一种基于颗粒质量阻尼的屋顶花园减振消能装置

1.本发明属于土木结构振动控制领域，具体涉及一种基于颗粒质量阻尼的屋顶花园减振消能装置。


背景技术：

2.随着人们生活水平的提高，人们对工作和居住环境提出了更高的要求，使得增加城市绿化面积，改善日趋恶化的生存环境的工作成为急待解决的问题。当今，城市建筑朝着多层、高层和高密度发展，城市绿地面积逐年被无偿还的占用。为了开拓城市绿化空间，很多大中城市都新建了大型的公园等，但总的来说，水平方向的发展已不能满足需要。因此在新建和改建的旧建筑物上开辟园林绿化场地，建造屋顶花园，是增加城市绿地面积的有效途径。若能发掘屋顶花园的消能减震功能，把绿化环境和减震减灾统一起来。这样既解决了城市绿化问题，又达到了减轻城市地震灾害的目标。
3.例如，专利cn108476805a公开了一种与屋顶绿化技术结合的建筑减振消能装置，在金属外盒(10)内从上至下依次设置植被层(1)、种植基层(2)、蓄水层(3)、第一滤网(6)、过滤层(4)、第二滤网(7)、排水层(5)，其中排水层(5)内包括若干个固体颗粒(9)和该层上部的排水口(8)。
4.颗粒阻尼器是由传统的冲击阻尼器发展演变而来的一种被动控制技术，其在机械和航空航天领域已经得到较为深入的研究和应用。颗粒阻尼是一种附加质量式被动阻尼技术，其在振动体中的有限封闭空间内亦或在振动体外的附加腔体内填充一定数量的金属、碳化钨或陶瓷等颗粒，利用颗粒与颗粒之间和颗粒与腔体壁之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量，从而为主体结构提供阻尼，削弱主体结构的响应。它具有概念简单、价格低廉、耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感、宽频带下性能良好等优点，尤其易于用在长期的恶劣环境下(诸如高温、严寒、油污等)，在一些不宜使用粘弹性阻尼结构的场合仍可充分发挥作用，无需专门的维护与更换。
5.然而现阶段颗粒阻尼器也存在一些弊端和不足：(1)颗粒发生碰撞时的噪音较大；(2)传统颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，颗粒碰撞效率低；(3)传统颗粒阻尼器工作时，能量耗散机制较为单一；(4)能量耗散大多以热量的方式耗散，未实现能量的回收利用。因此，如何有效增强阻尼效果和提高减振性能，特别是对于屋顶花园的减震控制，具有重大的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决屋顶花园应用传统颗粒阻尼器时颗粒发生碰撞时噪声大、碰撞效率低、能量耗散机制单一以及能量不可回收等问题，而提出一种基于颗粒质量阻尼的屋顶花园减振消能装置。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种基于颗粒质量阻尼的屋顶花园减振消能装置，包括一箱体以及设于所述箱体内的颗粒阻尼单元和粉土阻尼单元，所述粉土阻尼单元活动设于所述颗粒阻尼单元的上
部，所述粉土阻尼单元内的水由其底部流入所述颗粒阻尼单元内；
9.所述的粉土阻尼单元包括粉土阻尼单元腔室，所述粉土阻尼单元腔室内从上往下依次设置植被层、砂质土壤层、粉土层，底部设置滤网；
10.所述粉土阻尼单元腔室及颗粒阻尼单元通过循环管道连接水箱；
11.所述的粉土阻尼单元腔室与所述的管道之间通过耗能弹簧连接。
12.优选地，所述粉土阻尼单元腔室上部设置洒水器，所述洒水器与所述颗粒阻尼单元的颗粒阻尼单元腔室相连通，将所述颗粒阻尼单元腔室内的水喷洒至所述粉土阻尼单元腔室，将水灌溉给植被层、砂质土壤层和粉土层。
13.优选地，所述管道内设置控水阀门及控制器，所述的控制器通过压力传感器探测颗粒阻尼单元腔室中水的压强来控制控水阀门的开关。所述的控水阀门使水能够在整个箱体中实现循环流动，所述的控制器可根据实际情况将水排入或排出水箱，保证水资源的循环利用。
14.优选地，所述管道内设有水轮机，所述的水轮机连接储能器，通过由所述颗粒阻尼单元腔室排出的水进行能量回收，所述储能器储存水轮机产生的电能，且所述的水轮机由控制器来调节转速。
15.优选地，所述的颗粒阻尼单元被挡板分隔成多个颗粒阻尼单元腔室；所述颗粒阻尼单元腔室内设置颗粒球。
16.优选地，所述的挡板与粉土阻尼单元腔室固定连接，能够与粉土阻尼单元腔室一起沿所述箱体内壁移动，且随着挡板的运动能够改变颗粒阻尼单元腔室的体积，更好地带动水和颗粒球运动耗能。
17.优选地，所述的颗粒球的材料为陶瓷、钢材、混凝土、石材中的任意一种，由两种不同尺寸的颗粒球组成，其中大颗粒球直径为小颗粒球直径的1.5-4倍；所述颗粒球体积为颗粒阻尼单元腔室体积的30％-50％。
18.优选地，所述粉土阻尼单元腔室的底部两侧对称设置滤网；所述的滤网分为上下两部分，上部随着粉土阻尼单元腔室一起运动，下部固连在所述箱体，保证粉土阻尼单元腔室中的水完全流入颗粒阻尼单元腔室中。
19.优选地，所述耗能弹簧为非线性弹簧，振动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能。
20.优选地，所述的粉土层与砂质土壤层厚度之比的范围为0.4至0.6之间；所述的滤网的孔径小于0.075mm，保证粉土颗粒不会跟水一起流失；所述植被层、砂质土壤层、粉土层中放置块石。
21.本发明的具体工作原理为，在风/地震作用较小时，颗粒阻尼单元可通过颗粒球与各颗粒阻尼单元腔室内壁、大小颗粒球与颗粒球之间的不断相互碰撞和摩擦和水与颗粒球不断晃荡进行耗能；当风/地震作用加剧时，粉土阻尼单元腔室由耗能弹簧发生形变进行耗能，同时使动粉土阻尼单元腔室的往返运动，且粉土阻尼单元腔室中的砂质土壤和粉土会发生液化，而与布置的块石等固体具有不同的动力特性，故存在相对运动，液化后流动的砂质土壤和粉土对其中的固体有一定的吸附力和粘滞力，这便形成我们熟知的调谐质量阻尼器的模式；而随着粉土阻尼单元腔室与挡板一起运动，挡板会加剧颗粒球的碰撞，与颗粒阻尼单元结合之后便能达到颗粒调谐质量阻尼器的效果。
22.当结构水平振动时，控制器可调节水轮机的转速和控水阀门的开关实现颗粒阻尼单元的刚度变化；利用管道产生的水流带动水轮机回收能量，而回收的能量可供压力传感器、洒水器和控制器使用；箱体中的水可由粉土阻尼单元腔室、颗粒阻尼单元腔室、水箱、管道和洒水器形成闭环回路，充分利用水资源，实现多机制可控耗能和绿色节能的目的。
23.与现有技术相比，本发明的优点如下：
24.1)本发明通过在颗粒阻尼单元内充斥水，不仅能增加装置的耗能，而且可以有效的降低装置作时的噪音。
25.2)本发明可根据风/地震作用的大小，采用不同机制进行耗能；即振动作用较小时，主要由颗粒阻尼单元进行耗能减振，当振动程度较大时，则除上述减震耗能措施之外，粉土阻尼单元和水轮机也参与耗能，实现多重机制耗能，提高减振效果。
26.2)本发明中的控水阀门与管道相连形成回路，使水能够实现循环流动和利用，从而带水轮机进行能量的耗散和回收利用，并将回收的能量供给传感器、洒水器和控制器使用，实现绿色节能。
27.4)本发明不仅能发掘屋顶花园的消能减震功能，而且把绿化环境和减震减灾统一起来，这样既解决了城市绿化问题，又达到了减轻城市地震灾害的目标。
附图说明
28.图1为本发明一种基于颗粒质量阻尼的屋顶花园减振消能装置正立面图；
29.图2为本发明的压力传感器工作原理示意图；
30.图3为本发明的调谐质量阻尼器工作原理示意图；
31.图4为本发明的颗粒调谐质量阻尼器工作原理示意图。
32.图中标号：1为箱体，2为植被层，3为砂质土壤层，4为粉土层，5为耗能弹簧，6为控水阀门，7为水，8为颗粒球，9为水轮机，10为滤网，11为管道，12为控制器，13为洒水器，14为挡板，15为颗粒阻尼单元腔室，16为粉土阻尼单元腔室，17为水箱，18为储能器，19为传感器，20为块石。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
34.一种基于颗粒质量阻尼的屋顶花园减振消能装置，该装置固定于待减震结构的顶部，其结构如图1所示，其包括一箱体1以及活动设于箱体1内的颗粒阻尼单元和粉土阻尼单元，颗粒阻尼单元包括水7和颗粒球8，并被挡板14分隔成多个颗粒阻尼单元腔室15；粉土阻尼单元腔室16与管道11之间通过耗能弹簧5连接。
35.具体地，挡板14与粉土阻尼单元腔室16固定连接，能够与粉土阻尼单元腔室16一起沿箱体1内壁移动，且随着挡板14的运动能够改变颗粒阻尼单元腔室15的体积，更好地带动水7和颗粒球8运动耗能。
36.具体地，颗粒球8的材料为陶瓷、钢材、混凝土、石材中的任意一种，由两种不同尺寸的颗粒球组成，其中大颗粒球直径为小颗粒球直径的1.5-4倍；颗粒球5体积为颗粒阻尼单元腔室15体积的30％-50％。
37.具体地，粉土阻尼单元包括粉土阻尼单元腔室16、植被层2、砂质土壤层3、粉土层4
和滤网10，粉土层4与砂质土壤层3之比的范围为0.4至0.6之间；滤网10的孔径小于0.075mm，保证粉土颗粒不会跟水一起流失；块石20放置于植被层2、砂质土壤层3、粉土层4中。
38.本实施例中两对称设置的滤网10分为上下两部分，上部随着粉土阻尼单元腔室16一起运动，下部固连在箱体1，保证粉土阻尼单元腔室16中的水完全流入颗粒阻尼单元腔室15中。
39.具体地，耗能弹簧5为非线性弹簧，振动时发生非线性长度变化，实现伸缩形变耗能。
40.本实施例中的洒水器13与颗粒阻尼单元腔室15之间通过循环管道11连通，洒水器13可将水7灌溉给植被层2、砂质土壤层3和粉土层4，且在该管道11内设置控水阀门6，使水7能够在整个箱体1中实现循环流动；
41.具体地，控制器12可根据实际情况将水7排入或排出水箱17，保证水资源的循环利用。
42.本实施例中的水轮机9连接储能器18，通过由颗粒阻尼单元腔室15排出的水7进行能量回收，储能器18储存水轮机9产生的电能，且水轮机9由控制器12来调节转速(发电功率)。
43.本实施例中的控制器12通过压力传感器19探测颗粒阻尼单元腔室15中水7的压强来控制控水阀门6的开关，如图2所示。
44.本装置具体工作原理为，在风/地震作用较小时，颗粒阻尼单元可通过颗粒球8与各颗粒阻尼单元腔室内壁15、大小颗粒球8与颗粒球8之间的不断相互碰撞和摩擦和水7与颗粒球8不断晃荡进行耗能；当风/地震作用加剧时，粉土阻尼单元腔室16由耗能弹簧5发生形变进行耗能，同时使动粉土阻尼单元腔室16的往返运动，且粉土阻尼单元腔室16中的砂质土壤3和粉土4会发生液化，而与布置的块石20等固体具有不同的动力特性，故存在相对运动，液化后流动的砂质土壤3和粉土4对其中的固体有一定的吸附力和粘滞力，这便形成我们熟知的调谐质量阻尼器的模式，如图3所示；而随着粉土阻尼单元腔室16与挡板14一起运动，挡板会加剧颗粒球8的碰撞，与颗粒阻尼单元结合之后便能达到颗粒调谐质量阻尼器的效果，如图4所示。
45.当结构水平振动时，控制器12可调节水轮机9的转速和控水阀门6的开关实现颗粒阻尼单元的刚度变化；利用管道11产生的水流带动水轮机9回收能量，而回收的能量可供压力传感器19、洒水器13和控制器12使用；箱体1中的水7可由粉土阻尼单元腔室16、颗粒阻尼单元腔室15、水箱17、管道11和洒水器13形成闭环回路，充分利用水资源，实现多机制可控耗能和绿色节能的目的。
46.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。