一种几何非线性增益的竖向跨层调谐惯容阻尼系统

本发明属于土木工程，涉及一种几何非线性增益的竖向跨层调谐惯容阻尼系统。

背景技术：

1、在中/高/超高层结构的振动控制方面，调谐质量阻尼器(tmd)虽然能够提供惯性控制力以及阻尼控制力，但由于其控制频带较窄，有利于风振控制，却对地震作用的控制效果十分有限；传统的在层间水平安装消能器的方式虽然在以剪切型变形为主的低/中层结构中具有优异的效果，但在以弯曲型变形为主的中/高/超高层结构中难以发挥其耗能优势。为了高效控制中/高/超高层结构的振动响应，对其振动过程中表现出的几何非线性的利用十分关键。

2、既有的中/高/超高层结构控制方法，大部分是利用结构的真实响应驱动减震装置运作，对减震装置的利用效率不高；如何将结构的真实响应利用力学、机械学原理放大为驱动装置的响应，还有待进一步探索。

3、专利cn116928276a公开了一种含滚珠丝杠式惯容器的非线性隔振平台、结构参数优化设计方法，非线性隔振平台包括基座、双层支撑结构、弹簧阻尼隔振结构、滚珠丝杠式惯容器、动平台、导向装置；其中，动平台和基座通过导向装置呈上下平行相对安装，基座和动平台之间安装双层支撑结构，弹簧阻尼隔振结构水平安装在双层支撑结构的下层框架中，滚珠丝杠式惯容器竖直安装在双层支撑结构的上层框架中。但该专利所述隔振平台仅试用于采用隔振方法控制动力响应的结构或设备，而隔振方法对于中/高/超高层这种长周期柔性结构的减振效果有限，故该专利不适用于中/高/超高层的减振控制；此外，该专利所述装置是针对单一竖向线性运动的隔振措施，不具备响应增益能力和对受控结构弯曲变形的控制能力。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种几何非线性增益的竖向跨层调谐惯容阻尼系统，本发明将对结构振动过程中的竖向变形进行非线性地传递和放大，进而以增益的变形驱动惯容器和阻尼器运行，有效地引入非线性惯性质量增效、阻尼增效以提升系统的控制效率，同时实现结构多模态的精准调谐控制。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一在于，提供一种几何非线性增益的竖向跨层调谐惯容阻尼系统，该系统包括依次连接的位移放大杠杆机构、滚珠丝杆机构、齿轮齿条机构和调谐阻尼机构，所述位移放大杠杆机构和滚珠丝杆机构于楼层结构中跨层布置，所述齿轮齿条机构和调谐阻尼机构布置于结构楼板上，所述位移放大杠杆机构和调谐阻尼机构分别与结构连接；

4、所述位移放大杠杆机构包括位移一次传递杆、旋转杠杆和连接杆，所述位移一次传递杆于楼层结构中跨层布置，所述旋转杠杆分别与位移一次传递杆和连接杆铰接；所述位移放大杠杆机构用于将高层结构在振动过程中由于几何非线性产生的竖向变形放大；

5、所述滚珠丝杆机构包括位移二次传递杆和螺母，所述连接杆与位移二次传递杆铰接，所述位移二次传递杆于楼层结构中跨层布置，所述位移二次传递杆伸入螺母内；所述滚珠丝杆机构用于产生非线性惯容力，并实现竖向位移到水平位移的二次放大；

6、所述齿轮齿条机构包括惯性齿轮和平动杆，所述惯性齿轮与螺母刚接同轴转动，所述平动杆与惯性齿轮啮合，所述螺母旋转时带动惯性齿轮旋转，进而驱动平动杆做水平直线运动。

7、进一步地，所述位移一次传递杆的一端与结构楼板固接，另一端与旋转杠杆铰接，所述旋转杠杆的一端与结构楼板铰接，另一端与连接杆铰接。

8、进一步地，所述位移放大杠杆机构通过驱动机构与滚珠丝杆机构连接，所述驱动机构包括旋转飞轮和位移二次传递杆，所述旋转飞轮的中心与位移二次传递杆和连接杆的铰接点连接，所述旋转飞轮相对于位移二次传递杆的平动自由度约束、旋转自由度不约束，相对于连接杆的所有自由度均约束；所述旋转飞轮用于产生竖向变形相关的非线性惯性质量和惯容控制力。

9、进一步地，所述旋转飞轮的中心设置有转轴，该转轴与位移二次传递杆的铰接点铰接，与连接杆的铰接点固接。

10、进一步地，所述位移一次传递杆和位移二次传递杆从导向筒内穿过，位移传递杆的水平自由度约束、竖向自由运动，所述导向筒与结构楼板固接；所述导向筒用于保证位移放大杠杆机构和滚珠丝杆机构中用于传递竖向位移的刚性杆在工作过程中始终保持垂直。

11、进一步地，所述位移二次传递杆的一端远离伸入螺母内的部分表面光滑，另一端靠近伸入螺母内的部分表面布置有螺纹；

12、所述平动杆的一端远离与惯性齿轮啮合点的部分表面光滑，另一端靠近与惯性齿轮啮合点的部分表面布置有齿。

13、进一步地，所述螺母从约束环内穿过，所述螺母相对于约束环的平动自由度约束、转动自由度不约束，所述约束环与结构楼板固接；

14、所述约束环包括一对止推轴承以及刚性外套筒，所述螺母的外表面设置有台阶，该台阶被约束于止推轴承的中间，所述止推轴承用于保证螺母在工作过程中不发生竖向位移，仅能够发生转动，所述止推轴承被刚性外套筒包裹，所述刚性外套筒用于约束止推轴承和螺母的水平位移和竖向位移。

15、作为优选的技术方案，所述止推轴承上下排列，所述刚性外套筒与结构楼板刚接。

16、进一步地，所述平动杆旁设置有限位块，该限位块布置于平动杆与惯性齿轮的啮合点处，所述平动杆的竖向自由度约束、水平自由运动，所述限位块与结构楼板固接；所述限位块用于保证齿轮齿条机构中用于传递水平位移的刚性杆在工作过程中始终保持水平，而不会让平动杆与惯性齿轮脱开。

17、进一步地，所述调谐阻尼机构包括耗能装置和调谐弹簧，所述耗能装置与调谐弹簧并联，所述耗能装置和调谐弹簧的一端与结构侧壁固接，另一端与平动杆固接；所述耗能装置用于附加基于竖向变形非线性放大的增效阻尼并耗散中/高/超高层结构竖向模态振动能量；所述调谐弹簧与耗能装置协同工作，基于调谐弹簧的调谐作用实现对结构竖向变形模态的精准控制。

18、进一步地，所述耗能装置包括粘弹性阻尼器或金属剪切板。

19、作为优选的技术方案，所述系统安装于结构的顶部或中间楼层。

20、作为优选的技术方案，所述系统沿结构高度的安装数量按需布置。

21、作为优选的技术方案，所述系统跨层的层数为3-5层。

22、作为优选的技术方案，所述约束环、螺母、惯性齿轮、平动杆、耗能装置、限位块和调谐弹簧设置于旋转杠杆上部的楼层。

23、本发明的技术方案之一在于，提供一种所述的几何非线性增益的竖向跨层调谐惯容阻尼系统的使用方法，该方法包括以下步骤：

24、系统在工作时，结构产生变形，所述位移一次传递杆产生竖向位移，驱动旋转杠杆旋转，利用杠杆原理将位移一次传递杆产生的竖向位移放大为位移二次传递杆的竖向位移，竖向位移的放大效率取决于旋转杠杆的长度以及位移一次传递杆相对于旋转杠杆的位置；

25、所述位移一次传递杆和位移二次传递杆的运动方向通过导向筒保证垂直；

26、此时，所述连接杆相对于位移二次传递杆的转动，能够驱动旋转飞轮旋转，产生非线性惯容力；

27、所述位移二次传递杆的向下运动将通过滚珠丝杆机构转化为螺母以及惯性齿轮的旋转运动；

28、所述螺母以及惯性齿轮与结构之间的平动自由度通过约束环来约束；

29、此时，所述螺母以及惯性齿轮的旋转运动将产生非线性的惯容力，同时将位移二次传递杆的竖向位移转向并放大为平动杆的水平运动，水平运动的方向由位移二次传递杆靠近螺母一端的螺纹方向确定，放大效率由位移二次传递杆靠近螺母一端的螺纹螺距以及惯性齿轮的半径确定；

30、所述平动杆的水平运动将驱动耗能装置与调谐弹簧，产生阻尼效应帮助耗散能量，同时通过调谐弹簧实现调谐作用；

31、所述平动杆相对于耗能装置和调谐弹簧的结合体的运动方向由惯性齿轮和限位块约束，以保证平动杆的运动方向与耗能装置和调谐弹簧的结合体的运动方向在一条直线上。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、(1)本发明能够针对性地解决以弯曲型或弯剪型变形模式为主的中/高/超高层结构减震(振)控制中几何非线性变形难以控制和利用的难题，将中/高/超高层结构振动过程中的竖向变形通过位移传递连杆-放大杠杆非线性机构进行非线性地传递和放大，进而驱动非线性机构内节点惯容器和阻尼器运行；同时，跨层布置本发明能够精确地利用弯曲变形和弯剪变形结构竖向变形模态及其几何非线性的增益(对竖向变形的放大)，有效地引入针对弯曲模态的非线性惯性质量放大、阻尼增效以及模态调谐精准控制，显著提升系统的控制效率；

34、(2)本发明能够利用位移放大杠杆机构在工作时的非线性传动原理，驱动机构中的旋转飞轮产生非线性惯容行为；同时驱动机构中的位移二次传递刚性杆产生非线性竖向位移，进而驱动滚珠丝杆机构产生非线性惯容行为，为结构的振动控制提供非线性惯性力；同时，系统中的多级非线性惯容行为所产生的多级调谐作用有利于实现中/高/超高层结构的多阶模态精准调谐；

35、(3)本发明通过滚珠丝杆机构的力学传动原理，能够将位移二次传递刚性杆传递至螺母的非线性竖向位移二次放大，并转向为耗能装置以及调谐弹簧的非线性水平位移；本发明能够放大中/高/超高层的竖向变形，进而增益系统中耗能与调谐装置的控制性能，有利于实现增效的调谐-阻尼协同作用，在利用调谐弹簧实现结构竖向变形模态的精准控制之外，还能够驱动耗能装置运作以耗散地震能量，且这种放大效应能够显著提高装置的能量耗散效率；

36、(4)在本发明中，以位移放大杠杆机构以及滚珠丝杆机构为关键连接机构，增益结构的几何非线性，促进系统中的非线性惯容子单元、耗能子单元以及调谐子单元的高效协同工作。