本發明屬于土木工程結構振動控制領域，具體涉及一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器。

背景技術：

隨著經濟發展和技術進步，土木結構體積也愈來愈大，比如中國廣州電視塔高600m，迪拜哈利法塔則總高度達到828m；2008年建成的中國蘇通大橋車，主跨突破千米級，達到1088m，2012年建成的俄羅斯島大橋主跨則達到1102m。作為斜拉橋主要受力構件，俄羅斯島大橋中最長斜拉索為483m，而中國蘇通大橋最長斜拉索達到577m。體積的增大使得結構或構件周期變得更長，阻尼更小，在地震、強風等隨機突發性自然災害時，容易發生強烈振動，甚至造成破壞而導致人員傷亡和經濟損失。結構振動控制則通過附加阻尼器來耗散或吸收振動能量，可以顯著提高結構阻尼水平，減小結構動力反應，進而實現防災減災目的。控制裝置的阻尼力性能基本上決定了結構振動控制所能實現的效果。

受安裝位置和本身性能限制，傳統阻尼器能給土木工程結構、尤其是超大體積土木工程結構提供的附加模態阻尼比顯得愈加不足。在斜拉橋、斜拉索等主動、半主動振動控制研究中，學者們發現負剛度趨勢阻尼力可以增大安裝位置處位移，進而增加耗能，實現更大阻尼比和更優的控制效果。而主動、半主動控制的負剛度阻尼力需要控制器、傳感器、外部能源等支持來實時實現，較為復雜，能實現的負剛度大小一定程度上也受限于半主動阻尼器本身性能。因此，如何被動地實現負剛度，并可以調節實現任意需要的負剛度力，以達到振動控制需要水平則成為了提高土木工程結構尤其是超大體積土木結構振動控制效果的有效途徑。

技術實現要素：

基于以上不足之處，本發明提供一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，在已有較小的被動負剛度和阻尼情況下，通過串聯機制調節實現更大的負剛度與阻尼，以較小代價實現土木工程結構尤其是超大體積土木工程結構抗震減振所需控制力，可用于建筑結構、橋梁、拉索，尤其是超大體積土木結構等抗震減振。

本發明目的是這樣實現的：一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，包括正、負剛度串聯機構和普通阻尼器，所述的正、負剛度串聯機構包括正剛度單元和負剛度單元，

所述的正剛度單元包括機械彈簧和上、下連接件，機械彈簧的兩端分別與上、下連接件固定連接，保證機械彈簧能夠承受拉壓往復荷載；

所述的負剛度單元包括外框、兩個預壓彈簧、導桿和滑塊，導桿的下端固定連接到外框底面的中心位置，滑塊套在導桿上，能夠沿導桿自由光滑運動，滑塊的兩側分別與一個預壓彈簧的一端連接，每個預壓彈簧的另外一端與外框內壁鉸接；

所述的上、下連接件中間都開有圓孔，上、下連接件能夠穿過所述的導桿并自由運動，下連接件與滑塊固定連接；

普通阻尼器的活塞桿上端與正剛度單元的上連接件并聯固定連接，普通阻尼器的固定端與負剛度單元的外框固定連接，從而形成結構一。

本發明還具有如下技術特征：

1、或者普通阻尼器的活塞桿作為導桿的一部分與負剛度單元的滑塊固定連接，普通阻尼器的固定端與負剛度單元的外框底面的中心固定連接，從而形成結構二；

2、或者普通阻尼器的活塞桿上端與正剛度單元的上連接件固定連接，普通阻尼器的固定端與正剛度單元的下連接件固定連接，將普通阻尼器與機械彈簧共同設置在上、下連接件之間，從而形成結構三。

3、當為結構一時，通過選取不同剛度機械彈簧，而實現更大的負剛度，而不改變耗能阻尼力。

4、當為結構二或三時，同時調節改變剛度和阻尼；選用不同機械彈簧剛度，能夠調節實現更大的負剛度與阻尼。

本阻尼器在使用時，通過正、負剛度串聯機構引入內部位移，并不改變外界端部連接，所以外界端部與結構的連接與傳統阻尼器一致。根據振動控制設計理論得到需要的控制力后，則可以根據已有的較小的負剛度和阻尼，選擇適當正剛度單元參數，調節放大負剛度和阻尼，以較小代價實現較大的負剛度與阻尼，提高對土木工程結構/構件的振動控制效果。

本發明的阻尼器，通過引入調節機制，在已知較小負剛度和阻尼情況下，可以改變調節實現更大更優的負剛度和阻尼以達到所需水平。

附圖說明

圖1為正、負剛度串聯機構結構圖；

圖2為實施例2的串聯機制的可調被動負剛度阻尼器結構圖；

圖3為實施例3的串聯機制的可調被動負剛度阻尼器結構圖；

圖4為實施例4的串聯機制的可調被動負剛度阻尼器結構圖；

圖5為取阻尼為線性粘滯阻尼時，實施例2中所示結構的力-位移滯回曲線示意圖；

圖6為取阻尼為線性粘滯阻尼時，實施例3中所示結構的力-位移滯回曲線示意圖；

圖7為取阻尼為庫倫摩擦力時，實施例3中所示結構的力-位移滯回曲線示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發明作進一步詳細說明，但是本發明的保護范圍并不只限于此。

實施例1

結合圖1所示，本實施例的正、負剛度串聯機構，包括正、負剛度單元，所述的正剛度單元包括機械彈簧2和上、下連接件1.3，機械彈簧2的兩端分別與上、下連接件1.3固定連接，保證機械彈簧1能夠承受拉壓往復荷載；

所述的負剛度單元包括外框7、兩個預壓彈簧6、導桿5和滑塊4，導桿5的下端固定連接到外框7底面的中心位置，滑塊4套在導桿5上，能夠沿導桿5自由光滑運動，滑塊4的兩側分別與一個預壓彈簧6的一端連接，每個預壓彈簧6的另外一端與外框7內壁鉸接；

所述的上、下連接件中間都開有圓孔，上、下連接件能夠穿過所述的導桿并自由運動，下連接件與滑塊固定連接。

實施例2

結合圖2所示，一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，包括實施例1所述的正、負剛度串聯機構和普通阻尼器，普通阻尼器可以是粘滯、摩擦等任意的耗散能量出力，普通阻尼器的活塞桿上端與正剛度單元的上連接件并聯固定連接，普通阻尼器的固定端與負剛度單元的外框固定連接；通過更換不同剛度機械彈簧2，可以調節實現更大的負剛度，而不改變耗能阻尼力。

實施例3

結合圖3，一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，包括實施例1所述的正、負剛度串聯機構和普通阻尼器，普通阻尼器可以是粘滯、摩擦等任意的耗散能量出力，普通阻尼器的活塞桿作為導桿的一部分與負剛度單元的滑塊固定連接，普通阻尼器的固定端與負剛度單元的外框底面的中心固定連接，本實施例提供的串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，可同時調節實現更大負剛度和更大耗能阻尼力。

實施例4

結合圖4，一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，包括實施例1所述的正、負剛度串聯機構和普通阻尼器，普通阻尼器可以是粘滯、摩擦等任意的耗散能量出力，普通阻尼器的活塞桿上端與正剛度單元的上連接件固定連接，普通阻尼器的固定端與正剛度單元的下連接件固定連接，此時，將普通阻尼器與機械彈簧共同設置在上下連接件之間，本實施例提供的串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，可同時調節實現更大負剛度和更大耗能阻尼力。

實施例5

結合圖5-7，是本發明提供的串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，在固定已有負剛度和阻尼單元情況下，采用不同正剛度時力-位移滯回曲線示意圖。

圖5為采用實施例2中結構，阻尼采用線性粘滯系數為1時的滯回曲線，其中橫軸表示無量綱位移，縱軸是無量綱出力，k₁表示原有負剛度，其值等于-1。采用不同正剛度k₂時，當k₂＝1.2時，可調被動負剛度阻尼器滯回曲線實現負剛度為-6，放大了6倍；當k₂＝1.8時，可調被動負剛度阻尼器滯回曲線實現正剛度為-2.25，數值上均明顯大于原有剛度值。

圖6為采用實施例3中結構，阻尼采用線性粘滯阻尼時，原有無量綱負剛度k₁＝-1，無量綱粘滯阻尼c₁＝0.15。當正剛度k₂＝1.2時，滯回曲線負剛度趨勢為-3.4，放大了3.4倍；當正剛度k₂＝1.8，可調被動負剛度阻尼器實現負剛度-2.1，放大了2.1倍；兩種情況下，粘滯阻尼單元均得到顯著放大，分別放大了23.3倍和4.9倍，表現為圖6中滯回曲線顯著比原有滯回曲線飽滿，即耗散更多的振動能量。

圖7為采用實施例3中結構，阻尼采用庫倫摩擦力時，原有無量綱負剛度k₁＝-1，無量庫倫摩擦力為0.5。當正剛度k₂＝1.2時，滯回曲線負剛度趨勢為-6，放大了6倍，而庫倫摩擦力為3，同樣放大了6倍；當正剛度k₂＝1.8，可調被動阻尼器實現正剛度2.25，庫倫摩擦力為1.13，同樣放大了2.25倍。

圖4中可調被動負剛度阻尼器實現效果與圖3中可調被動負剛度阻尼器類似，在此不再詳細列出。值得指出的是，圖5-7對負剛度和阻尼放大倍數僅是在特定參數組合下串聯機制的可調被動負剛度阻尼器所能實現效果，調整不同參數數值，將能實現更大地放大和調節效果。

本發明提供了一種串聯機制的可調被動負剛度阻尼器，可以根據需要選取適當參數，調節放大原有負剛度和阻尼，以更小代價實現更大更優阻尼器出力，達到土木工程結構，尤其是超大體積土木工程結構振動抗震減振所需控制力。