本發明涉及一種多維調諧質量阻尼器，可實現強風、車輛、地震等動力荷載作用下工程結構的多維減振控制。

背景技術：

近年來，地震、強風等自然災害在世界范圍內日益頻繁，其所造成的損失也極其巨大。例如，2011年3月11日日本東京發生9級地震，同時引發了強烈海嘯與多次余震，造成日本全國15894人遇難，經濟財產損失極其巨大；2016年，強臺風尼伯特襲擊我國福建省，近地風速最大可達60m/s，造成福建省45.2萬人受災，900余間房屋倒塌，1.1萬間不同程度損壞，直接經濟損失達9億元。因此，建筑、橋梁等工程結構的抗風與抗震安全性成為了學術界與工程界密切關注的問題。對于大多數經過嚴密設計的工程結構而言，其在地震與強風荷載作用下通常不會發生直接破壞，但結構的大幅振動通常影響結構的舒適度、疲勞壽命等指標，因此結構振動控制已成為了當今土木工程領域的熱點研究方向。同時，車輛荷載作用下的橋梁振動控制也是其中的研究熱點。

在現代結構振動控制方式中，調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper，簡稱TMD)是國內外研究較早且較為有效的一種無能源被動控制措施，其原理在于：當主結構受激振動時，子結構(TMD的質量塊)將產生一個與主結構振動方向相反的慣性力，使得主結構動力響應衰減而達到減振控制的目標。由于TMD構造簡單、經濟、減振效果明顯，目前已被廣泛應用于工程結構的振動控制中，如臺北101大廈、上海中心大廈等高層建筑結構的風振控制。

在工程應用中，TMD只能用于控制單個方向某一階頻率的振動。因而當需要對結構多個方向的振動同時進行控制時，便需設置多個相互獨立的TMD裝置以控制結構不同方向的振動。然而，TMD在結構減振控制中的一個特點便是質量塊的質量越大，其減振效果越好。因此，采用多個相互獨立的TMD裝置進行結構多維振動控制時，無疑給結構增加了較大的恒載，甚至會嚴重影響主體結構的靜動力特性。為此，在不增加或少量增加TMD質量塊質量的基礎上，研發多維調諧質量阻尼器，對于強風、車輛、地震等動力荷載作用下工程結構的減振控制具有重要意義及價值。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種多維調諧質量阻尼器，可對強風、車輛、地震等動力荷載作用下工程結構的多維振動響應進行有效控制。

技術方案：為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種多維調諧質量阻尼器，包括外部套筒、內部套筒、中心質量塊單元、豎向彈簧單元、豎向阻尼器單元、水平向彈簧單元、水平向阻尼器單元；所述中心質量塊單元通過水平向彈簧單元、水平向阻尼器單元及滾輪與內部套筒連接，所述內部套筒通過豎向彈簧單元、豎向阻尼器單元及滾輪與外部套筒連接，所述外部套筒與工程結構固定連接。

進一步的，所述中心質量塊單元中心設置有球形空洞，通過在球形空洞中填充不同密度的材料改變中心質量塊單元的質量，以適應水平、豎向TMD對質量塊質量的設計要求。

進一步的，所述中心質量塊單元置于內部套筒內，并與水平向彈簧單元、水平向阻尼器單元形成水平向TMD減振系統。

進一步的，所述中心質量塊單元水平方向一側通過至少一個水平向彈簧單元與內部套筒的內壁一側連接，所述中心質量塊單元水平方向另一側通過至少一個水平向阻尼器單元與內部套筒的內壁另一側連接，所述水平向彈簧單元與水平向阻尼器單元成對對稱布置，且所述中心質量塊單元的上、下表面通過滾輪分別與內部套筒的內壁上、下壁面貼合設置；所述中心質量塊單元位于內部套筒正中心。

進一步的，所述內部套筒置于外部套筒內，并與豎向彈簧單元、豎向阻尼器單元形成豎向TMD減振系統。

進一步的，所述豎向彈簧單元和豎向阻尼器單元豎向構成一豎向模塊，所述豎向模塊分別對稱設置在所述內部套筒的上、下表面，并分別與外部套筒的上、下內壁面連接，所述內部套筒的左、右外壁面上通過滾輪分別貼近外部套筒的內壁左、右壁面，滾輪與壁面間留有一定空隙以適應制造誤差；所述內部套筒位于外部套筒的正中心。

進一步的，所述水平向阻尼器單元分別與中心質量塊單元和內部套筒之間的連接機構可采用插銷鉸支座、形狀記憶合金或球形鉸支座。

進一步的，所述豎向阻尼器單元分別與內部套筒和外部套筒之間的連接機構可采用插銷鉸支座、形狀記憶合金或球形鉸支座。

進一步的，所述外部套筒和內部套筒均呈圓柱形，所述中心質量塊單元呈長方體結構。

有益效果：本發明基于不完全共用質量的理念，將水平TMD系統的質量成功納入豎向TMD系統，可實現工程結構多向振動的獨立控制。相比于多個獨立的TMD裝置，本發明在保證多向振動減振效率的前提下，大大降低了TMD的總質量，一方面節約了材料成本，另一方面使TMD對結構靜動力特性的影響大幅度減小。同時，該裝置還具有安裝簡單、使用方便等優點，在新建結構減振控制與既有建筑加固改造中均具有廣闊的應用前景與價值。

附圖說明

圖1是本發明實施例的結構剖面圖；

圖2是圖1中I-I截面剖面圖；

圖3是圖1中II-II截面剖面圖；

圖4是圖1中阻尼器單元的連接示意圖；

圖5是圖4中形狀記憶合金的連接示意圖。

具體實施方式

一種多維調諧質量阻尼器，包括外部套筒1、內部套筒2、中心質量塊單元3、豎向彈簧單元4、豎向阻尼器單元5、水平向彈簧單元6、水平向阻尼器單元7；所述中心質量塊單元3通過水平向彈簧單元6、水平向阻尼器單元7及滾輪8與內部套筒2連接，所述內部套筒2通過豎向彈簧單元4、豎向阻尼器單元5及滾輪8與外部套筒1連接，所述外部套筒1與工程結構10固定連接。

所述中心質量塊單元3置于內部套筒2內，并與水平向彈簧單元6、水平向阻尼器單元7形成水平向TMD減振系統。所述中心質量塊單元3水平方向一側通過至少一個水平向彈簧單元6與內部套筒2的內壁一側連接，所述中心質量塊單元3水平方向另一側通過至少一個水平向阻尼器單元7與內部套筒2的內壁另一側連接，所述水平向彈簧單元6與水平向阻尼器單元7成對對稱布置，且所述中心質量塊單元3的上、下表面通過滾輪8分別與內部套筒2的內壁上、下壁面貼合設置；所述中心質量塊單元3位于內部套筒2正中心。

所述內部套筒2置于外部套筒1內，并與豎向彈簧單元4、豎向阻尼器單元5形成豎向TMD減震系統。所述豎向彈簧單元4和豎向阻尼器單元5豎向構成一豎向模塊，所述豎向模塊分別對稱設置在所述內部套筒2的上、下表面，并分別與外部套筒1的上、下內壁面連接，所述內部套筒2的左、右外壁面上通過滾輪8分別貼近外部套筒1的內壁左、右壁面，滾輪與壁面間留有一定空隙以適應制造誤差；所述內部套筒2位于外部套筒1的正中心。

由上述可知，內部套筒2對中心質量塊單元3具有豎向限位作用，中心質量塊單元3僅能沿水平向運動，因而可較好實現結構水平向的振動控制；同理，外部套筒1對內部套筒2具有水平限位作用，內部套筒2僅能沿豎向運動，因而可較好實現結構豎向的振動控制。

同時，中心質量塊單元3中心設置有球形空洞，該球形空洞可填充不同密度固體或液體以調節水平向與豎向TMD系統的質量，同時輔助調節水平向與豎向彈簧的剛度以使TMD達到設計頻率參數。

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

本實施例的多維調諧質量阻尼器安裝在工程結構上，可在總質量較小的情況下，對強風、車輛、地震等動力荷載作用下工程結構的多向振動進行有效控制。

如圖1至圖3所示，本發明的多維調諧質量阻尼器安裝在工程結構10上，并采用高強螺栓9使二者形成可靠連接。多維調諧質量阻尼器主要包括外部套筒1、內部套筒2、中心質量塊單元3、豎向彈簧單元4、豎向阻尼器單元5、水平向彈簧單元6、水平向阻尼器單元7以及滾輪8。其中，外部套筒1、內部套筒2均呈圓柱形，中心質量塊單元3呈長方體結構，以下具體說明本發明的組裝關系。

如圖1所示，外部套筒1與工程結構10采用高強螺栓9相連，內部套筒2與外部套筒1的頂板、底板采用豎向彈簧單元4和豎向阻尼器單元5相連，使其能在外部套筒內上下運動，在內部套筒2側壁裝有滾輪8以減小摩擦，且內部套筒2與外部套筒1內壁之間留有一定空隙以便于裝置的組裝。

如圖2所示，中心質量塊單元3與內部套筒2的內壁采用水平向彈簧單元6與水平向阻尼器單元7相連，且在中心質量塊單元3的上下部裝有滾輪8以減小摩擦力，使之能在內部套筒2內做水平向運動。

如圖3所示，豎向彈簧單元4和豎向阻尼器單元5在外部套筒1和內部套筒2之間均勻分布，保證內部套筒2在外部套筒1內上下運動。

這樣，中心質量塊單元3、水平向彈簧單元6、水平向阻尼器單元7三者便形成了水平向TMD系統，內部套筒2、豎向彈簧單元4、豎向阻尼器單元5便形成了豎向TMD系統。兩個TMD系統可分別用于控制結構的水平振動與豎向振動，且水平向TMD系統的質量完全納入了豎向TMD系統的質量塊部分。

上述TMD減振裝置的相關參數由待控結構模態對應的頻率確定，根據位移限值選擇合適參數的彈簧單元并確定其數量，通過數值分析確定該多維TMD裝置各方向應具備的阻尼參數，通過此類參數選用合適的阻尼器單元。阻尼器單元可采用摩擦型阻尼器、橡膠阻尼器、粘滯阻尼器等阻尼器裝置；阻尼器單元與彈簧單元的類型根據實際設計參數進行選擇。

為保證水平向阻尼器單元7在平面內可以協調中心質量塊單元而發生轉動，阻尼器與梁端的連接可采用圖4所示的插銷鉸支座11、形狀記憶合金12或球形鉸支座13。由于內部套筒2和外部套筒1內壁之間存在一定間隙，因此內部套筒2在外部套筒1內運動時可能產生微小的水平位移或扭轉。為使豎向阻尼器單元可協調內部套筒的水平運動，連接處可采用插銷鉸支座11、形狀記憶合金12或球形鉸支座13。對于圖4中形狀記憶合金的具體構造方式，見圖5。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。