一种可叠层碰撞耗能的惯容-颗粒阻尼复合型减振装置

本发明属于土木工程结构耗能减振，更具体地说，是涉及一种可叠层碰撞耗能的惯容-颗粒阻尼复合型减振装置。

背景技术：

1、近年来，由于世界各地的地震、台风等自然灾害频发，使得受灾城市的民用建筑和基础设施出现明显的晃动甚至比较明显的破坏，这促使土木工程领域研究者们愈发关注结构振动控制方面的研究。在结构中布置阻尼器等消能减振装置从而进行减振控制是一种典型技术及方法，因施工方便、成本低廉而被广泛应用于工程实践。在上述减振技术中，颗粒阻尼器作为中一种新型减振装置，具有布置灵活、减振频带宽、鲁棒性强、成本低等优点，近年来受到工程界研究人员的广泛关注和研究。

2、根据颗粒阻尼器中的颗粒数目，可以分为单颗粒阻尼器及多颗粒阻尼器。传统单颗粒阻尼器由于颗粒直径过大，实用性较差，难以满足工程需求；多颗粒阻尼器启振条件苛刻，在振动中颗粒易产生堆积效应，限制自身运动，导致颗粒与受控结构之间动量交换的效率偏低，减震性能不佳。为减小颗粒半径并提高颗粒与受控结构之间动量交换的效率，研究人员提出一种并联式单向单颗粒阻尼器，该颗粒阻尼器由多个颗粒组成，每个颗粒均有独立腔体，可以较好改善传统单颗粒阻尼器与多颗粒阻尼器的自身问题，具有良好的减振效果。然而，该颗粒阻尼器同样拥有所需质量过大、占地空间大、相较于其他类型被动控制装置减振性能不突出等缺点。因此，亟需对颗粒阻尼器进一步改造，大幅度减小所需颗粒阻尼的质量，提升减振性能，达到良好的轻量化振动控制效果。

3、惯容装置是一种两端点加速度相关型新型结构控制元件，研究表明，将其与消能减振装置进行组合使用，可以显著提升传统消能减振装置的耗能效率，并对消能减振装置产生明显的表观质量增益效果，可以更好地实现结构轻量化振动控制目标。

技术实现思路

1、为解决颗粒阻尼器耗能能力有限、颗粒起振困难、所需质量过大等问题，本发明提出一种可叠层碰撞耗能的惯容-颗粒阻尼复合型减振装置。该减振装置可以大幅度缩减叠层并联式单颗粒阻尼器所用颗粒阻尼数量，提高颗粒在腔体内的摩擦碰撞效率，提升耗能能力，降低起振条件，提高减振性能。本发明是一种适用于各类建筑结构中，用来抵抗地震、风振等对建筑物产生不良影响的新型惯容-颗粒阻尼复合型减振装置。其功能在于将齿轮齿条惯容装置与叠层并联式单颗粒阻尼器、弹簧串联组合应用，构成一个完整的动力学系统，并通过弹簧将惯容装置产生的出力与叠层并联式单颗粒阻尼器产生的控制力传递给结构，齿轮齿条惯容装置通过齿轮间的相互啮合转动，实现转动速度的进一步加大，从而加快叠层并联式单颗粒阻尼器腔体内颗粒的摩擦碰撞，降低颗粒起振条件，增加耗能效率，提高减振性能。同时惯容装置对叠层并联式单颗粒阻尼器起到表观质量增效作用，减小所需颗粒质量，使其具有良好的轻量化结构振动控制效果。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种可叠层碰撞耗能的惯容-颗粒阻尼复合型减振装置，包括叠层并联式单颗粒阻尼器、齿轮齿条式惯容装置、弹簧；

4、所述叠层并联式单颗粒阻尼器包括箱体、颗粒、导轨，箱体内部自上而下分为若干空腔，每个空腔内放置一个颗粒，且颗粒只能沿一个方向往复移动，导轨设于箱体下方并固定连接在建筑结构上，箱体的底部与导轨滑动连接；

5、所述齿轮齿条式惯容装置包括支座、第七齿轮、齿条、第四轴、第六齿轮、第五齿轮、第二轴、第三齿轮、第四齿轮、第二齿轮、第一轴、第一齿轮、第三轴、飞轮，支座固定连接在建筑结构上，所述齿条设置在支座的底部并与箱体固定连接，支座与齿条滑动连接，第七齿轮与齿条啮合传动连接，第七齿轮通过第四轴与支座转动连接，在第七齿轮的后方还设有第六齿轮，第六齿轮通过第四轴与支座转动连接，在第六齿轮的上方啮合传动连接第五齿轮，第五齿轮通过第二轴转动连接支座，第五齿轮的前方设有第三齿轮，第三齿轮通过第二轴转动连接支座，第三齿轮的下方啮合传动连接第四齿轮，第四齿轮通过第一轴转动连接支座，在第四齿轮的前方设有第二齿轮，第二齿轮通过第一轴与支座转动连接，第二齿轮的左边啮合传动连接第一齿轮，第一齿轮通过第三轴转动连接支座，第一齿轮的前方设有飞轮，飞轮通过第三轴转动连接支座；

6、所述弹簧的左端与支座固定连接，右端与箱体固定连接。

7、优选地，齿条为倒置的t形结构，啮合齿设置在倒置t形结构的中间的顶部，在支座的底部对称设有两个压板，两个压板分别压在齿条的两水平侧边上，齿条沿两个压板形成的滑槽滑动。

8、优选地，所述压板包括水平部和竖立部，水平部与竖立部垂直设置，水平部固定连接在竖立部的顶端，水平部压在齿条的水平侧边上，竖立部压在齿条的水平侧边的侧立面上。

9、优选地，第一齿轮的外直径与第二齿轮的外直径比为1:1.1～1:2，第一齿轮3的外直径与飞轮2的外直径比为1:1～1:2，第一齿轮3的外直径与第七齿轮5的外直径比是1:1～1:1.5，弹簧2采用空气弹簧。

10、优选地，箱体内部的若干空腔的长宽比为1:0.2～1:0.6，宽高比为1:1，箱体的总高度与空腔的长度比为1:0.2～1:1.5，空腔内涂抹润滑剂，颗粒的弹性模量为2.0×5n/mm2～2.8×5n/mm2，叠层并联式单颗粒阻尼器的总质量与建筑结构的总质量之比为1％～5％。

11、优选地，所述支座设有左侧板、前侧板、第一隔板、第二隔板、后侧板；前侧板、第一隔板、第二隔板和后侧板相互平行且垂直固定连接在后侧板上，齿条和第七齿轮均位于第一隔板和第二隔板之间，第五齿轮和第六齿轮均位于第二隔板和后侧板之间，第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮均位于前侧板和第一隔板之间，飞轮位于前侧板的前方；弹簧的左端固定连接左侧板。

12、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

13、1本发明将传统并联式单向单颗粒阻尼器进行改造，形成一种叠层并联式单颗粒阻尼器，并将该颗粒阻尼器与齿轮齿条惯容装置、弹簧进行串联组合应用，形成一种可叠层碰撞耗能的惯容-颗粒阻尼复合型减振装置，显著提升颗粒阻尼器各腔体内颗粒的摩擦碰撞效率，增加颗粒碰撞能量耗散，更好地起到减振效果。齿轮齿条惯容装置对叠层并联式单颗粒阻尼器的表观质量放大作用，使其能够在较小颗粒质量下有效控制主体结构的地震响应及风致响应，实现了轻量化结构振动控制效果。

14、2本发明将单向单颗粒阻尼器进行叠层并联排布，当叠层并联式单颗粒阻尼器在结构振动下通过下部滑轨进行往复移动时，各腔体内的颗粒对腔体内壁进行碰撞产生的冲击力，可统一由叠层并联排布的腔体外壁通过弹簧传递给与结构固结的惯容装置竖向挡板，竖向挡板可将该冲击力传递给结构，实现对结构的减振控制。而若将传统并联式单向单颗粒阻尼器与齿轮齿条惯容装置、弹簧组合成新型惯容-颗粒阻尼装置，只有一个腔体的外壁与弹簧、惯容装置的齿条进行连接，当颗粒进行碰撞产生冲击力后，也只有与弹簧相连的那个腔体外壁可以将传递通过弹簧传递到结构中，其余未与弹簧进行连接的腔体，其内部颗粒发生碰撞产生的冲击力则无法顺利传递给结构，大大降低该减振装置的减振性能。相较于传统并联式单向单颗粒阻尼器，本发明提出的叠层并联式单颗粒阻尼器在与惯容装置、弹簧进行组合后，可完全发挥颗粒阻尼器的耗能能力，更好的耗散结构传递给颗粒阻尼器的振动能量，大幅度提升颗粒阻尼器的减振性能。

15、3本发明采用齿轮齿条惯容装置，其通过各齿轮间啮合转动最终带动飞轮进行高速旋转，产生惯性势能。该惯容装置能够储能并将能量传递到与之相连的叠层并联式单颗粒阻尼器中，使得叠层并联式单颗粒阻尼器的往复移动更为剧烈，显著降低颗粒起振条件，并带动腔体内部的颗粒发生更加剧烈的摩擦碰撞，增大颗粒碰撞耗能。

16、4本发明采用叠层并联式单颗粒阻尼器，该阻尼器由多个颗粒组成，但每个颗粒均有独立腔体，且在侧壁约束下只能单向运动，可更好发挥其在结构振动方向上减振控制效果。同时多个腔体在竖向叠层并联排列，布置位置灵活，解决了传统并联式单向单颗粒阻尼器占地空间大的问题。

17、5本发明装置设置方便灵活，各元件均价格便宜容易获得，性价比高。将颗粒阻尼器与惯容装置进行组合的复合型减振装置能够有效吸收并耗散结构振动的能量，具有轻量化、耗能高效、鲁棒性强、空间占用率低等特点，有较好的推广应用价值。