CN100552155C - 调速型调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
调速型调谐质量阻尼器属于抗震减灾领域。现有TMD存在启动慢、在频率失调情况下控制效果差的问题。本发明技术路线是:通过给TMD质量块冲量,使TMD迅速达到需要的运动幅度,提高其对冲击型荷载的控制效果;利用磁流变阻尼器可以锁紧TMD与主体结构的功能,调节TMD和结构的相位关系,减少频率失调带来的控制效果的降低。本发明在冲击型荷载作用和TMD失调情况下的控制效果明显好于传统被动TMD;不存在大震时主动控制难以解决的能量问题。本发明易于实现,成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种调速型调谐质量阻尼器,主要用于高耸结构、桥梁塔架等的抗震减灾领域。
背景技术
自1972年美国学者Yao提出结构控制概念以来,结构振动控制的研究得到了快速发展,在众多的控制装置中,调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)安装时不需要修改结构设计,一般可以直接安装在结构的顶层,因为灵活方便,成本低,应用比较广泛。
目前,理论和实验研究普遍认为TMD能有效地减轻高耸结构的风振,但不少研究表明TMD对地震等冲击荷载的控制效果十分有限。主要原因有:(1)地震等冲击型载荷通常在很短时间内达到峰值,而TMD在充分发挥作用之前需要较长的时间来得到一定的速度和位移,导致TMD的减震效果滞后(2)大震作用下结构动力特性会因屈服发生变化,导致TMD失调。
主动调谐质量阻尼器(ATMD)引入外部能量使TMD质量块获得加速度,产生合适的惯性力,从而提高减震效果。ATMD优于被动TMD,但需要可靠的大功率外部能源供给,操作维护昂贵,对常用的控制律,时滞也很敏感。又由于控制力、作动器行程等方面的限制,ATMD多数是用来减小风振和中等程度的地震。
根据TMD的工作原理,TMD对结构的控制力等于其惯性力,而惯性力与恢复力、阻尼力之和大小相等,方向相反。当阻尼不大时,阻尼力与恢复力相比很小,那么控制力与TMD的恢复力方向大致相反。如果TMD的相位能始终保持落后主体结构90度,那么TMD对结构的控制力就始终是阻力,抑制主体结构振动;另外,控制力与TMD的相对位移成正比,只有TMD的运动达到一定的幅度,才能保证给主体结构足够大的控制力。
考虑到被动TMD地震控制效果不好,而ATMD又受到能量、控制力和行程的限制,本发明从被动TMD的工作原理出发,提出调速型TMD,通过在适当时候给TMD适当的冲量,调整TMD的速度,使其在较短时间内达到需要的运动幅值,在一定程度上解决了TMD在地震作用下启动慢的问题,并且可以保持TMD和主体结构的最优相位关系,从而减少了TMD因频率失调带来的不利影响。
现有TMD存在启动慢、在频率失调情况下控制效果差的问题。
发明内容
为了克服上述问题,本发明目的是提供一种调速型TMD,其基本技术路线是:通过给TMD质量块冲量,使TMD迅速达到需要的运动幅度,提高其对冲击型荷载的控制效果;利用磁流变阻尼器可以锁紧TMD与主体结构的功能,调节TMD和结构的相位关系,减少频率失调带来的控制效果的降低。
本发明提供了一种调速型调谐质量阻尼器,包括质量块2、2个TMD弹簧3、滚动支承4和2个阻尼器,质量块2通过滚动支承4连接结构楼板1;每个TMD弹簧3一端连接TMD质量块2,另一端连接结构楼板1或与结构楼板1固结的刚性支架5,每个阻尼器一端连接质量块2;其特征在于:
所述的阻尼器为磁流变阻尼器8;所述的每个磁流变阻尼器8另一端连接一个冲量发生装置;所述的2个冲量发生装置对称布置;
所述的冲量发生装置由水平主电磁铁和水平主弹簧10组成,主电磁铁包括主电磁铁线圈6和主电磁铁衔铁9,主电磁铁线圈6安装在刚性支架5上,主电磁铁衔铁9通过衔铁滚动支承15连接结构楼板1;水平主弹簧10放置在主电磁铁线圈6和主电磁铁衔铁9之间,主弹簧10一端与刚性支架5相连,另一端与主电磁铁衔铁9接触但不连接。
磁流变阻尼器8具有离合功能,磁流变液在零磁场时类似于粘滞液体,只提供较小的阻尼力,不阻止磁流变阻尼器8两端的相对运动,称为‘离’状态;磁场突然增大时,磁流变液瞬间变成屈服力很大的半固体,阻止了磁流变阻尼器两端的相对运动,称为‘合’状态。另外,磁流变阻尼器的响应时间只有几毫秒,满足瞬间离合的要求。
TMD正常运行时,主电磁铁处于吸合状态,主弹簧10处于压缩状态,磁流变阻尼器8处于“离”状态。需要提供冲量时,线圈6断电,电磁铁吸力瞬间消失,同时磁流变阻尼器8瞬间“合”上,主弹簧10强大的恢复力通过衔铁9和磁流变阻尼器8传给TMD质量;很短的时间(如0.02秒)后,磁流变阻尼器回到“离”状态,电磁铁恢复吸合状态,弹簧被再次压缩。弹簧从释放到再次被压缩时间很短,也就是说冲量发生装置作用在TMD上的力很大但持续时间很短,相当于给TMD质量块一个冲量,可以增加其速度。当TMD速度为零时,判断TMD和主体结构的相位关系,如果相位关系最优,则不做任何处理,反之,磁流变阻尼器8“合”上,锁定TMD于主体结构之上,等待相位关系达到最优时,再释放质量块。
为了提高冲量发生装置的可靠性,还可增加与主电磁铁方向垂直的辅助电磁铁,辅助电磁铁包括辅助电磁铁线圈7和辅助电磁铁衔铁12,辅助电磁铁线圈7安装在刚性支架5上,辅助弹簧13放置在辅助电磁铁线圈7和辅助电磁铁衔铁12之间,两端分别连接刚性支架5和辅助电磁铁衔铁12;上楔形块14上表面与衔铁12固结,下表面为斜面,下楔形块11的下表面与衔铁9固结,上表面为斜面,下楔形块11的斜面和上楔形块14的斜面倾斜角度相等,两斜面无摩擦接触。
释放弹簧10后,如果衔铁9位移较大,与线圈6的距离较远,产生的吸引力不足以克服弹簧的推力,这时可以切断辅助电磁铁线圈7的电流,辅助电磁铁吸引力消失,衔铁12和上楔形块14在弹簧13恢复力的作用下向下运动,推动下楔形块11带动衔铁9朝压缩弹簧10的方向运动。当衔铁9与线圈6距离足够近,就可以依靠主电磁铁的吸引力把弹簧压缩回原位了,同时弹簧13再次被压缩,辅助电磁铁恢复吸合状态。为了顺利将弹簧13压回原位,衔铁12的向下位移不能太大。
目前,常见的直线型磁流变阻尼器行程不是很大,可以将磁流变阻尼器串联使用,以增大行程。或者也可以采用旋转型磁流变阻尼器,并用齿轮、齿条机构将转动转化为平动,将旋转型磁流变阻尼器17的外壳直接做成齿轮状,齿条与TMD质量块2固结,如附图3。
调速TMD的调速策略是根据被动TMD的基本工作原理制订的。一般TMD的特点是:如果其相位能始终保持落后主体结构90度,那么它对结构的控制力就始终是阻力,抑制主体结构振动,也就是说,TMD与结构的最优相位关系是-90度;另外,TMD的控制力大小与其相对位移成正比,只有TMD达到一定的运动幅度,才能保证给主体结构足够大的控制力。依据以上TMD的工作原理,调速总目标定为:尽量保持TMD相位落后主体结构90度,同时保证TMD有合适的运动幅值。
本发明与被动TMD以及传统AMD/ATMD相比有如下优点:
(1)结构遭遇地震等冲击性荷载时,调速型TMD可以迅速启动并发挥其控制作用。被动TMD一般需要一定的时间才能达到足以发挥作用的速度和位移,如果在这段时间里地震作用最为强烈,控制效果就会变得很差。
(2)当主体结构动力特性或者激励频率在被控时间段内有所变化时,传统TMD会由于频率失调而没有或者只有很小的控制效果。而调速型TMD可以通过调整TMD与主体结构的相位关系,保持较好的控制效果。
(3)调速型TMD可以避免大震时AMD/ATMD因为作动器行程限制导致的控制效果的降低。数值研究表明,大震时要想达到理想的控制效果,AMD的行程在±1m甚至更长,而大多数作动器难以达到如此大的行程,从而导致AMD控制效果降低,甚至失效。实际工程中也多用AMD控制结构在风振或中小地震下的响应。而本专利提出的调速装置只给TMD施加冲量,无需作动器,对TMD的行程没有附加的限制。
(4)调速型TMD与AMD/ATMD相比所需能量很小,这是因为调速装置中的电磁装置和磁流变阻尼器所需能量都很小。而AMD/ATMD需要很大的能量,一旦电力中断,就无法工作。事实上,地震时断电是很普遍的事情。
本发明在冲击型荷载作用和TMD失调情况下的控制效果明显好于传统被动TMD;又由于所需能量很少,不存在大震时主动控制难以解决的能量问题。本发明思路清晰,原理和算法简单,技术、装置易于实现,成本低,具有很好的理论研究和应用价值。
附图说明
图1表示本发明调速型TMD的构造图
图2表示本发明增加了辅助电磁铁的调速型TMD的构造图
图3表示本发明采用旋转型磁流变阻尼器和齿轮、齿条机构的局部示意图
图4表示本发明控制效果和被动TMD对比图
图中1.结构楼板 2.TMD质量块 3.TMD弹簧4.滚动支承 5.刚性支架 6.主电磁铁线圈 7.辅助电磁铁线圈 8.直线型磁流变阻尼器 9.主电磁铁衔铁10.主弹簧 11.下楔形块 12.辅助电磁铁衔铁13.辅助弹簧 14.上楔形块 15.衔铁滚动支承16.齿条 17.旋转型磁流变阻尼器
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明实施方法作进一步说明:
为了验证本发明提出的调速型TMD的控制效果,以单自由度结构的地震响应控制为例,分析比较了调速型TMD与被动TMD的控制效果。结构与TMD的参数选取如下:结构质量430ton,结构刚度为60300KN/m,结构周期为0.53s,结构阻尼比为0.02;TMD质量为4.3ton,TMD弹簧刚度为603KN/m,TMD阻尼比为0.1。TMD质量与结构质量比为0.01,频率比定为1。假设装置每次调速能提供的最大速度增量是1m/s。对于4.3ton的TMD,所需要的冲量为4.3KN·s,冲量发生装置主弹簧选用的碟形弹簧,弹簧压缩量为0.1m时,可产生300KN的恢复力,作用0.014s的时间就可达到4.3KN·s的冲量,这里假设在0.014s的时间内,弹簧恢复力大小不变。弹簧10的恢复力要通过磁流变阻尼器8传给TMD质量块2,磁流变阻尼器8必须能够传递300KN的力,哈尔滨工业大学的欧进萍教授制造了最大阻尼力为200KN的磁流变阻尼器,理论上讲,制造更大出力的磁流变阻尼器是没有困难的。当然并联使用两个出力150KN的磁流变阻尼器也可以传递300KN的力。主电磁铁线圈6匝数为10000,电流为3A,衔铁9的磁极面积为0.18m2,根据电磁铁吸力计算公式得出间隙为0.009m的时候,电磁吸力是314KN,而间隙为0.01时,电磁力为254KN。可见,如果采用上述主电磁铁,弹簧10释放后,衔铁9的位移在0.009m之内可以靠主电磁铁的吸引力压缩弹簧10,而衔铁9的位移超过0.009m就得启动辅助电磁铁帮助压缩弹簧10了。这里需要声明一下,冲量发生装置的各种参数选择是针对所选例子的。对于不同的实例,需要对参数进行优选。
地震输入选用El-Centro波(图4中1、4)、澜沧耿马波(图4中2、5)、迁安波(图4中3、6)三条常见的地震波,被动TMD和调速型TMD的控制效果的比较,见附图4。图中第1、2和3三组分别表示结构不屈服的情况下,三种地震波作用下结构绝对加速度的控制效果;第4、5和6组分别表示结构屈服的情况下,三种地震波作用下结构绝对加速度的控制效果。
从图中可以看到结构不屈服时,被动TMD在El-Centro波作用下控制效果最好,原因是在这种情况下结构和TMD频率一致,同时El-Centro波的主频又和结构频率接近,TMD处于近似调谐状态。其它5种情况下,被动TMD的控制效果都只有百分之几,这是由于地震激励主频与结构频率不一致,或者结构屈服引起结构频率变化导致TMD失调。调速型TMD在所有的情况下都比被动TMD的控制效果好,这正是由于它启动迅速和可以调整TMD和结构相位关系这两个特点提高了它对地震作用的控制效果。
Claims (3)
1、一种调速型调谐质量阻尼器,包括质量块(2)、2个TMD弹簧(3)、滚动支承(4)和2个阻尼器,质量块(2)通过滚动支承(4)连接结构楼板(1);每个TMD弹簧(3)一端连接质量块(2),另一端连接结构楼板(1)或与结构楼板(1)固结的刚性支架(5),每个阻尼器一端连接质量块(2);其特征在于:
所述的阻尼器为磁流变阻尼器(8);每个所述的磁流变阻尼器(8)另一端连接一个冲量发生装置;2个所述的冲量发生装置对称布置;
所述的冲量发生装置由水平主电磁铁和水平主弹簧(10)组成,主电磁铁包括主电磁铁线圈(6)和主电磁铁衔铁(9),主电磁铁线圈(6)安装在刚性支架(5)上,主电磁铁衔铁(9)通过衔铁滚动支承(15)连接结构楼板(1);水平主弹簧(10)放置在主电磁铁线圈(6)和主电磁铁衔铁(9)之间,主弹簧(10)一端与刚性支架(5)相连,另一端与主电磁铁衔铁(9)接触但不连接。
2、根据权利要求1所述的调速型调谐质量阻尼器,其特征在于:所述的冲量发生装置还增加与主电磁铁方向垂直的辅助电磁铁,辅助电磁铁包括辅助电磁铁线圈(7)和辅助电磁铁衔铁(12),辅助电磁铁线圈(7)安装在刚性支架(5)上,辅助弹簧(13)放置在辅助电磁铁线圈(7)和辅助电磁铁衔铁(12)之间,两端分别连接刚性支架(5)和辅助电磁铁衔铁(12);上楔形块(14)上表面与辅助电磁铁衔铁(12)固结,下表面为斜面,下楔形块(11)的下表面与主电磁铁衔铁(9)固结,上表面为斜面,下楔形块(11)的斜面和上楔形块(14)的斜面倾斜角度相等,两斜面无摩擦接触。
3、根据权利要求1所述的调速型调谐质量阻尼器,其特征在于:所述磁流变阻尼器(8)采用直线型磁流变阻尼器串联使用,或者采用旋转型磁流变阳尼器。
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