本发明专利技术涉及一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器及其制作方法，属于结构工程抗风、抗震与减震技术领域。包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架、固定在限位墙上的陀螺外支撑轴、依靠电力旋转的陀螺转子、陀螺内支撑轴、能够在水平面上转动的环形框筒、安装在环形框筒底部的万向滚动球铰、固定在结构主体上的限位墙以及提供电力的电机等。本发明专利技术可以改善原结构的动力特性，实现在外部动力作用下能够转移和耗散结构本应该承受的部分动能的功能，实现多维耗能，从而降低原有建筑结构的破坏程度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种控制结构多维振动的陀螺阻尼器及其制作方法，该阻尼器可以在 结构的水平方向及水平面内扭转方向进行调谐耗能减震，属于结构工程的抗震抗风减振技 术领域。
技术介绍
随着土木建筑工程理论及技术水平的不断提高，世界范围内的重大建筑结构向大 型化、复杂化和高耸化发展。结构因此普遍偏柔，在风振及地震等环境因素作用下变形比较 明显，结构的安全性和人员的舒适度受到了严峻的考验。事实证明，结构在风荷载作用下将 产生顺风向的抖振及横风向的涡振、驰振等复杂振动形式。结构在地震作用下既包括水平 两向和竖向的振动，也包括扭转和摇摆振动。因此，建筑结构尤其是高耸结构在飓风或地震 作用下将产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动。开展建筑结构的水平和扭转耦联振 动控制研究，确保结构在自然灾害和使用中的安全性和适用性具有重大的意义。结构振动控制理论的核心目标是利用二次系统或附加系统吸引主体结构的振动 能量从而使主体结构振动反应得到降低。结构振动控制技术为解决传统的抗震结构体系中 存在的问题提供了一条有效途径。然而，目前的减振控制研究大都是将结构简化成平面模 型进行考虑，结构在飓风或地震作用下的反应是多维的，特别是对于非对称结构，不考虑多 维耦合减振控制将导致减振效果大大降低，不能满足实际工程的需要。此外，对于一些具 有特殊形式或构造的结构需要提供占用空间小、减振效果明显的装置才能在实际工程中应 用。因此，开发安装灵活、反应灵敏、具有多维调谐减振效果的阻尼系统具有重要的工程意 义。
技术实现思路
本专利技术提出了一种控制结构多维振动的陀螺阻尼器及其制作方法，本阻尼器具有 多维减振、减振效果明显且可调、布置灵活等特点。在飓风或地震作用下，阻尼器内部的调 谐质量能够转动，定轴陀螺能够提供反向力矩减小结构水平变形，阻尼器整体具有耗散外 部动能的功能，从而保证结构安全。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，该阻尼器包括能够绕建筑结构某一水 平轴转动的陀螺外框架、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架、固定在 限位墙上的陀螺外支撑轴、依靠电力旋转的陀螺转子、陀螺内支撑轴、能够在水平面上转动 的环形框筒、安装在环形框筒底部的万向滚动球铰、固定在结构主体上的限位墙以及提供 电力的电机等。阻尼器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具有内、外两个框架，陀螺内框架(2) 通过转轴固定在陀螺外框架(1)内测，陀螺转子(4)通过陀螺内支撑轴(5)固定在陀螺内 框架(2)内部中间位置，陀螺外框架(1)与陀螺外支撑轴(3)固定连接，使转子自转轴具有两个转动自由度。从而确保陀螺装置在动力作用下以一定的角速度旋转，产生具有抵抗水 平正交两向位移的力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，从而能够抑制 结构产生较大水平位移或偏转。所述环形框筒(6)安装在主体结构内壁(10)与限位墙(8) 之间。环形框筒与固定在结构或环形框筒限位墙的距离为0. 01米至0. 1米，限位墙的高 度为环形框筒高度的0. 65倍以上。确保环形框筒在振动中不发生严重的倾覆或滑移。正常状态下，陀螺转子的旋转轴线保持竖直方向，且保证在两正交水平方向都均 勻对称布置。在环形框筒底部需均勻布置万向滚动球铰，且在同一径向下至少布置两个以 上，保证正常情况下的环形框筒处于水平布置状态。万向滚动球铰与主体结构的接触面上 涂有润滑剂。电机为整体陀螺装置供电，各陀螺转子在运动时以相同的角速度勻速旋转。固定在结构主体上的限位墙具有足够大的刚度，在动力作用下不发生相对于结构 主体的变形。在飓风或地震等动力作用下，阻尼器中的定轴陀螺系统能够提供反向力矩减小结 构水平变形，环形框筒能够转动，提供抑制结构水平扭转的转动惯性矩，从而控制结构多维 动力响应的目的。本专利技术的具体减振原理如下对于二自由度陀螺，当陀螺转子不发生自转且与陀 螺外支撑轴连接的主体结构发生相对转动时，由于陀螺仪框架轴承内摩擦的影响，陀螺内 支撑轴将被带动而改变原来的方位。当陀螺转子以高速绕其自转轴旋转时，绕陀螺外框架 轴(或内框架轴)承受因主体结构发生相对转动而产生的冲击力矩时，陀螺仪的转子轴的 方位没有明显的改变，转子轴只作微小振荡，这就陀螺的稳定现象。可见，二自由度陀螺仪 具有产生抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，即陀螺仪的定 轴性或稳定性。因此，当陀螺的转速足够大时，利用陀螺的定轴性可以控制结构绕竖向轴的 弯曲变形即水平位移，从而避免结构发生破坏。在扭转方向，由于安有万向滚动球铰的环形框筒可以绕结构竖向轴转动，从而形 成与结构扭转运动相反的转动惯性矩而耗散结构动能，也可以适当地减少结构的扭转位 移。本专利技术通过在结构上布置多个可以快速自转的二自由度陀螺，利用其定轴性减小 结构水平位移。同时布置可旋转环形框筒，提供抗扭转动惯性矩，可以减轻结构的扭转位 移。总体上可以改善原结构的动力特性，实现在外部动力作用下能够转移和耗散结构本应 该承受的部分动能的功能，实现多维耗能，从而降低原有建筑结构的破坏程度。与现有技术相比，本专利技术的优点如下1)本专利技术中的二自由度陀螺能够通过高速转动给结构提供力矩，保证结构的水平 位移在限定范围内。陀螺的体积较小，可以采用均勻分散布置的方式。陀螺的转动速度实 时可调，减振效果可控。2)本专利技术中的环形框筒系统可以提供控制扭转的调谐转动惯性矩减少结构的扭 转，从而转移和耗散结构主体的动能，实现了多维减振的功能。3)本专利技术可以根据结构形式灵活调整方案，在不同高度布置。所需空间较小，构造 简单，减震耗能性价比突出。附图说明图1本专利技术沿建筑横截面的剖面示意图；图2本专利技术沿建筑纵截面的剖面示意图；图3本专利技术中单体陀螺三维侧视图。图中1、陀螺外框架，2、陀螺内框架，3、陀螺外支撑轴，4、陀螺转子，5、陀螺内支撑 轴，6、环形框筒，7、万向滚动球铰，8、限位墙，9、电机，10、结构内壁。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明如图1-图3所示，本实施例的应用对象为一高80米的塔式结构，上部横截面为圆 形，平均直径约为20米。本实施例包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架1、能 够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架2、固定在限位墙8上的陀螺外支撑 轴3、依靠电力旋转的陀螺转子4、陀螺内支撑轴5、能够在水平面上转动的环形框筒6、安装 在环形框筒6底部的万向滚动球铰7、固定在结构主体上的限位墙8以及提供电力的电机9 等。所有部件均可以为钢材料或合金材料。阻尼器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具 有外框架1和内框架2两个框架，使陀螺转子具有两个转动自由度。本实施例中，环形框筒6的高度为2米，内半径为7米，外半径为9. 5米。环形框 筒6与环形框筒限位墙8的间距为0. 1米，限位墙8的高度为1. 8米，厚度为0. 5米。确保 环形框筒6在振动中不发生严重的倾覆或滑移。本实施例中，共有8个陀螺，对于每个陀螺，陀螺转子4的直径为0. 8米，厚度为 0. 2米。正常状态下，陀螺转子4的旋转轴线保持在竖直方向，且保证在两正交水平方向都 均勻对称布置。在环形框筒6底部需均勻布置万向滚动球铰7，且在同一径向下并列布置两个，在 圆周均勻布置，共有8组。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架（１）、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架（２）、固定在限位墙（８）上的陀螺外支撑轴（３）、依靠电力旋转的陀螺转子（４）、陀螺内支撑轴（５）、能够在水平面上转动的环形框筒（６）、安装在环形框筒（６）底部的万向滚动球铰（７）、固定在结构主体上的限位墙（８）以及提供电力的电机（９），其中，所述的阻尼器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具有内、外两个框架，陀螺内框架（２）通过转轴固定在陀螺外框架（１）内侧，陀螺转子（４）通过陀螺内支撑轴（５）固定在陀螺内框架（２）内部中间位置，陀螺外框架（１）与陀螺外支撑轴（３）固定连接，从而使转子自转轴具有两个转动自由度，确保陀螺装置在动力作用下以一定的角速度旋转，产生具有抵抗水平正交两向干扰的力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，从而能够抑制结构产生较大水平位移或偏转；所述环形框筒（６）安装在主体结构内壁（１０）与限位墙（８）之间。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：何浩祥，闫维明，郭恩，杨晓森，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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