[发明专利]控制建筑结构三维平动及水平扭转的调谐质量阻尼器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种依靠调谐质量的水平移动和在平面内的转动来控制建筑结构的双向水平、竖向及扭转振动的阻尼器及其制作方法，属于结构工程抗震与减震及抗风技术领域。 

背景技术

地震时的地面运动是复杂的多维运动，包括三个平动分量和三个转动分量。地震动的多维特性决定了地震下建筑结构的动力特性也是多维的，既包括水平两向和竖向的变形，也包括扭转和摇摆变形。引起扭转振动的原因，一是地面运动存在转动分量，或地震时地面各点的运动存在着相位差；二是建筑结构本身存在偏心，即建筑结构的质量中心与刚度中心不相重合。目前我国高层建筑平、立面日趋复杂，偏心结构大量涌现，地震过程中作用在结构质心上的惯性力会对刚心产生扭转力矩，使建筑结构产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动。 

强烈的地震给人类造成巨大损失。目前世界范围内都在努力寻求经济、有效、可靠的方法来减小这种损失。结构振动控制方法的出现，为解决传统的抗震结构体系中存在的问题提供了一条有效途径。然而，目前的减震控制研究大都是将结构简化成平面模型进行考虑，结构在地震作用下的反应是多维的，特别是对于非对称结构，不考虑多维耦合减震控制将导致减震效果大大降低，不能满足实际工程的需要。因此，高层建筑结构的水平和扭转耦联振动控制研究具有重要意义。 

近年来迅速发展的调谐质量或调谐液体减振控制技术由于其无须对结构采取传统的加强措施，且减震效果明显，易于实施，而日益受到广泛重视，并在国内外工程中得到应用。调谐系统是在结构顶层加上惯性质量或者在附属结构内部添加流动的液体，并配以弹簧和阻尼器与结构相连，对结构的某些振型加以控制。调谐质量或调谐液体阻尼器的基本原理是利用二次系统吸引主体结构的振动能量而使主体结构振动反应得到降低。 

属于被动控制装置的调谐质量或调谐液体减振系统目前存在一些不足。最明显的是，一般的调谐系统只针对结构在某一水平向的振动进行减振设计，多维振动控制尤其是竖向和扭转振动控制效果不佳。因此开发成本低廉、反应灵敏、具有多维调谐减振效果的分布式阻尼器具有重大的工程意义。 

发明内容

本发明提出了一种控制三维平动及水平扭转的调谐质量阻尼器以及制作方法，本阻尼器具有多维减震、制作简单、布置灵活、成本低廉等特点。在地震作用下，阻尼器内部的调谐质量能够平动和转动，阻尼器整体具有调谐结构频率并耗散外部动能的功能，从而保证结构 安全。 

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： 

一种控制三维平动及水平扭转的调谐质量阻尼器，其特征在于：该阻尼器包括沿建筑结构两水平轴线方向运动的调谐质量块、与调谐质量块相连的水平粘滞阻尼器、安装于调谐质量块底部的万向滚动球铰、与水平粘滞阻尼器相连的限位挡板、水平隔板、扭转质量块、扭转杠杆、抗扭转轴、抗扭固定轴、扭转阻尼弹簧及安装于水平隔板底部的竖向粘滞阻尼器。 

所述的调谐质量块沿建筑结构两水平轴线方向分别布置，每个方向至少一块，且布置在建筑结构质心附近。调谐质量块通过具有适当刚度的水平粘滞阻尼器与限位挡板相连，保证调谐质量块能够快速往复振动。同时，调谐质量块通过万向滚动球铰安装在水平隔板上，确保调谐质量块能够水平滑动并能够绕扭转杠杆进行平面内小幅转动。水平隔板与万向滚动球铰的接触面上涂有润滑剂，确保调谐质量块的运动平稳。 

所述的扭转质量块通过扭转杠杆与调谐质量块及抗扭转轴和抗扭固定轴相连，形成的整体机构能够在水平面内自由转动。扭转质量块通过万向滚动球铰与建筑结构楼板连接，保证扭转杠杆在正常状态下保持水平。万向滚动球铰与楼板的接触面上涂有润滑剂。抗扭转轴和抗扭固定轴之间的扭转阻尼弹簧能够提供适当的阻尼以提高整体机构的扭转耗能能力。 

水平隔板通过竖向粘滞阻尼器与楼板表面固接，确保水平隔板保持水平。同时，竖向粘滞阻尼器需要具有适当的刚度使调谐质量块能够进行竖向的小幅振动。 

本发明的具体减震原理如下：当建筑结构在地震作用下产生振动时，水平向调谐质量部分也一起运动，调谐质量块依靠与建筑结构的相对变形产生水平惯性力以及平粘滞阻尼器产生的阻尼力反作用到建筑结构上，从而分别减小建筑结构两水平方向的振动幅度。竖向减震原理与之类似。在扭转方向，主要是依靠扭转质量块及调谐质量块通过扭转杠杆绕抗扭固定轴转动以形成与建筑结构扭转方向相反的转动惯性以及扭转阻尼弹簧提供的阻尼力矩耗散地震能量。