本發明涉及建筑結構模型減震試驗領域，尤其是涉及一種用于模型試驗的豎向調頻質量阻尼器及其設計方法。

背景技術：

隨著經濟和城市建設發展的需要，建筑物和橋梁的跨度和規模越來越大，大跨度結構常見于體育、會議展覽和機場建筑以及大跨橋梁等。采用調頻質量阻尼器(TMD)對大跨度結構減振，是一種經濟和合理的解決方法。TMD是應用最早的結構被動控制裝置之一，是由彈簧、阻尼器和質量塊組成的振動系統。當主結構在外激勵作用下產生振動時，帶動調頻質量阻尼器一起振動，其產生的慣性力反作用到結構上，其阻尼也發揮消能作用，使主結構的振動反應衰減并受到控制。

近年來，隨著大型公共建筑的大量建設，TMD在大跨度空間結構減震控制的設計得到越來越多人的研究。大跨度空間結構由于自身動力特性的復雜性，理論計算難以滿足要求，為了更好的研究TMD對大跨度結構的減震效果，進行結構模型減震試驗是必不可少的。大跨度空間結構具有振型復雜、頻率雜糅等動力特性，為了探究最優阻尼器的安裝方案，在模型試驗過程中，阻尼器的布置方式以及控制頻率等參數需隨時改變。此外，由于大跨度空間結構動力特性及模型縮比原因，阻尼器所需頻率較高(一般在10-30Hz)，且質量較小(與模型縮比和設計質量有關)。這使阻尼器對摩擦很敏感，少量的摩擦就可能對該阻尼器的動力特性帶來很大改變，使其無法滿足TMD減震原理。目前，還比較缺乏一種有效的用于模型試驗的豎向調頻質量阻尼器。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題而提供一種安裝拆卸簡便、頻率可變的用于模型試驗的豎向調頻質量阻尼器及其設計方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種用于模型試驗的豎向調頻質量阻尼器，包括上部的頂板、下部的底板以及設在頂板和底板之間的質量塊，所述的頂板和底板通過設在它們之間的連接螺桿連接，所述的豎向調頻質量阻尼器設有豎直的直線軌道，所述的直線軌道與頂板和底板固定連接，頂板和質量塊之間、底板與質量塊之間分別設有彈簧，質量塊與沿直線軌道上下滑動的滑塊連接，該質量塊在彈簧的作用下沿直線軌道做簡諧運動。

所述的連接螺桿為設有外螺紋的圓柱長桿，并配有對應的螺母，頂板與底板的間距通過連接螺桿和螺母進行調節。

所述的直線軌道前后對稱設置，該直線軌道與頂板和底板之間以及所述的質量塊與滑塊之間均設有連接板。

所述的連接板通過螺釘連接在頂板、底板及質量塊上。

所述的頂板的下表面、底板的上表面以及質量塊的上、下表面均設有定位板，該定位板形狀與質量塊的截面相同，定位板采用聚四氟乙烯制作。

所述的定位板通過螺釘與頂板、底板以及質量塊連接，所述的定位板上設有多個彈簧定位孔，所述的彈簧上下兩端粘連圓環墊圈，可使彈簧在往復壓縮過程中更穩定，在更換彈簧時更好定位。

所述的底板、底板上表面和質量塊下表面的定位板分別設有大小相同的中心圓孔，通過該中心圓孔，所述的質量塊下表面可放置測試用加速度傳感器。

所述的質量塊采用密度大的金屬材料制作，優選為鑄鐵。

所述的頂板上端設有與大跨度結構試驗模型相連接的螺栓，所述的螺栓上配有螺母。

所述的豎向調頻質量阻尼器中的質量塊以及彈簧的設計，具體采用以下方法：

(a)根據預期減震效果以及大跨度結構模型懸掛處局部的承壓能力，確定單個阻尼器質量塊的質量m_TMD，然后確定質量塊的尺寸及阻尼器的尺寸；

(b)確定所要控制的大跨度結構模型的頻率f_TMD；

(c)根據公式k_TMD＝m_TMD(2·π·f_TMD)²/N確定每個彈簧的剛度系數，其中N為彈簧根數，根據實際情況確定，N優選取為偶數，使彈簧布置對稱；

(d)根據公式k_TMD＝Gd⁴/(8D³n)，選擇符合剛度及尺寸要求的彈簧，其中，G為彈簧的切變模量，d為彈簧絲的直徑，D為彈簧的中徑，n為彈簧有效圈數；如若無此類彈簧，回到步驟(3)調整彈簧數量N。

本發明根據TMD減震控制原理，提供一種易于安裝、拆卸且能隨時改變TMD頻率的豎向調頻質量阻尼器，該阻尼器通過螺栓與主結構緊密相連，與主結構形成一個整體，僅有質量塊在直線滑軌上豎向相對運動，有助于找到結構中主要貢獻振型及相應頻率，當主結構受到干擾振動時，帶動減震器中的質量塊運動。豎向調頻質量阻尼器通過頂板的螺栓擰進大跨度結構模型預留的螺孔中，然后擰緊螺母，使之與大跨度結構模型固定。頂板與底板通過多根連接螺桿連接，質量塊與滑軌上的滑塊連接，沿著軌道做豎向往復運動，當主結構受到干擾振動時，帶動減震器中的質量塊運動。由共振原理，當質量塊運動的頻率與主結構運動的頻率接近或相同時，質量塊達到共振狀態，在該狀態下，減震器總會施加一與主結構運動反方向的力來減弱主結構的運動，從而對主結構起到保護作用；從能量的角度來說，主結構運動的能量轉移到減震器上從而減少了主結構的運動能量，達到減震的效果。

與現有技術相比，本發明豎向調頻質量阻尼器設計簡潔，質量塊僅在豎直方向運動，符合大跨度結構模型減震試驗的需求，通過單向的控制達到多向減震的效果；部分大型地震臺設備，由于性能限制，無法長時間處于待機狀態，本發明阻尼器附加質量小、頂板設有螺栓，使安裝拆卸方便；本發明采用定位板設計，可使彈簧快速安裝拆卸，且定位對稱準確，滿足試驗過程中快速調節的需求；本阻尼器質量塊設計安裝在光滑的直線導軌上，重力由壓縮彈簧承擔，在豎向往復的高頻運動的過程中，基本無摩擦損耗，阻尼比僅為0.2％左右，摩擦力對阻尼器頻率的影響可以忽略，保證調頻的準確性。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的主視結構示意圖；

圖3為本發明彈簧的示意圖；

圖4為本發明定位板的示意圖；

圖5為本發明底板的示意圖；

圖中：1-頂板；11-螺栓；12-螺母；2-質量塊；3-連接螺桿；4-直線軌道；41-滑塊；42-連接板；5-彈簧；51-圓環墊圈；6-定位板；61-螺釘；62-彈簧定位孔；7-底板；8-中心圓孔；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

一種用于模型試驗的豎向調頻質量阻尼器，如圖1-5所示，包括上部的頂板1、下部的底板7以及設在頂板1和底板7之間的質量塊2，頂板1上端設有與大跨度結構模型相連接的螺栓11，螺栓11上配有兩個螺母12，質量塊2為方塊，采用實心鐵塊制成，頂板1和底板7通過設在它們之間的四個連接螺桿3連接，連接螺桿3為設有外螺紋的圓柱長桿，配有對應的螺母，頂板1與底板7的間距通過連接螺桿3和螺母進行調節。豎向調頻質量阻尼器設有豎直的直線軌道4，直線軌道4與頂板1和底板7固定連接，頂板1和質量塊2之間、底板7與質量塊2之間分別設有多個彈簧5，直線軌道4設有上下滑動的滑塊41，該質量塊2在彈簧5的作用下沿直線軌道4做往復運動。直線軌道4前后對稱設置，該直線軌道4與頂板1和底板7之間以及質量塊2與滑塊41之間均設有連接板42，連接板42通過螺釘連接在頂板1、底板7及質量塊2上。頂板1的下表面、底板7的上表面以及質量塊2的上、下表面均設有定位板6，該定位板6形狀與質量塊的截面相同，定位板6采用聚四氟乙烯制作，定位板6通過螺釘與頂板1、底板7以及質量塊2連接，定位板6上設有六個彈簧定位孔62，彈簧5兩端粘連有圓環墊圈51，可使彈簧5卡在定位孔62中，使彈簧5在往復壓縮過程中更穩定，在更換彈簧時更好定位。底板1、底板1上表面以及質量板2下表面的定位板6分別設有大小相同的中心圓孔8，通過該中心圓孔8，質量塊2可連接測試加速度傳感器，以便測試該TMD的動力特性。

實施例2

豎向調頻質量阻尼器中的質量塊以及彈簧的設計，具體采用以下方法：

(a)根據預期減震效果以及大跨度結構模型懸掛處局部的承壓能力，確定單個阻尼器質量塊的質量m_TMD，然后確定質量塊的尺寸及阻尼器的尺寸；

(b)確定所要控制的大跨度結構模型的頻率f_TMD；

(c)根據公式k_TMD＝m_TMD(2·π·f_TMD)²/N確定每個彈簧的剛度系數，其中N為彈簧根數，根據實際情況確定，N取為偶數，使彈簧布置對稱；

(d)根據公式k_TMD＝Gd⁴/(8D³n)，選擇符合剛度、尺寸及其他要求的彈簧，其中，G為彈簧的切變模量，d為彈簧絲的直徑，D為彈簧的中徑，n為彈簧有效圈數；如若無此類彈簧，回到步驟(3)調整彈簧數量N。