁流變彈性體彈簧的兩端分別與所述質(zhì)量塊和所述滑動(dòng)框架卡接，所述鋼柱支架通過(guò)焊接或者螺栓連接至所述下連接板的邊緣處，形狀記憶合金彈簧穿過(guò)電流變阻尼器并且所述形狀記憶合金彈簧的兩端分別與所述鋼柱支架(7)和所述滑動(dòng)框架(4)通過(guò)預(yù)留扣件卡接，三向振動(dòng)傳感器i吸附于所述鋼柱支架的側(cè)面用于測(cè)量所述鋼柱支架的x、y、z三向振動(dòng)響應(yīng)，三向振動(dòng)傳感器ii吸附于所述質(zhì)量塊的側(cè)面用于測(cè)量所述質(zhì)量塊的x、y、z三向振動(dòng)響應(yīng)，所述三向振動(dòng)傳感器i和三向振動(dòng)傳感器ii分別通過(guò)有線或者無(wú)線傳輸連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

4、所述智能材料是指所述壓電陶瓷滑面、磁流變彈性體彈簧、電流變阻尼器和形狀記憶合金彈簧。

5、所述質(zhì)量塊、高強(qiáng)鋼珠滾輪、滑動(dòng)框架和下連接板形成所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的被動(dòng)控制部分。

6、所述三向振動(dòng)傳感器i、三向振動(dòng)傳感器ii和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)形成所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的智能控制部分，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)分析并處理所述三向振動(dòng)傳感器i和三向振動(dòng)傳感器ii的傳感信號(hào)得到所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的雙向最優(yōu)頻率與阻尼比，之后啟動(dòng)智能材料的半主動(dòng)控制。

7、所述壓電陶瓷滑面和磁流變彈性體彈簧形成所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的一階段減振部分，所述壓電陶瓷滑面在所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下改變自身材料特性以提高阻尼器的減振性能，所述磁流變彈性體彈簧在所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下改變通電量及磁場(chǎng)以調(diào)節(jié)阻尼器的頻率與阻尼比。在所述一階段減振部分中，用所述壓電陶瓷滑面實(shí)現(xiàn)對(duì)所述質(zhì)量塊的智能控制，提高其平面內(nèi)雙向的消能減震性能，并用所述磁流變彈性體彈簧作為所述質(zhì)量塊的剛度與阻尼單元，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可改變所述磁流變彈性體彈簧的通電量與磁場(chǎng)，由此調(diào)節(jié)阻尼器的頻率與阻尼比，提高其雙向減振效果。

8、所述鋼柱支架、電流變阻尼器和形狀記憶合金彈簧形成所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的二階段減振部分，所述電流變阻尼器在所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下改變通電量以改變阻尼比，所述形狀記憶合金彈簧在所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下改變通電量以改變剛度與阻尼比，由此共同實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)大幅振動(dòng)下所述質(zhì)量塊與所述滑動(dòng)框架整體的剛度與阻尼比，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)、減小阻尼器沖程及限位的作用。在所述二階段減振部分中，所述質(zhì)量塊將和滑動(dòng)框架共同在所述下連接板上滑動(dòng)，由所述電流變阻尼器和形狀記憶合金彈簧共同提供半主動(dòng)恢復(fù)力與阻尼力，在提高減振作用的同時(shí)能夠起到減小阻尼器的沖程及限位的功能。

9、所述三向振動(dòng)傳感器i、三向振動(dòng)傳感器ii和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)形成所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的健康監(jiān)測(cè)部分，所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)由健康監(jiān)測(cè)部分實(shí)時(shí)儲(chǔ)存、傳輸及分析，以確保建筑結(jié)構(gòu)及調(diào)諧質(zhì)量器的正常工作及安全性。

10、其中，所述鋼柱支架、電流變阻尼器和形狀記憶合金彈簧各一件為一組套件，所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)置有4～8組所述套件，各套件環(huán)繞所述滑動(dòng)框架均勻旋轉(zhuǎn)分布。

11、其中，所使用的三向傳感器可為加速度傳感器、速度傳感器或者位移傳感器等。

12、本發(fā)明所提出的如上所述的基于智能材料的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是：

13、第一、本發(fā)明的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可同時(shí)控制高層建筑在平面內(nèi)的雙向振動(dòng)，具有節(jié)約建筑使用空間、節(jié)約阻尼器用量、減少樓層集中荷載和節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。

14、第二、本發(fā)明的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在較小風(fēng)振下即可起滑工作，通過(guò)壓電陶瓷滑面改變滾動(dòng)面的力學(xué)特性以改變阻尼器的頻率與阻尼比，通過(guò)磁流變彈性體彈簧提供半主動(dòng)恢復(fù)力和阻尼力，來(lái)提高其雙向的消能減震性能。

15、第三、本發(fā)明的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由于能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)自身的雙向頻率與阻尼比，因此比傳統(tǒng)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器具有更好的雙向振動(dòng)控制性能。

16、第四、本發(fā)明的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在大幅振動(dòng)下，可通過(guò)電流變阻尼器、形狀記憶合金彈簧、滑動(dòng)框架共同滑動(dòng)等構(gòu)造形式提高其控制作用，減小質(zhì)量塊的沖程，起到更好的限位作用。

17、第五、本發(fā)明的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及主結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)由健康監(jiān)測(cè)部分實(shí)時(shí)儲(chǔ)存、傳輸及分析，以確保主結(jié)構(gòu)及調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的正常工作及安全性。

技術(shù)特征：

1.一種基于智能材料的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，其特征在于，包括：質(zhì)量塊(1)、高強(qiáng)鋼珠滾輪(2)、滑動(dòng)框架(4)、下連接板(5)和鋼柱支架(7)，所述下連接板(5)通過(guò)焊接或者螺栓連接于建筑結(jié)構(gòu)的樓層上，所述滑動(dòng)框架(4)放置于所述下連接板(5)上，所述滑動(dòng)框架(4)的上表面放置有壓電陶瓷滑面(3)，所述質(zhì)量塊(1)的底面通過(guò)軸承與所述高強(qiáng)鋼珠滾輪(2)連接，所述高強(qiáng)鋼珠滾輪(2)放置于所述滑動(dòng)框架(4)的上表面且可自由雙向滾動(dòng)，磁流變彈性體彈簧(6)設(shè)置在所述質(zhì)量塊(1)和所述滑動(dòng)框架(4)之間且所述磁流變彈性體彈簧(6)的兩端分別與所述質(zhì)量塊(1)和所述滑動(dòng)框架(4)卡接，所述鋼柱支架(7)通過(guò)焊接或者螺栓連接至所述下連接板(5)的邊緣處，形狀記憶合金彈簧(9)穿過(guò)電流變阻尼器(8)并且所述形狀記憶合金彈簧(9)的兩端分別與所述鋼柱支架(7)和所述滑動(dòng)框架(4)通過(guò)預(yù)留扣件卡接，三向振動(dòng)傳感器i(11)吸附于所述鋼柱支架(7)的側(cè)面用于測(cè)量所述鋼柱支架(7)的x、y、z三向振動(dòng)響應(yīng)，三向振動(dòng)傳感器ii(12)吸附于所述質(zhì)量塊(1)的側(cè)面用于測(cè)量所述質(zhì)量塊(1)的x、y、z三向振動(dòng)響應(yīng)，所述三向振動(dòng)傳感器i(11)和三向振動(dòng)傳感器ii(12)分別通過(guò)有線或者無(wú)線傳輸連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(10)；

2.如權(quán)利要求1所述的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，其特征在于：所述鋼柱支架(7)、電流變阻尼器(8)和形狀記憶合金彈簧(9)各一件為一組套件，所述半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器設(shè)置有4～8組所述套件，各套件環(huán)繞所述滑動(dòng)框架(4)均勻旋轉(zhuǎn)分布。

3.如權(quán)利要求1所述的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，其特征在于：所述三向振動(dòng)傳感器i(11)和三向振動(dòng)傳感器ii(12)為加速度傳感器、速度傳感器或位移傳感器。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于智能材料的半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，包括：被動(dòng)控制部分、智能控制部分、一階段減振部分、二階段減振部分及健康監(jiān)測(cè)部分，智能控制部分統(tǒng)一控制一階段減振部分、二階段減振部分及健康監(jiān)測(cè)部分；本發(fā)明的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的雙向振動(dòng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集分析數(shù)據(jù)后啟動(dòng)智能材料的半主動(dòng)控制。

技術(shù)研發(fā)人員：王梁坤,王婧瑞,周穎,周志光
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9