CN1013780B - 遏制结构对外部干扰的反应的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遇制结构对外部干扰的反应的方法及其装置。该装置包括限定内部空间的封壳，在封壳内的主重物，连接重物和封壳的弹性构件以及保持在内部空间内的粘性液体。该装置至少有一个固有频率和固有模式，重物根据弹性构件的变形而相对于封壳位移。该方法包括将封壳附着在结构上，将弹性构件夹持在封壳内侧并对重物施加回复力，在封壳内填充粘滞性液体以对重物施加阻尼力。构成振荡系统的各元件的选择应使系统的固有频率与结构的固有频率一致。

Description

本发明涉及一种遏制结构振动的装置和方法。

过去，为使结构抵抗诸如地震、风力和交通等引起的振动载荷，结构已经采用地震设计（seismic    design）来建造以抗地震，地震设计是一种牢固建造结构以抵抗各种载荷的设计原理。但是近年来，一种所谓隔绝地震的概念已经发展起来并在实际中应用，以保护结构免受地震载荷的影响。隔绝地震是用比较软和有挠性的支撑来支撑结构，并且利用支撑的大变形能力来吸收传给结构的地震载荷。隔绝地震存在的问题在于，虽然隔绝地震可通过支撑来有效地截断传给结构的振动载荷，当振动载荷不通过支撑而直接诱导给结构时，有时会使情况变坏。当结构由于风力造成振动，或者例如当桥梁由于通过的交通车辆造成振动时就会发生这种情况。在这些情况下，如果使用传统的隔绝地震技术，振动易于变大。

为了克服这些麻烦，已经发展了振动遏制结构。图9显示这种传统的振动遏制结构的一个实例。

在图9中，振动遏制结构100包括有重物101;有支撑在楼板104上的支座102，支座102上有油膜103，靠油膜103支承重物101;有装有氮气的气体阻尼器105;有对重物101施加水平力的液压致动器106;有控制流向致动器106的油流的伺服阀107;以及通过伺服阀107向致动器106供油的供油单元108。振动遏制结构就两个互相垂直的垂直面来说具有相同的截面特性。

振动遏制结构的工作情况如下所述。

由于重物101由支座102及其上的油膜103所支承，作用在重物101上的摩擦力小到可忽略不计。这样，没有致动器106的推力和气体阻尼器105的作用，甚至在结构、从而是支座102沿水平方向振动时，重物101仍保持不动。恰恰相反，当致动器106对重物101施加一个推力时，致动器从重物那里接受一个反作用力。在适当方向给出推力，其反作用力就可遏制结构的振动。振动遏制结构100就是这样起遏制振动的作用的。气体阻尼器105靠消耗振动能来增加振动遏制结构100的效果。

上述振动遏制结构存在的问题在于，遏制结构需要大量的诸如控制单元和传感器之类的辅加设备，这样不可避免地增加振动遏制结构的总成本。

另一个问题在于，从经济观点的角度，安装到结构上的振动遏制结构的数量被限制在一个很小的数量。因此，由振动遏制结构施加到结构上的遏制力集中在安装振动遏制结构的很少几个地方，在某些情况下，需要加强结构。

遏制结构振动的另一个传统的装置是由本发明人发明的，公开于日本专利申请62-13367号中，如图14所示。装置110包括有封壳111，重物112，在封壳111内支撑重物112的弹簧113，以及填充封壳111的内部空间的粘滞性液体114。将装置附着在结构115上以遏制其振动。当结构115振动时，振动激励装置110，重物112在粘滞性液体114和弹簧113的作用下开始按其固有频率振动。如果装置110的固有频率被调节，使之与结构的固有频率一致，该装置就起所谓动态阻尼器的作用，降低了结构的振动。装置110的固有频率，可以通过适当选择重物112、弹簧113和粘滞性液体114的性质来改变和调节，使之与结构的固有频率一致。

该装置存在的问题在于，一旦其固有频率被选定之后，不容易改变 其固有频率。在很长的使用周期中，由于组成结构或装置110的元件的物理性质变质，建筑物的固有频率和装置的固有频率可能要变化，在这些情况下，装置的固有频率的重新调整是不方便的。

装置的另一个问题是，该装置只在一个方向上可有效地减小振动。因此，为了减小结构的三维振动，必须至少安装三个这样的装置，它们的指向互相垂直。

为了寻找克服上述问题的解决办法，按照本发明的遏制振动的装置和方法，其目标在于，提供一种构造比较简单、成本低、安装在结构上以后可调节其固有频率的遏制结构的振动的方法及其装置。在本发明中，振动遏制装置是一种通常所说的静态结构，它不需要辅助设备。另外，因有频率的调节是靠改变弹簧的刚性或者重物的质量来实现的。

本发明的另一个目的是提供一种在任何方向上都有效的装置。在本发明中，垂直方向的振动靠大块重物在垂直方向上的和协振动的作用来遏制，而水平两个方向的振动则借助于保持在重物中的液体的晃动来遏制。该重物具有存放液体的封壳的形式。

在本发明的一个方面，按照本发明的装置包括有（a）在其内限定一个内部空间的封壳，（b）封装在封壳内的主重物，（c）将重物与封壳连接的弹性构件，对重物施加一个回复力，该回复力是由弹性构件的弹性根据重物相对于封壳的位移而产生的;（d）保持在内部空间的粘滞性液体，对重物施加一个阻尼力，该阻尼力由其粘性根据重物相对封壳的相对速度而产生，因此，该装置有至少一个固有频率和至少一个固有模式（natural    mode），其中，重物根据弹性构件的变形而相对于封壳位移。

在本发明的另一个方面，提供了一种遏制有固定频率结构的振动的方法，该方法包括以下步骤：（a）将封壳附着在结构上，（b）将弹性构件固定到封壳上，使弹性构件被夹持在封壳内侧，（c）将重物与弹性构件相连，以对重物施加回复力，该回复力是由弹性构件的弹性根据重物 对封壳的相对位移而产生的，（d）在封壳内的空间充填粘滞性液体，以便对重物施加阻尼力，该阻尼力是由粘滞性液体的粘性根据重物相对于封壳的相对速度而产生的，其中，封壳的尺寸、弹性构件的弹性、重物的质量和尺寸以及粘滞性液体的粘性的选择，应使由重物和弹性构件构成的振荡系统的固有频率通常与结构的固有频率一致。

遏制结构振动的装置最好在三个互相垂直的相应方向上有至少三个有模态质量（modal    mass）的固有模式（natural    mode）。

在遏制结构振动的装置中，附着封壳的位置和振荡系统的固有频率的选择，应使相应于固有频率的振动模式的显著位移放置在附着封壳的地方。

下文详述本发明的最佳实施方案。

首先叙述第一种实施方案。

图6和7显示本发明的安装在建筑物7顶部的装置的一种最佳实施方案。装置1包括固定在建筑物7上面的外壳2，由重量约为建筑物7几个百分数的大块混凝土制成的重物3，支承重物3并使重物可相对于外壳2作水平自由移动的支承装置6，将重物3连接至外壳2上并根据重物3相对于外壳2的位移大小来对重物3施加水平回复力的弹性装置4，以及填充外壳2内部空间的粘滞性液体材料5。外壳2和重物3具有矩形的水平横截面。重物3在正常情况下位于外壳2的中心。重物3和外壳2之间的空隙足够大，因此，在建筑物振动时，重物3不致同外壳2相撞。弹性装置4也具有足够的行程以便重物对外壳有相对位移。

重物3、弹性装置4和粘滞性液体材料5的性质的确定，应使按下述内容所确定的装置1的固有频率，与建筑物7的固有频率一致。

为了表达装置1的振动特性，该装置用一个振荡系统来进行模拟，振荡系统由质量M，支承质量的刚度为K的弹簧，以及与质量连接并平行于弹簧、阻尼系数为C的阻尼器。该模型称之为沃伊特模型（Voigt Model）。这种沃伊特模型的固有频率F可由以下等式近似地给出：

Fn＝K/M/2pi

式中pi为圆周长对其直径之比。

建筑物7也用沃伊特模型进行模拟，其弹性自然与装置1的特性不同。因此，装备有振动遏制装置的建筑物用由一个沃伊特模型安装在另一个顶上的一组沃伊特模型来模拟，如图13所示那样。

现在参照图13所示的所谓双自由度振荡系统来说明本实施方案的工作情况。质量一弹簧一阻尼器系统A示意表示建筑物的振动特性。质量61、弹簧62和阻尼器63分别表示模式（mode）的有效质量、有效刚度和有效阻尼，它们都由建筑物的结构性质来确定。质量一弹簧一阻尼器系统B表示振动遏制结构。质量64、弹簧65和阻尼器66分别表示振动遏制结构的重物质量、弹簧刚度和阻尼系数。阻尼器66的性质主要确定于液体的粘度和重物3及外壳2的几何形状。

只要装置的有效质量低于建筑物的有效重量的几个百分数，建筑物和装置的固有频率的耦合作用就可忽略不计。因此，当建筑物的固有频率与装置的固有频率一致时，耦合的双自由度系统的固有频率也一致。

建筑物的固有频率F的确定如下：

Fbn＝Kn/Mn/2pi

其中Kn为建筑物的模态刚度（modal    stiffness）。

Mn为建筑物的模态质量（modal    mass）。

这样，根据上述等式，就有可能调节装置的固有频率，使之与建筑物的固有频率相等。当建筑物由于地震等等引起振动时，因为重物的振动与建筑物的振动谐振，因此建筑物的振幅借助于振动遏制结构而被减小。该装置起所谓动态阻尼器的作用。

在上面的说明中，为简化说明起见，建筑物的振动特性是用第一模式来表示，而振动遏制结构的作用也在此基础上进行说明。但是，振动 遏制结构的应用并不局限于只遏制建筑物的第一模式（mode），它也可应用于遏制建筑物的任何其它模式。在这些情况下，振动遏制结构最好被安装在建筑物的目标模式（target    mode）位移大的地方。因此，振动遏制结构被安装在一个或多个中间楼板上。

在上面的说明中，重物可在水平方向移动。但是移动的方向并不需要局限于水平方向，当重物靠弹簧由外壳悬挂时，重物可以在垂直方向移动。建筑物的固有频率自然随模式而不同。因此，要确定构成振动遏制结构的各元件的性质，以便使装置的固有频率与建筑物的固有频率相等。因为按照本发明的振动遏制结构很紧凑，装置可以安装在任何建筑物上。

其次说明本发明的第二种实施方案。

图1显示本发明的另一个应用于桥梁的实施方案。在图1中，有一对振动遏制装置10附着在桥梁12的底面11上。沿着桥梁12的纵向有多对装置10附着在桥梁12上。

图2显示装置10的垂直剖视图。装置10包括有外壳18，有大致位于外壳18中部的重物13，其四个角各有一个孔14，在四个立柱15，与外壳18的上板17及底板19相连，并穿过重物13的相应四个孔。装有螺旋弹簧16，它将重物13和上板17相连。换加话说，重物13由外壳18的上板17向下悬垂，通常位于外壳18的中部。重物13的上表面竖立两根支柱20。具有一对定位孔22的几个附加重物21，当支柱穿过其两相应的定位孔22之后，它们就被放置在重物13上。改变放置在重物13上的附加重物的数量，就可以很容易改变对弹簧16加载的重物的总重量。外壳18内的空间填满了粘滞性液体材料23。

借助于上述结构，重物13可以在弹簧16和粘滞性液体材料23的作用下进行垂直方向的振动。而且，通过改变附加重物21的数量，可以改变装置10的固有频率，使之与建筑结构的固有频率一致。在图1所示的情 况下，装置10被安装到桥梁上，以遏制桥梁由于交通所引起的垂直方向的振动。

图4和图5显示振动遏制装置的另一个实施方案。在该实施方案中，装置还包括有一对弹簧保持架29。两保持架各具有一对带螺纹的螺栓24，穿过弹簧保持架29的顶板18;还具有一对上螺母26和下螺母27，将螺栓24相对于上板18固定住。在螺栓24的下端装有挂钩装置28，垂直于螺栓24的下端而延伸。挂构装置28与螺旋弹簧16接触，并且限制弹簧16在该位置上面的部分的位移。弹簧16的有效长度靠弹簧保持架29进行调节，这在下文中说明。

首先，将上、下螺母26、27从顶板18松开，将挂钩装置28降低到予定位置。接着将挂钩装置28与弹簧16的一个位置啮合。

其次，转动上螺母26将螺栓24提升。结果挂钩装置28将高于挂钩装置28的弹簧16的部分向上拉。

第三，当弹簧16的钢丝互相并紧后，停止上螺母26的转动，转动下螺母27以将螺栓24固定在该位置上。

通过上述操作，将弹簧16的有效长度缩短，于是增大了装置的固有频率。适当选择弹簧的有效长度，将装置的固有频率调节至与建筑物的固有频率相一致。这是本发明的一种变型，在这里，振动遏制装置的固有频率是靠改变弹簧元件的刚度来变化的。

图12显示本发明的一种更为简化的实施方案。装置53包括重物50、弹簧51、封壳52、粘滞性液体54以及底板55。

接着叙述本发明的第三种实施方案。

图8显示振动遏制装置的另一个实施方案。该装置包括外壳52、重物50、将重物50支承在外壳52内的弹簧构件51、以及填充外壳52的内部空间的粘滞性液体材料54。重物借助于弹簧的回复力可以按其固有频率振动。虽然这种结构更为简单，该装置对遏制结构的振动的效果与上述 的实施方案的相同。

图10和图11显示本发明的又一个变型的实施方案。其装置与图4中所示的相似，重物重量不变化。在本实施方案中，重物13包括限定一个内部空间的壳结构40和将内部空间隔成小室41的隔板44。各小室保持有具有自由液面的液体43。各小室41的几何形状彼此相同，而其中的液体43的深度也相同。

在本发明中，重物13在垂直方向上有固有频率，如同就图4所说明的那样。在垂直方向的振动中，有效质量等于壳40的质量和粘滞性液体43的质量的总和。在水平方向的振动中，液体43的振动是由其晃动造成的。

晃动的固有频率Fs由下式确定：

Fs＝Ks    g    tan    h（Ks    h）/2pi

式中Ks：（2n-1）pi/2a

n：涉及的模式序数

pi：周长对其直径的比值

2a：小室在振动方向上的宽度

g：重度

h：水深度

因此，在水平方向上，该装置借助于液体43的晃动而起到一种遏制振动装置的作用。通过适当选择小室的几何形状、保持在其中的液体量及液体的性质，就有可能使晃动的固有频率与建筑物的固有频率相一致。在这里，晃动的有效重量必须约为建筑物的有效重量的几个百分数。

如上文所述，本发明提供了一种遏制建筑物振动的方法，所使用的装置结构比较简单，成本低。

本发明还提供了一种对三维振动有效的遏制振动装置。

本发明的另一个目的是提供一种有效地遏制振动的方法和装置。

Claims (14)

1、一种遏制结构振动的装置，该装置包括：

(a)在其内限定一个内部空间的封壳；

(b)封装在封壳内的主重物；

(c)将重物与封壳连接的弹性构件，随着重物相对于封壳的位移，弹性物件对重物施加一个由其弹性所产生的回复力；

本发明的特征在于该装置还包括：

(d)保持在内部空间的粘滞性液体，对重物施加一个阻尼力，该阻尼力由其粘滞性根据重物对封壳的相对速度来产生。

2、根据权利要求1的遏制结构振动的装置，其特征在于该装置还包括改变至少一个固有频率的装置。

3、根据权利要求2的遏制结构振动的装置，其特征在于主重物的质量是可变化的，以改变该至少一个固有频率。

4、根据权利要求3的遏制结构振动的装置，其特征在于主重物包括多个重物构件，主重物的质量可以靠改变包括在主重物内的重物构件的数量来变化。

5、根据权利要求4的遏制结构振动的装置，其特征在于封壳还包括导向装置，使主重物只能在垂直方向上移动，从而装置在垂直方向上有至少一个固有频率。

6、根据权利要求5的遏制结构振动的装置，其特征在于封壳包括上板和下板，分别限定内部空间的上端和下端，导向装置包括至少一个连接上板和下板的导杆，主重物与导杆啮合，以在垂直方向上滑动。

7、根据权利要求2的遏制结构振动的装置，其特征在于弹性构件的弹性可以变化，以改变该至少一个固有频率。

8、根据权利要求7的遏制结构振动的装置，其特征在于该装置还包括将弹性装置的予定位置固定住的装置，因此，靠选择位置来改变弹性构件的有效弹性。

9、根据权利要求1至4、7或8中任一项的遏制结构振动的装置，其特征在于该装置在三个互相垂直的相应方向上有至少三个有模态质量（modal  mass）的固有模式（natural  mode）。

10、根据权利要求1的遏制结构振动的装置，其特征在于装置的固有频率通常与结构的固有频率相一致。

11、根据权利要求1的遏制结构振动的装置，其特征在于封壳还包括有导向装置，使主重物只在垂直方向上运动，主重物具有封闭形式，在其内限定一个小室，具有自由液面的液体保持在小室内，从而主重物可以在垂直方向振动，而液体可以应主重物的水平运动而晃动。

12、根据权利要求11的遏制结构振动的装置，其特征在于该装置相应于主重物的垂直运动的固有频率通常与结构在垂直方向上的固有频率一致，而该装置相应于液体的晃动的固有频率通常与结构的相应水平方向的固有频率一致。

13、一种采用如权利要求1所述装置来遏制具有固有频率结构的振动的方法，该方法包括以下步骤：

（a）将封壳附着在结构上;

（b）将弹性构件固定到封壳上，使弹性构件被夹持在封壳内侧;

（c）将重物与弹性构件相连，以对重物施加回复力，该回复力是由弹性构件的弹性根据重物对封壳的相对位移而产生的;

（d）在封壳内的空间充填粘滞性液体，以便对重物施加阻尼力，该阻尼力是由粘滞性液体的粘性根据重物相对于封壳的相对速度而产生的，

其中，封壳的尺寸、弹性构件的弹性、重物的质量和尺寸以及粘滞性液体的粘性的选择，应使由重物和弹性构件构成的振荡系统的固有频率大致与结构的固有频率相一致。

14、根据权利要求13的遏制结构振动的方法，其特征在于附着封壳的位置和振荡系统的固有频率的选择，应使相应于固有频率的振动模式的显著位移放置在附着封壳的地方。

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