一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系

本发明涉及一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系，属于空间结构的抗风、抗震和减振控制技术领域。

背景技术：

近年来，随着人民生活水平的不断提高，工业化生产及文化、体育事业的不断蓬勃发展，现有的建筑结构类型难以满足人民精神及物质文化的需求。而空间结构因具有重量轻、造价低、内部空间大等优点，而被广泛应用于厂房、厂库、体育馆、展厅等具有不同使用功能的建筑类型。

空间结构通常可包括薄壳结构、空间网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构以及由上述两种或多种组成的杂交结构。其中，最具代表性且发展最快、应用最好的是空间网架结构。空间网架的结构组成灵活，其节点连接简单可靠、加工制作机械化程度高、能够以较少的材料满足较大跨度的需要，能够满足建筑工业化和商品化的要求。

而通常情况下，空间结构建筑属于公共建筑，内部集聚人群较多。因此大跨度空间结构的重要性等级较高，一旦破坏将会给人民的生命财产安全带来严重危害。而我国东临太平洋地震带，西处地中海-喜马拉雅地震带，是世界上地震发生较为频繁的国家之一。因此，对大跨度空间结构进行仔细严谨的抗震设计、对结构形式进行创新设计或采取相应的减隔震措施，确保大跨度空间结构在风荷载、地震激励或其它外界振动荷载作用下具有较强的抗震能力以及较高的安全储备，具有十分重要的意义。

目前大跨度空间结构的主要减振方式可以分为三大类，第一类是在空间结构上设置阻尼器或耗能杆件，第二类是安装滑移摩擦隔震支座或粘弹性阻尼支座，第三类是在下部支撑结构中设置耗能支撑体系。由于大跨空间结构体系复杂，力学性能与其几何参数密切相关，同时杆件节点数量较多，频谱分布密集，高阶振型对结构动力响应的影响无法忽略。大跨空间结构的减振措施，无法完全简单的借鉴传统多高层建筑的减、隔震方法。需要在前人研究的基础上，寻找能够综合考虑水平和竖向振动的减振方面，全方位提高空间结构的抗振能力，降低结构的振动响应。

有鉴于此，针对目前空间结构在减振方法和减振措施上存在的诸多不足，本发明提出一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系。在该体系中，自适应调频装置以及惯性力增益耗能装置布置于空间结构的原腹杆所在位置，能够在水平、竖直多个方向上发挥减振效果，且具有简洁美观的优点。在风荷载或地震作用下，惯性力增益耗能装置的两端产生相对位移，通过螺母及螺杆上螺纹牙的相互配合，将相对直线位移转化为螺杆的旋转运动，然后带动扇形飞轮旋转，实现转动惯性力的放大。并且能够通过扇形飞轮的旋转切割粘滞介质从而发挥耗能作用。同时，根据空间结构的实测频率变化，实时调整自适应调频装置中压电促动器的电压，改变压电促动器施加给轴向变形杆的推动力，使轴向变形杆产生变形从而改变弹性圆杆附加给球型质量块的刚度，最终实现始终将球型质量块的频率控制在空间结构的振动频率附近的目的。使球型质量块通过振动能够高效地耗散外界能量输入，降低空间结构的振动响应。

技术实现要素：

本发明提出一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系，该体系主要由金属圆杆、球节点、空心球节点、空心金属圆杆、自适应调频装置、惯性力增益耗能装置、球型质量块和支座共同组成。相比与普通空间结构，本发明体系具有更好的抗震能力和减振效果，减振装置成为空间结构中的一部分，其布置能够与空间结构的现场组装同时进行。在风荷载或地震激励作用下，由惯性力增益耗能装置、自适应调频装置以及球型质量块相互配合，共同发挥耗能减振作用，从而保证主体结构的安全。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系，该空间结构体系主要包括金属圆杆(1)、球节点(2)、空心球节点(3)、金属绳(4)、球型质量块(5)、支座(6)、圆形连接片(7)、槽型金属板(8)、力传感器(9)、压电促动器(10)、轴向变形杆(11)、弹性圆杆(12)、金属圆柱(13)、空心金属圆杆(14)、螺母(15)、螺杆(16)、金属套筒(17)、金属橡胶圆环(18)、扇形飞轮(19)、粘滞介质(20)、螺帽(21)、螺栓(22)。

一根空心金属圆杆(14)的两端与金属连接片(7)焊接，槽型金属板(8)置于空心金属圆杆(14)内部，其翼缘与金属连接片(7)焊接。力传感器(9)和压电促动器(10)固定在槽型金属板(8)的凹槽内，轴向变形杆(11)的一端穿过槽型金属板(8)的腹板上的圆孔与压电促动器(10)连接，轴向变形杆(11)的另一端与金属圆柱(13)相连。弹性圆杆(12)的两端分别与槽型金属板(8)的腹板以及金属圆柱(13)焊接。由此，完成对自适应调频装置的组装。

另一根空心金属圆杆(14)的两端分别与圆形连接片(7)以及螺母(15)焊接。螺杆(16)的一端通过螺母(15)进入空心金属圆杆(14)内部，其另一端穿过金属套筒(17)以及置于金属套筒(17)内的金属橡胶圆环(18)后用螺母(15)限位后，与扇形飞轮(19)固结并用螺帽(21)锁定。金属套筒(17)内部充满粘滞介质(20)，金属套筒(17)底部与圆形连接片(7)焊接。由此，完成对惯性力增益耗能装置的组装。

惯性力增益耗能装置的上端通过螺栓(22)与一端和球节点(2)焊接的空心金属圆杆(14)连接，惯性力增益耗能装置的下端通过螺栓(22)与自适应调频装置的上端连接。自适应调频装置的下端通过螺栓(22)与一端和空心球节点(3)焊接的空心金属圆杆(14)连接。金属绳(4)一端穿过空心球节点(3)内部的预留孔道以及空心金属圆杆(14)与自适应调频装置中的金属圆柱(13)连接，另一端与球型质量块连接。金属圆杆(1)和球节点(2)之间、金属圆杆(1)和空心球节点(3)之间通过焊接进行连接。将球节点(1)与支座(6)焊接，并通过螺栓将支座(6)与下部的承重构件相连。

轴向变形杆(11)的材质为压电陶瓷、聚偏氟乙烯等在外电场作用下能够产生变形的材料，弹性圆杆(12)的材质为低碳钢等材料。轴向变形杆(11)和弹性圆杆(12)的长度为空间结构腹杆长度的0.2～0.5倍。

在本发明中自适应调频装置一直处于通电状态，其电压范围在150v～220v之间，通过连续监测分析得到的主体结构实时频率变化情况，不断调整压电促动器(10)中电压的大小由此改变压电促动器(10)产生的推动力大小，使轴向变形杆(11)发生变形，令弹性圆杆(12)附加给球型质量块(5)的刚度发生变化，从而使球型质量块的振动频率能够与空间结构的振动频率随时保持一致。

自适应调频装置以及惯性力增益耗能装置替代腹杆布置于空间结构的原腹杆位置处，从而使本发明的减振空间结构体系能够在水平和竖直多个方向上发挥耗能减振作用。

空心球节点(3)内部预留y形孔道，孔道直径为金属绳(4)直径的1.1～2.0倍。同时，球型质量块(5)的总质量为空间结构总质量的3％～5％，其造型可任意变换，更能将质量块的内部掏空用于布置照明灯，实现空间结构的结构施工与照明管网施工一体化进行，将输电线等布置于空心金属圆杆(14)内部。

在振动发生时，惯性力增益耗能装置能够根据两点之间的相对运动，通过螺母(15)及螺杆(16)上螺纹牙的相互配合，将相对直线位移转化为螺杆(16)的旋转运动，然后带动扇形飞轮(19)旋转，实现转动惯性力的放大，并且能通过扇形飞轮(19)的旋转切割粘滞介质从而发挥耗能作用。在惯性力增益耗能装置放大惯性力并耗能减振的同时，通过自适应调频装置改变向球型质量块(5)提供的刚度，将球型质量块(5)的振动频率始终控制在主体结构振动频率附近，从而能够通过球型质量块(5)的振动进行高效耗能减振。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过惯性力增益耗能装置两端的相对位移将扇形飞轮的转动惯性力进行放大并通过扇形飞轮切割粘滞介质耗散地震能量。

2)通过自适应调频装置中的电压促动器使轴向变形杆产生变形，从而调整弹性圆杆提供给球型质量块的刚度，将球型质量块的振动频率控制在主体结构的频率附近，使球型质量块能够发挥很好的减振作用。

3)本发明中自适应调频装置一直处于通电状态，能够根据主体结构的振动频率变化实时调整球型质量块的振动频率，使球型质量块在全频率范围内均能够发挥减振作用，减振频带较宽。

4)自适应调频装置以及惯性力增益耗能装置替代腹杆布置在空间结构的腹杆位置处，其布置位置以及布置数量灵活，不占用空间，不影响空间结构的整体形式，简洁美观，能够在水平和竖直多个方向上发挥减振作用。

5)本发明中自适应调频装置以及惯性力增益耗能装置通过螺栓与空间结构主体部分相连，安装与拆卸方便，当失效后可进行更换。

6)球型质量块的形式可以任意变化，在具有减振功能的同时还能将照明灯布置于质量块内部，实现照明管网与空间结构的组装一体化进行，输电线布置于空心金属圆杆内部。

附图说明

图1是本发明一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系的整体效果图。

图2是本发明一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系的三维效果图。

图3是本发明自适应调频装置详图。

图4是本发明自适应调频装置a-a剖面图。

图5是本发明中扇形飞轮详图。

图6是本发明惯性力增益耗能装置详图。

图7是本发明空心球节点详图。

图中：1—金属圆杆、2—球节点、3—空心球节点、4—金属绳、5—球型质量块、6—支座、7—圆形连接片、8—槽型金属板、9—力传感器、10—压电促动器、11—轴向变形杆、12—弹性圆杆、13—金属圆柱、14—空心金属圆杆、15—螺母、16—螺杆、17—金属套筒、18—金属橡胶圆环、19—扇形飞轮、20—粘滞介质、21—螺帽、22—螺栓。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，是本发明一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系的实施例，其主要包括：金属圆杆1、球节点2、空心球节点3、金属绳4、球型质量块5、支座6、圆形连接片7、槽型金属板8、力传感器9、压电促动器10、轴向变形杆11、弹性圆杆12、金属圆柱13、空心金属圆杆14、螺母15、螺杆16、金属套筒17、金属橡胶圆环18、扇形飞轮19、粘滞介质20、螺帽21、螺栓22。

具体实施步骤如下：

1)某大跨度建筑的平面尺寸为50m×25m，柱截面尺寸为500mm×500mm，为提高该建筑的空间使用效率、采光效果、以及建筑的抗振效果。因此，在该建筑顶部布置本发明的减振空间结构体系。在pga为0.3g的地震作用下，本发明的减振空间结构体系能够将结构的位移响应降低63.2％，将结构的加速度响应降低21.7％。

2)金属圆杆的直径为80mm，空心金属圆杆的内径和外径分别为70mm、80mm，球节点和空心球节点的外径均为150mm。同时，金属圆杆、球节点、空心球节点、空心金属圆杆的材质选用q345钢，在空间结构的组装中所用螺栓的强度等级为10.9级。

3)将长度为500mm的空心金属圆杆的两端与厚度为5mm的金属连接片焊接，将槽型金属板置于空心金属圆杆内部，其翼缘与一端的金属连接片焊接。力传感器和压电促动器固定在槽型金属板的凹槽内。材质为压电陶瓷的轴向变形杆的一端穿过槽型金属板的腹板上直径为15mm的圆孔与压电促动器连接，轴向变形杆的另一端与直径为60mm的金属圆柱相连。截面形式为圆形、材质为低碳钢的弹性圆杆的两端分别与槽型金属板的腹板以及金属圆柱焊接。由此，完成对自适应调频装置的组装，自适应调频装置详细构造如图3所示。

4)长度为90mm的空心金属圆杆的两端分别与圆形连接片以及内径为50mm的螺母焊接；螺杆的一端通过螺母进入空心金属圆杆内部，其另一端穿过长度为300mm的金属套筒以及置于金属套筒内的金属橡胶圆环后用内径为35mm、外径为55mm的螺母限位后，与如图5所示的扇形飞轮固结并用螺帽锁定。金属套筒内部充满材料为液体硅油的粘滞介质，金属套筒底部与圆形连接片焊接。由此，完成对惯性力增益耗能装置的组装，惯性力增益耗能装置的详细构造如图6所示。

5)惯性力增益耗能装置的上端通过螺栓与一端和球节点焊接的空心金属圆杆连接，惯性力增益耗能装置的下端通过螺栓与自适应调频装置的上端连接，自适应调频装置的下端通过螺栓与一端和空心球节点焊接的空心金属圆杆连接。

6)直径为10mm的金属绳一端穿过空心球节点内部预留的直径为12mm的孔道以及空心金属圆杆与自适应调频装置中的金属圆柱连接，另一端与球型质量块连接。

7)金属圆杆和球节点之间、金属圆杆和空心球节点之间通过焊接进行连接，球节点与支座焊接。将整个减振空间结构体系组装完成之后用吊车吊至承重柱顶部，并用螺栓将支座与下部的承重柱相连，完成整个减振空间结构体系的布置与安装。

8)接通自适应调频装置的电源，根据实测得到的空间结构振动频率调整压电促动器中的电压，改变压电促动器施加给轴向变形杆的推动力，从而调整弹性圆杆附加给球型质量块的刚度，将球型质量块的振动频率控制在主体结构振动频率附近。

在风荷载或地震激励等外界荷载作用下，本发明一种自适应调频及惯性力增益的减振空间结构体系能够通过惯性力增益耗能装置两端的相对位移将平动变换为螺杆的转动实现转动惯性力的放大，同时通过扇形飞轮的转动来切割粘滞介质耗散外界振动能量。同时，通过球型质量块的振动耗散能量。在外界荷载作用过程中，空间结构的损伤程度不断加剧，其振动频率不断减小，通过实时调整自适应调频装置中压电促动器内部的电压，使球型质量块的振动频率随主体结构频率的变化而不断变化，确保球型质量块在全频率范围内都能发挥很好的耗能减振效果。

主要由金属圆杆、球节点、空心球节点、空心金属圆杆、自适应调频装置、惯性力增益耗能装置和球型质量块等共同组成，能够用于建造厂房、体育馆等大跨度钢结构建筑。在风荷载或地震激励等外荷载作用下，本发明体系能够表现出较好的减振能力，从而保护主体结构的安全。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。