本發(fā)明屬于高聳結(jié)構(gòu)減振耗能控制范疇，具體涉及一種多級(jí)混合型耗能減振控制裝置。

背景技術(shù)：

高聳結(jié)構(gòu)是一種高度較高、橫截面相對(duì)較小、水平荷載起控制作用的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于通訊、電力及化工等眾多領(lǐng)域。相對(duì)于普通建筑結(jié)構(gòu)，高聳結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，對(duì)風(fēng)荷載和地震作用敏感，易產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)。因此，有關(guān)高聳結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及減振控制的研究日益受到重視。傳統(tǒng)意義上，高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)主要是通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度來(lái)提高自身的安全性，這種方法既不經(jīng)濟(jì)，也不能很好的達(dá)到預(yù)期的效果。能夠找到一種使高聳結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震作用下安全運(yùn)行的控制裝置，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)工程行業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高聳結(jié)構(gòu)在地震或風(fēng)荷載作用下的運(yùn)動(dòng)呈多方向，僅控制單一方向的振動(dòng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的，應(yīng)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)進(jìn)行多個(gè)方向的振動(dòng)控制。目前常用的振動(dòng)控制技術(shù)可以分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、智能控制和混合控制。目前振動(dòng)控制的方法主要包括消振、隔振、動(dòng)力吸振及阻尼減振等方法。主動(dòng)控制裝置利用外部能量控制結(jié)構(gòu)在地震作用或風(fēng)荷載下的振動(dòng)反應(yīng)，盡管其控制效果好，適應(yīng)性強(qiáng)，但技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、維護(hù)要求高，但廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中有較大困難。被動(dòng)控制則沒(méi)有外部能量輸入，主要是通過(guò)抗震設(shè)計(jì)改變結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼和質(zhì)量大小，或者改變能量的傳遞途徑，以達(dá)到控制工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的。

形狀記憶合金作為一種兼具感知和驅(qū)動(dòng)能力的新型功能材料，具有特殊的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)。由形狀記憶合金制成的阻尼器，具有可恢復(fù)變形大，阻尼性能較好，耐久耐腐蝕以及維修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。然而，目前研究的形狀記憶合金阻尼器只能在單方向上實(shí)現(xiàn)減振耗能，不易實(shí)現(xiàn)工程中要求的多維被動(dòng)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程中的多維多級(jí)控制，本發(fā)明提供了一種多級(jí)混合型耗能減振控制裝置，該裝置將形狀記憶合金(SMA)與調(diào)頻液體阻尼器(TLD)結(jié)合起來(lái)，能夠有效的減小高聳結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的各個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)，并且可以根據(jù)小震或大震、小風(fēng)或大風(fēng)來(lái)自行調(diào)節(jié)控制方式，達(dá)到多維多級(jí)耗能減振的效果。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

多級(jí)混合型耗能減振控制裝置，包括一個(gè)外箱型結(jié)構(gòu)；在所述的外箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)調(diào)頻液體阻尼器，調(diào)頻液體阻尼器包括一個(gè)圓筒結(jié)構(gòu)，在所述的圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)盛裝有用于耗散振動(dòng)能量的阻尼液體；所述的圓筒結(jié)構(gòu)的底部通過(guò)多個(gè)形狀記憶合金彈簧與外箱體結(jié)構(gòu)相連；所述的圓筒結(jié)構(gòu)的側(cè)壁通過(guò)四個(gè)形狀記憶合金絲與外箱體結(jié)構(gòu)側(cè)壁相連。

在小風(fēng)或小震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)帶動(dòng)箱型結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)時(shí)，圓筒結(jié)構(gòu)中的液體也隨之發(fā)生晃動(dòng)，液體晃動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用于容器壁，其作用傳播到結(jié)構(gòu)上，從而對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，動(dòng)水壓力起到減振控制力的作用。從能量的角度來(lái)看，容器中的液體通過(guò)晃動(dòng)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，通過(guò)液體之間的剪切，液體和容器壁之間的摩擦、碰撞來(lái)耗散振動(dòng)能量，主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量最終轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減小振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的目的。所述的調(diào)頻液體阻尼器在水平方向通過(guò)多跟根形狀記憶合金絲與箱型結(jié)構(gòu)連接，在大風(fēng)或大震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)帶動(dòng)箱型結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)時(shí)，形狀記憶合金絲和形狀記憶合金彈簧發(fā)生變形，在其伸長(zhǎng)或縮短的過(guò)程中起到吸收能量，耗能減振的效果。

進(jìn)一步的，多級(jí)混合型耗能減振控制裝置固定在高聳結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接處，旨在減小節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述的箱型結(jié)構(gòu)由不銹鋼制成，可以防止其在復(fù)雜的室外環(huán)境下受到腐蝕。

進(jìn)一步的，所述的TLD中的圓筒結(jié)構(gòu)是由不銹鋼制成的剛性容器，內(nèi)部裝有水，可以在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)發(fā)生振蕩。

進(jìn)一步的，所述的彈簧采用馬氏體形狀記憶合金制成，此合金具有高阻尼，超彈性，高耗能等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述的彈性合金絲采用奧氏體形狀記憶合金制成，此合金具有高彈性模量和超彈性自復(fù)位能力等特點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述的形狀記憶合金彈簧與TLD組合的振動(dòng)頻率與被控結(jié)構(gòu)的主頻率接近，根據(jù)被控結(jié)構(gòu)的頻率來(lái)確定彈簧的長(zhǎng)度以及TLD中圓筒結(jié)構(gòu)的尺寸和水深等。

進(jìn)一步的，所述的多個(gè)形狀記憶合金彈簧均勻的分布在調(diào)頻液體阻尼器的底部，以保證調(diào)頻液體阻尼器自身的穩(wěn)定性。

進(jìn)一步的，所述的多個(gè)形狀記憶合金絲沿著調(diào)頻液體阻尼器的環(huán)狀外壁均勻分布，且多個(gè)形狀記憶合金絲位于同一水平面上，以保證調(diào)頻液體阻尼器自身的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的工作原理如下：

將本裝置固定在高聳結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接處，在小震或小風(fēng)作用下，被控結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)箱形結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)，在此過(guò)程中，調(diào)頻液體阻尼器中的液體也隨之發(fā)生晃動(dòng)，液體晃動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用于容器壁，其作用傳播到結(jié)構(gòu)上，從而對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，動(dòng)水壓力起到減振控制力的作用。從能量的角度來(lái)看，容器中的水通過(guò)晃動(dòng)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，通過(guò)液體之間的剪切，液體和容器壁之間的摩擦、碰撞來(lái)耗散振動(dòng)能量，主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量最終轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減小振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的目的。在大震或大風(fēng)作用下，被控結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)時(shí)，形狀記憶合金絲和形狀記憶合金彈簧發(fā)生變形，在其伸長(zhǎng)或縮短的過(guò)程中起到吸收能量，耗能減振的效果，實(shí)現(xiàn)了多維多級(jí)耗能減振的作用。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明屬于被動(dòng)控制裝置，無(wú)需外部能量的輸入，可通過(guò)裝置自身對(duì)被控結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振耗能，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，施工方便，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明不僅能在水平方向起到耗能減振的作用，還能在豎直方向產(chǎn)生耗能減振的效果，解決了以往被動(dòng)控制裝置只能在單一方向減振的弊端。本發(fā)明能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)弱自行選擇控制方式，能夠達(dá)到多級(jí)減振耗能的效果。本發(fā)明可以廣泛的應(yīng)用到高層建筑、輸電塔等高聳結(jié)構(gòu)的耗能減振方面。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是多級(jí)混合型耗能減振控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是多級(jí)混合型耗能減振控制裝置結(jié)構(gòu)A-A剖面圖。

圖中：1箱形結(jié)構(gòu)，2圓筒結(jié)構(gòu)，3液體，4馬氏體形狀記憶合金彈簧，5奧氏體形狀記憶合金絲。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施方式。

為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程中的多維多級(jí)控制，本發(fā)明提供了一種多級(jí)混合型耗能減振控制裝置，該裝置將形狀記憶合金(SMA)與調(diào)頻液體阻尼器(TLD)結(jié)合起來(lái)，能夠有效的減小高聳結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的各個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)，并且可以根據(jù)小震或大震、小風(fēng)或大風(fēng)來(lái)自行調(diào)節(jié)控制方式，達(dá)到多維多級(jí)耗能減振的效果。

多級(jí)混合型耗能減振控制裝置在小震或小風(fēng)作用下發(fā)生振動(dòng)或扭動(dòng)時(shí)，TLD中的液體也隨之發(fā)生晃動(dòng)，液體晃動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用于容器壁，其作用傳播到結(jié)構(gòu)上，從而對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，動(dòng)水壓力起到減振控制力的作用。從能量的角度來(lái)看，容器中的液體通過(guò)晃動(dòng)吸收主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，通過(guò)液體之間的剪切，液體和容器壁之間的摩擦、碰撞來(lái)耗散振動(dòng)能量，主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量最終轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減小振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的目的。此外，本裝置利用形狀記憶合金高阻尼，超彈性，高耗能的特點(diǎn)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，施工方便，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)的，本發(fā)明基于形狀記憶合金以上的優(yōu)點(diǎn)，在大震或大風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)時(shí)，外箱型結(jié)構(gòu)與圓筒結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，形狀記憶合金彈簧與形狀記憶合金絲產(chǎn)生形變，部分伸長(zhǎng)和部分縮短交替變換，在變形過(guò)程中，產(chǎn)生的彈力會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而提供較大的阻尼力和耗能能力，達(dá)到耗能減振的效果。

本發(fā)明提出的多級(jí)混合型耗能減振控制裝置如圖1所示，該裝置可以安裝在高聳結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接處。

具體結(jié)構(gòu)如下：該減振裝置是由箱形結(jié)構(gòu)1，圓筒結(jié)構(gòu)2，液體3，馬氏體形狀記憶合金彈簧4，奧氏體形狀記憶合金絲5組成。

這里的液體可以選擇水等可以流動(dòng)的液體即可，下面以水為例進(jìn)行說(shuō)明。

其中箱形結(jié)構(gòu)1固定于高聳結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接處，2圓筒結(jié)構(gòu)中裝有水并通過(guò)4形狀記憶合金彈簧與1箱型結(jié)構(gòu)的低端相連，2圓筒結(jié)構(gòu)通過(guò)5形狀記憶合金絲與1箱型結(jié)構(gòu)相連，外箱型結(jié)構(gòu)和圓筒結(jié)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)形狀記憶合金彈簧和形狀記憶合金絲變形。

進(jìn)一步的，多級(jí)混合型耗能減振控制裝置固定在高聳結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接處，目的是控制節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)。

進(jìn)一步的，箱型結(jié)構(gòu)由不銹鋼制成，防止其在復(fù)雜的室外環(huán)境下受到腐蝕，保障其能夠正常運(yùn)行。

進(jìn)一步的，TLD中的圓筒結(jié)構(gòu)是由不銹鋼制成的剛性容器，內(nèi)部裝有水，可以在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)發(fā)生振蕩。

進(jìn)一步的，彈簧采用馬氏體形狀記憶合金制成，此合金具有高阻尼，超彈性，高耗能等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，彈性合金絲采用奧氏體形狀記憶合金制成，此合金具有高彈性模量和超彈性自復(fù)位能力等特點(diǎn)。

進(jìn)一步的，形狀記憶合金彈簧與TLD組合的振動(dòng)頻率與被控結(jié)構(gòu)的主頻率接近，根據(jù)被控結(jié)構(gòu)的頻率來(lái)確定彈簧的長(zhǎng)度以及TLD中圓筒結(jié)構(gòu)的尺寸和水深等。

進(jìn)一步的，多個(gè)形狀記憶合金彈簧均勻的分布在圓筒結(jié)構(gòu)的底部，以保證圓筒結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性。

進(jìn)一步的，多個(gè)形狀記憶合金絲沿著圓筒結(jié)構(gòu)的環(huán)狀外壁均勻分布，且多個(gè)形狀記憶合金絲位于同一水平面上，以保證圓筒結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性。

本實(shí)施方案中需要注意以下幾個(gè)方面：

一、該裝置應(yīng)設(shè)置在被控結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處，能夠在地震作用或者風(fēng)荷載沿各個(gè)方向振動(dòng)；二、箱型結(jié)構(gòu)、圓筒結(jié)構(gòu)均采用不銹鋼制成，能夠承受極端天氣，防止銹蝕。

本實(shí)施方案中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況確定多級(jí)混合型耗能減振控制裝置的安裝位置和數(shù)量，以達(dá)到最佳的減振吸能效果。

本發(fā)明利用TLD中的水隨結(jié)構(gòu)發(fā)生晃動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力作用于容器壁起到減振控制力的作用，并將振動(dòng)的機(jī)械能最終轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到減小振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的目的；本發(fā)明基于形狀記憶合金以上的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)形狀記憶合金彈簧和形狀記憶合金絲產(chǎn)生形變，部分伸長(zhǎng)和部分縮短交替變換，在變形過(guò)程中，產(chǎn)生的彈力會(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而提供較大的阻尼力和耗能能力，從而達(dá)到耗能減振的效果。

本發(fā)明的上述實(shí)施方案并不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定，本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，凡此種根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，對(duì)本發(fā)明上述結(jié)構(gòu)做出的其它多種形式的修改、替換或變更，均應(yīng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。