一种关于人行天桥减振的颗粒阻尼器

一种 关于人行天桥减振的颗粒阻尼器

丁凯璇

长安大学建筑工程学院， 陕西省西安市， 710000

摘要：伴随着我国现代化的进程和城市的发展，人行天桥的建设需求也日益增长，呈现出复杂化超大化等特点，人们对人行天桥的使用年限，结构形式和功能提出更多更苛刻的要求，根据我国对人行天条的设计规范，对人行天桥振动时的一阶频率做出规定竖向振动频率不得小于3赫兹，行人正常步行频率为2.5赫兹左右，两者比较接近，容易导致产生共振，所以人行天桥的减振显得固然重要，也由此诞生了用于人行天桥的颗粒阻尼器。

关键词：人行天桥，TMD减振，颗粒阻尼器

引言：随着人行天桥的增多，人行天桥因共振而坍塌的事例也时有发生，人们对人行天桥的安全性也日益关注，因此人行天桥的减振越来越被看重。对于土木工程抗震领域包括人行天桥的减振，采用的阻尼器往往是TMD减振，来消耗能量，达到减振的作用。但是TMD减振存在诸多问题比如价额昂贵，安装不方便，施工困难能量转化吸收率低，减振频率范围小等问题和缺陷。

颗粒阻尼器是一种新型的被动阻尼器，具有能量转化率高,安装简便，造价低，可靠度高，耐久性好等优点。但是在土木工程领域如人行天桥等方面，颗粒阻尼器应用较少，研制和开发简实用的新型颗粒阻尼装置已成为必然趋势^[1]。

为克服现有阻尼器的缺点，寻找到减振效果更好的阻尼器，本发明^[2]将空气弹簧与记忆金属弹簧相结合，提出一种具有联动机制，相互作用相互反馈的阻尼器，利用粘滞液体和颗粒阻尼有效增强减振效果，并且此记忆金属空气弹簧颗粒阻尼器施工方便，造价低，能量转化率高，使用范围广。

为了简单清晰地阐述本发明所包含的技术方案，将从竖向剖面图进行阐述，但不仅仅局限竖向剖面图，相信对于本领域的学习工作者可以轻松了解到其他剖面图像，并了解其作用机理。

图一

参考图一，本发明提供了一种记忆金属和空气弹簧颗粒阻尼器，包括：图示1为套筒、图示2为内部有夹层的空气弹簧（夹层内含有粘滞液体及颗粒阻尼）、图示3为内部为中空记忆弹簧（中空腔内含有粘滞液体及颗粒阻尼）、图示4位竖直方向的活塞杆、图示5为粘滞阻尼液体，图示6为颗粒阻尼。其中，如上述内容空气弹簧2的夹层内和记忆弹簧3的中空腔内填充为粘滞液体5和颗粒阻尼6，上述记忆弹簧3位于套筒1的上部，上述空气弹簧2位于套筒1的底部，空气弹簧2位于记忆弹簧3下部，中间用金属板7隔开，记忆弹簧3与空气弹簧2连接，且记忆弹簧3的中空腔31与空气弹簧2的夹层21连通，内部含有粘滞液体5和颗粒阻尼6。上述竖直活塞杆4的一端由套筒1的上端伸入上述套筒1内，并与上述中空记忆弹簧3固定连接。

作用机理：当受到竖直振动时，活塞杆竖直振动带动记忆金属弹簧竖直振动，将记忆金属内粘滞液体压缩进空气弹簧中，并使空气弹簧产生压缩，空气弹簧产生向上推力，消耗能量，形成一个往复运动的循环。振动时内部颗粒阻尼相互碰撞，消耗能量。记忆金属弹簧和空气弹簧两者相互连接可以相互反馈，此外记忆金属弹簧与空气弹簧都为中空结构，内部粘滞液体与颗粒阻尼均可达到减振效果。

此外，关于此颗粒阻尼器改进有以下措施：

1. 在颗粒阻尼器中使用表面含凹陷颗粒。

优点有：颗粒单元为表面有均匀且密集的凹陷球体，颗粒材料为金属，凹陷增多增加了颗粒之间碰撞面积，扩大碰撞范围及方向，提高吸能率，。

2．将磁流变阻尼与颗粒阻尼器结合。

优点有：利用磁流变体的性能虽磁场改变而改变的特性，通过改变输入电压或电流，引起磁场变化，来带动颗粒阻尼器中金属颗粒的振动，达到减振的效果，提高能量转化率获得最佳减振效果。

3.用切割磁感线和含颗粒阻尼的弹簧来达到减振效果的新型阻尼器。

优点有：弹簧内部含有颗粒阻尼器，在减振过程中，弹簧和颗粒阻尼的碰撞以及弹簧自身的减振达到双重减振的效果，此外在弹簧两侧附加不同的永磁体，弹簧振动过程中切割磁感线，达到三重减震效果。

4.考虑将SMA记忆金属与颗粒阻尼器相结合。

优点有：SMA记忆合金的使用可通过控制温度来达到减振效果，可通过压电片将力信号转化为电信号控制温度，使SMA记忆合金因温度变化产生形变，带动颗粒阻尼器振动，提高颗粒阻尼器减振效果，来达到最佳减振效果，动能消化完后，SMA记忆合金可自行恢复至原状态。

结论：

通过改进颗粒阻尼器的结构形式，提高颗粒阻尼器的减振效果，大幅提高颗粒阻尼的能量转化，相比较于人行天桥传统TMD减振，优化了各项性能，还可应用于其他结构减振，比如高层建筑结构，大跨度结构，桥梁结构等其他土木工程抗震结构。

参考文献：

[1]闫维明 黄韵文 何浩祥 王瑾. 颗粒阻尼技术及其在土木工程中的应用展望[J]. 世界地震工程, 2010.

[2]傅博，武雅琳，吕熠城，杨宇航，丁凯璇，秦宇晓. 一种记忆金属空气弹簧颗粒阻尼器[P]. （申请号：ZL 202010405358.8）

【基金项目】本文系长安大学2019年度大学生创新创业训练计划项目，项目编号：S201910170226

作者简介:丁凯璇，男，出生年月：2000.05，学历：本科，长安大学建筑工程学院，土木工程方向。