压电俘能型调谐质量减振器属于土木工程结构减振技术领域。其特征在于，沿桥梁长度方向，在桥梁两侧对称布置；含有与桥梁侧壁连接和质量块连接的钢梁；在钢梁上方布置阻尼器，在钢梁下方紧贴布置压电振子，压电振子包括单晶片、并联双晶片和串联双晶片三种。另一种的特征是，沿桥梁长度方向，布置于桥梁正下方，含有：固定在桥梁底板下端的工字型钢架，其下端翼缘承托钢梁；在钢梁上部固定高强弹簧和铰接阻尼器；高强弹簧和铰接阻尼器上方连接钢框，在钢框上放置质量块，在所述质量块和钢框之间放置压电振子。本发明专利技术结构新颖合理，易于加工，使用方便灵活，适用性强，可以有效提高桥梁结构的抗震性能，节约能源，具有广阔的应用前景和推广价值。
【技术实现步骤摘要】
压电俘能型调谐质量减振器(Piezoelectric Energy-harvesting Tuned Mass Damper, PETMD)属于土木工程结构减振
，具体涉及一种桥梁工程中设置于桥身梁板构件上的采能耗能构件，特别是一种具有压电俘能特性的新型调谐质量减振器。
技术介绍
桥梁属于大型、复杂结构。它的静动力特性，包括空间内力计算、稳定、振动、风和地震响应等问题，如果在桥梁的设计当中解决不好，将带来很大的危害。近年来，桥梁的振动问题备受关注如在既有铁路桥梁基础上进行列车提速带来的过度振动、城市轨道高架桥振动带来的城市噪声污染、大跨度桥梁桥塔和拉索的风致振动等问题。桥梁振动控制方法有主动控制和被动控制之分，由于主动控制中有许多问题尚未解决，所以目前的结构工程中一般采用被动控制。被动控制的手段包括改变结构质量、改变结构阻尼、改变结构刚度或输入外力。但由于桥梁强度、变形条件、行车条件的限制，改变桥梁质量、刚度或外力未必总是可能的。调谐质量减振器(TMD)是解决这一难题的方法之一，无需附加太多质量即可增加结构阻尼。TMD是1909年由Frahm专利技术的一种吸振器，它具有经济、方便，抑制窄带振动效果显著的优点，几十年来在机械、土木、航空航天、船舶、化工工程等众多领域获得了广泛应用。其原理是把TMD (包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD子系统一起振动。TMD子系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对结构的震动产生控制作用。从能量的角度来说， TMD子系统振幅远大于结构，因此由激励荷载输入的能量绝大部分由TMD消耗，输入主体结构的能量减小，从而抑制主结构的振动。它用于桥梁结构的优势在于可以耗散桥梁的振动能量而不需与大地连接。另一方面，能源问题是当今最为关注的问题之一。解决能源问题的一个有效途径就是发掘利用环境中潜在的可用能源，如太阳能、温差、振动或噪声等等。太阳能和温差供能技术由于受到自然条件的限制而难以广泛使用，但工作环境中的振动能不仅无处不在， 而且又具有较高的能量密度。由压电材料制成的压电俘能装置可以将建筑结构中的振动能转化为电能输出。近年来，因其具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作、 集成化等诸多优点而备受关注。压电俘能装置需要利用外界振动源使压电材料产生应力应变，而安装在桥梁上的TMD正是这样一种理想的振动源。因此，一种将传统桥梁TMD的减振特性与压电俘能装置的发电特性相整合的新型桥梁调谐质量减振器无疑将拥有广阔的市场前景，同时也有利于绿色建筑的推广和实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用压电材料的压电正转换特性，提供一种应用于桥梁上的， 可以将桥梁振动的机械能转化为电能输出以作为桥梁安全检测设备用电或是部分照明用电的，可以控制桥梁振动的压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)。本专利技术由调谐质量减振装置和压电俘能装置两部分组成。所述调谐质量减振装置分为悬臂式TMD和悬挂式TMD两种。所述压电俘能装置分为d31和d33两种。悬臂式TMD压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)，其特征在于，沿桥梁长度方向， 在桥梁两侧对称布置，含有一端与桥梁侧壁(6)连接的钢梁(1)，所述钢梁⑴另一端连接质量块(3)；在所述钢梁(1)的上方布置阻尼器O)，所述阻尼器O)的一端与桥梁侧壁(6)铰接，另一端与所述质量块C3)铰接；在所述钢梁(1)下方紧贴布置压电振子。所述阻尼器与所述钢梁⑴可以平行布置。所述阻尼器O)与所述桥梁侧壁(6)可以垂直布置。所述压电振子含有一块金属板( 和一片压电材料，所述金属板( 紧贴所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述压电材料(4)紧贴在所述金属板( 下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述金属板(5)引出电源负极，所述压电材料(4)引出电源正极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。所述压电振子含有一块金属板( 和两片压电材料G)，所述其中第一块压电材料(4)紧贴在所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述金属板( 紧贴在所述第一块压电材料(4)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述第二块压电材料(4)紧贴在所述金属板( 下方；其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；将所述第一块和第二块压电材料(4)并联引出作为电源正极，将金属板(5)引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。所述压电振子含有一块金属板(5)和两片压电材料G)，所述其中第一块压电材料(4)紧贴在所述钢梁(1)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接质量块(3)；所述金属板( 紧贴在所述第一块压电材料(4)下方，其一端连接桥梁侧壁(6)，另一端连接所述质量块(3)；所述第二块压电材料(4)紧贴在所述金属板( 下方；其一端连接桥梁侧壁 (6)，另一端连接所述质量块(3)；将所述第一块电材料(4)引出作为电源正极，将所述第二块压电材料⑷引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路；或将所述第二块电材料(4)引出作为电源正极，将所述第一块压电材料(4)引出作为电源负极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。悬挂式为TMD压电俘能型调谐质量减振器(PETMD)，其特征在于，沿桥梁长度方向，布置于桥梁正下方，含有固定在桥梁底板下端的一对工字型钢架(16)，所述工字型钢架(16)的下端翼缘承托钢梁(14)；在所述钢梁(14)上部竖直向固定高强弹簧(15)，所述高强弹簧(15)下端与所述钢梁(14)固结，其上端与钢框(12)固结；在所述钢梁(14)上部还竖直向铰接阻尼器(13)，所述阻尼器(13)的下端与所述钢梁(14)铰接，其上端与所述钢框(1 铰接；所述钢框(1 上放置一个质量块11 ；在所述质量块11和钢框12之间放置压电振子。如权利要求7所述的压电俘能型调谐质量减振器，其特征在于，所述压电振子含有金属板(18)和压电材料(17)，所述金属板(18)敷设于所述钢框(1 的上表面，在所述金属板(18)上表面敷设所述压电材料(17)；所述金属板(18)引出作为电源负极，所述压电材料(17)引出作为电源正极，所述电源正负极连接压电振子能量收集电路。与现有技术相比，本专利技术压电俘能型调谐质量减振器具有如下优点1)拥有一般桥梁TMD的所有优点。把TMD(包括质量块、并联的弹簧和阻尼器)连接到主结构上，通过惯性质量与主结构控制振型谐振将主结构的能量转移到TMD，从而抑制主结构的振动。具有经济、方便的特点，不需附加太多质量而能有效耗散桥梁振动能量，降低桥梁振动。2)与压电俘能装置相整合，在耗散桥梁振动能的同时，将其中一部分机械能通过压电俘能装置收集并转化为电能。转化得到的电能视功率大小可以用于桥梁的夜间照明或是桥梁安全监控当中。这种产能方式绿色无污染，并且不受环境左右，安全稳定。是解决能源问题，有效利用环境能量的有效途径。3)结构简单，安装方便。通过本专利技术中的设计，压电俘能装置依附于TMD的主体结构，压电振子形式简单有效，安装十分方便。能量采集电路和储能元件方便工厂内生产，尺寸小，重量轻，可集成本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．压电俘能型调谐质量减振器，其特征在于，沿桥梁长度方向，在桥梁两侧对称布置，含有：一端与桥梁侧壁（６）连接的钢梁（１），所述钢梁（１）另一端连接质量块（３）；在所述钢梁（１）的上方布置阻尼器（２），所述阻尼器（２）的一端与桥梁侧壁（６）铰接，另一端与所述质量块（３）铰接；在所述钢梁（１）下方紧贴布置压电振子。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：潘鹏，陈浩文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
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