本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)零剛度阻尼器單胞結(jié)構(gòu)及其阻尼器、阻尼器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，屬于隔振。

背景技術(shù)：

1、為保證結(jié)構(gòu)完整性、安全性、舒適性等要求，需要對(duì)隨機(jī)性外載如風(fēng)、地震引起的響應(yīng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)減輕振動(dòng)的目的。近年來(lái)，隨著全球范圍內(nèi)高層建筑的建設(shè)不斷增加，民用建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制，其中，被動(dòng)控制具有不受外力影響，依靠阻尼器內(nèi)部特定部件和材料的運(yùn)行而產(chǎn)生控制力的優(yōu)點(diǎn)。

2、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究表明，建筑鋼支撐在反復(fù)的動(dòng)態(tài)加載循環(huán)下會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱滯后行為，隨著加載循環(huán)的增加，鋼支撐的強(qiáng)度會(huì)逐漸下降甚至失效，從而限制了其消能能力和延展性。為了克服這一缺陷，可以在鋼支撐中增加吸能系統(tǒng)，例如摩擦阻尼器、金屬阻尼器和粘性阻尼器等，以提高地震能量的吸收能力。然而，每種阻尼器都存在缺點(diǎn)，如速度依賴性、泄漏問(wèn)題、溫度敏感性、疲勞性能劣化等。作為一種線性隔振器，被動(dòng)控制系統(tǒng)的隔振頻率大于固有頻率的倍時(shí)，才能有效地減少振動(dòng)傳遞到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。因此，被動(dòng)控制系統(tǒng)的隔振頻率范圍從固有頻率的倍開始，要擴(kuò)大隔振頻率范圍，就需要降低固有頻率，進(jìn)而需要降低結(jié)構(gòu)的剛度。然而，降低結(jié)構(gòu)剛度會(huì)導(dǎo)致其承載能力降低。

3、近幾十年來(lái)，由于形狀記憶合金、機(jī)械超材料、負(fù)剛度(ns)和準(zhǔn)零剛度(qzs)等智能材料的出現(xiàn)，開發(fā)出了多種非線性隔離方法，以解決線性阻尼器的局限性。例如，負(fù)剛度阻尼器能夠降低由非線性行為引起的結(jié)構(gòu)基本周期，因此應(yīng)用范圍較廣。負(fù)剛度裝置具有非線性的力-位移關(guān)系，可降低系統(tǒng)的剛度，從而降低系統(tǒng)的固有頻率、加速度和不同頻率限制下的振動(dòng)下降，但負(fù)剛度裝置在橫向會(huì)產(chǎn)生負(fù)剛度并允許水平位移，當(dāng)結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致性能下降。研究還表明，單純使用負(fù)剛度的結(jié)構(gòu)不足以承受荷載。為解決這一問(wèn)題，研究人員在負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了正剛度元件，從而開發(fā)出qzs隔離裝置。qzs隔振器可以在更大程度上減少動(dòng)力和擴(kuò)大隔振范圍。然而，目前用于民用建筑結(jié)構(gòu)的qzs隔振器還很有限，而且結(jié)構(gòu)也有待改進(jìn)。

4、例如，公開號(hào)為cn221097319u的專利所提供的準(zhǔn)零剛度隔振器組件、三向隔振裝置及機(jī)載光學(xué)設(shè)備，采用特殊的高分子材料作為準(zhǔn)零剛度隔振器材料的隔振器，該種準(zhǔn)零剛度結(jié)構(gòu)基于曲梁的負(fù)剛度和正剛度的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零剛度特性，存在曲梁在外載荷作用下會(huì)發(fā)生大變形的問(wèn)題，因此對(duì)材料選擇的限制較大，使得結(jié)構(gòu)在承載能力上不具備優(yōu)勢(shì)，在特殊場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用。

5、公開號(hào)為cn109737168a的專利申請(qǐng)所提供的準(zhǔn)零剛度隔振器，主要由一個(gè)負(fù)剛度機(jī)構(gòu)和一個(gè)承載重物的正剛度彈簧并聯(lián)組成，能使系統(tǒng)的動(dòng)剛度接近于零，具有準(zhǔn)零剛度特性。但該準(zhǔn)零剛度隔振器由交叉臂結(jié)構(gòu)、拉伸彈簧、t型滑板、支撐板、連接塊與導(dǎo)軌等構(gòu)件組成，需要對(duì)各種構(gòu)件進(jìn)行組裝，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且空間占用率較大，不易運(yùn)輸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，提供了一種準(zhǔn)零剛度阻尼器單胞結(jié)構(gòu)及其阻尼器、阻尼器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，具有形式簡(jiǎn)單、方便生產(chǎn)加工、易于運(yùn)輸后快速組裝、受材料限制小、具備更高的承載能力的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明通過(guò)采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種準(zhǔn)零剛度阻尼器單胞結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)間隔設(shè)置的支撐板，兩個(gè)支撐板均自其第一端向第二端延伸，兩個(gè)支撐板的第一端共同固定在基座上；

4、在兩個(gè)支撐板之間設(shè)置有拱形件和滑動(dòng)桿，所述滑動(dòng)桿的軸向與支撐板的延伸方向相同，所述拱形件由其第一端和第二端之間的部分拱起形成，拱形件第一端與第二端之間的直線連線與滑動(dòng)桿的軸向平行，拱形件的第一端固定在基座上、第二端與滑動(dòng)桿的第一端平滑連接，滑動(dòng)桿的第二端從兩個(gè)支撐板之間延伸穿出；

5、所述滑動(dòng)桿的中部通過(guò)若干個(gè)交叉桿件與兩個(gè)支撐板連接，每個(gè)交叉桿件包括兩根連桿，兩根連桿的第一端相互交叉且交叉部位通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸樞轉(zhuǎn)連接，兩根連桿的第二端分別與兩個(gè)支撐板通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸樞轉(zhuǎn)連接，第一轉(zhuǎn)軸和第二轉(zhuǎn)軸的軸向與滑動(dòng)桿的軸向垂直，各交叉桿件的交叉角方向相同；

6、在其中一具體實(shí)施方式中，本發(fā)明提供的準(zhǔn)零剛度阻尼器單胞結(jié)構(gòu)，還包括滑動(dòng)導(dǎo)軌，所述滑動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)置在兩個(gè)支撐板之間且固定在基座上，滑動(dòng)導(dǎo)軌上形成有對(duì)滑動(dòng)桿滑動(dòng)方向進(jìn)行約束的滑道。

7、具體的，所述滑動(dòng)導(dǎo)軌包括兩個(gè)間隔設(shè)置的第一限位板，第一限位板與支撐板同向延伸，兩個(gè)第一限位板之間連接有第二限位板，第一限位板和第二限位板圍出滑道，第二限位板的尺寸小于滑道長(zhǎng)度以便在滑動(dòng)導(dǎo)軌上形成供拱形件向外拱起的缺口。

8、進(jìn)一步的，所述支撐板、第一限位板及基座三者一體成型。

9、另一方面，本發(fā)明還提供了一種阻尼器，包括所述的單胞結(jié)構(gòu)，兩個(gè)單胞結(jié)構(gòu)中滑動(dòng)桿的軸向互相平行且滑動(dòng)桿的第二端相互對(duì)接，阻尼器中交叉桿件的交叉角方向均相同。

10、所述阻尼器的準(zhǔn)零剛度特性調(diào)控方法為：

11、(1)設(shè)支撐板的剛度為kf，剛性連桿長(zhǎng)度為，拱形件的垂直線性剛度為ks，力f沿滑動(dòng)桿的軸向施加在滑動(dòng)桿的第二端；

12、(2)當(dāng)h＝0時(shí)，剛性連桿為斜形，支撐板為垂直形，阻尼器處于平衡狀態(tài)，支撐板的水平變形△d＝0；當(dāng)力垂直施加時(shí)，滑動(dòng)桿發(fā)生垂直位移x，當(dāng)h＝x時(shí)，支撐板發(fā)生最大變形d；在該轉(zhuǎn)變過(guò)程中，支撐板在垂直軸上產(chǎn)生負(fù)剛度力，其變形量為

13、(3)根據(jù)平行彈簧定理，拱形件及支撐板的各個(gè)平行剛度產(chǎn)生的力之和為

14、f＝2fs+2ffkf?tan(θ)?(7)

15、式中fs＝ks(h-x)為拱形件產(chǎn)生的力，ff＝kf(△d-d)為垂直支撐板的負(fù)剛度力，θ為剛性連桿與水平軸之間的夾角，和kf＝12ei(l1+l2)/(3l1+4l2)分別為拱形件和支撐板的剛度；結(jié)合△d，得到豎向力f為

16、

17、(4)進(jìn)行參數(shù)無(wú)量綱化：

18、

19、式中fqzs(x)為無(wú)量綱恢復(fù)力，x為無(wú)量綱垂直位移，γ為幾何參數(shù)，α為垂直支撐板剛度與拱形件剛度之比；

20、無(wú)量綱力-位移曲線關(guān)系和無(wú)量綱非線性剛度kx分別為

21、

22、

23、(5)為獲得無(wú)量綱非線性剛度，設(shè)x＝0，幾何參數(shù)和之間的關(guān)系為：

24、ko＝2-2αγ＝0?(12)

25、在滿足式(6)時(shí)在力-位移曲線中間段出現(xiàn)剛度近似于0的情況，表現(xiàn)出準(zhǔn)零剛度特性。

26、進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的阻尼器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，所述阻尼器安裝在方形的框架上，兩個(gè)單胞結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)桿軸向沿框架的對(duì)角線方向設(shè)置，兩個(gè)單胞結(jié)構(gòu)的基座分別固定在該對(duì)角線兩端的框架頂角上。

27、本技術(shù)的有益效果包括但不限于：

28、本發(fā)明提供的準(zhǔn)零剛度阻尼器單胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)單胞結(jié)構(gòu)由兩側(cè)支撐板、拱形件、滑動(dòng)桿和交叉桿件組成，通過(guò)交叉桿件將滑動(dòng)桿與兩側(cè)支撐板連接的結(jié)構(gòu)件提供負(fù)剛度特性，通過(guò)拱形件提供正剛度特性，如此將正剛度和負(fù)剛度相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零剛度特性。

29、本發(fā)明提供的阻尼器包括兩個(gè)非對(duì)稱設(shè)置的單胞結(jié)構(gòu)，兩個(gè)單胞結(jié)構(gòu)共同提供雙向?qū)ΨQ性能，并通過(guò)屈服變形機(jī)制耗散能量，在拉伸和壓縮載荷條件下都能產(chǎn)生穩(wěn)定的滯回，以消耗外部載荷帶來(lái)的能量，具有較好的抗震性能，利于在新建筑和現(xiàn)有建筑中作為吸收能量的結(jié)構(gòu)使用，可以大大提高支撐框架結(jié)構(gòu)的性能。

30、本發(fā)明中各結(jié)構(gòu)的形式簡(jiǎn)單，方便生產(chǎn)加工，提供正剛度特性的拱形件體積小，易于運(yùn)輸后快速組裝，能提高工作效率；阻尼器受材料限制小，各結(jié)構(gòu)可采用鋼材料制成，具備更高的承載能力，更適合在實(shí)際工程中應(yīng)用?；瑒?dòng)桿和拱形件之間的位置關(guān)系及連接方式能夠充分利用支撐板之間的空間，使阻尼器結(jié)構(gòu)更加緊湊。

31、本發(fā)明提供的阻尼器的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)犧牲阻尼器來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)的基本部件免受變形和倒塌，阻尼器安裝在框架的對(duì)角線方向上能夠同時(shí)抵抗沿豎直方向施加在框架頂梁和沿水平方向施加在框架豎梁上的力。