CN1014440B - 抑制结构振动的装置 - Google Patents

Abstract

一种抑制诸如建筑物和桥梁等结构振动的装置，它包括一个置于结构中并容纳抑制结构振动用液体的槽。槽所能容纳的液体量，使液体在固有周期方面等于结构。

Description

本发明涉及一种抑制诸如建筑物和桥梁等结构振动的装置，振动是由风、地震或其他引起的。

随着高强度材料的最新发展以及在制造工程和计算机结构分析方面的突飞猛进，高耸的结构变得既轻又韧。这种轻韧的高耸结构的趋势是自然频率和振动阻尼因数变小，因此可能因地震或风引起的外力而意外地产生振幅很大的各种振动。这种结构的振动给人们带来不安，并且有可能使应力超过结构允许的范围。

因此，本发明的一个目的是提出一种经济而有效地抑制由风、地震引起结构振动的装置。

根据这个和其他目的，本发明提出一种抑制结构振动的装置，它包括一个置于结构中容纳抑制结构振动用液体的槽，其所能容纳的液体量，使液体的固有周期与结构的相等。

现参照附图举例说明本发明。

图1是具有本发明振动抑制装置的建筑物的示意前视图，装置置于屋顶并以垂直切面表示;

图2是图1中振动抑制装置的放大平面图;

图3是图2中振动抑制装置的轴向切面图;

图4是图1中具有振动抑制装置的建筑物的示意模型;

图5是本发明另一个实施方案的轴向图;

图6是图1中振动抑制装置改进形式的平面图;

图7是图1中振动抑制装置另一个改进形式的平面图;

图8是图7中振动抑制装置的轴向切面;

图9是图5中装置改进形式的轴向切面;

图10是沿图9中Ⅹ-Ⅹ线的改进形式的切面图;

图11是沿图13中Ⅺ-Ⅺ线，图1中装置另一改进形式的切面图;

图12是图11中装置在分隔件升起时的轴向切面;

图13是图11中装置在分隔件降下时的轴向切面;

图14是图11中加速度探测系统的简图;

图15是具有本发明振动抑制装置的钢索吊桥的侧视图;

图16是图15中钢索吊桥具有基本改进部分的平面图;

图17是沿图16中ⅩⅦ-ⅩⅦ线的放大图;

图18是装在图15中桥的一个塔架顶的装置的放大垂直切面;

图19是图1中装置另一个改进形式的垂直切面;

图20是图1中装置的又一个改进形式;

图21是图20中装置的平面图;

图22是具有图20中装置的建筑物模型的示意图;

图23是本发明另一实施方案的部分切开的透视图;

图24表示图23中振动抑制装置装于建筑物的天花板上;

图25简略表示在实验中用的一个模型;

图26是在图25的模型上作比较试验的曲线图，它未采用振动抑制水;

图27是在模型上作试验的曲线图，它采用了振动抑制水。

现参考图1至图3，根据本发明构成的振动抑制装置1通过由弹性板与钢板交替堆叠而成的普通振动隔绝座3最佳地装在建筑物2的屋顶。振动抑制装置1包括一个装在支承座3上面的空心圆柱形槽4，槽4具有一个上开口端5。振动抑制装置1最好安置在建筑物2的屋顶以有效地抑制由地震，风等引起的振动。槽4也可用来盛装饮用水或消防水。

所设计的槽4所能容纳的液体W量，使液体W在固有周期方面等于建筑物2以抑制建筑物的振动。建筑物2和振动抑制装置1基本上显示了与图4所示振动模型振动特性近似的振动特性。振动模型由代表建筑物2的第一振动系统A和代表槽4内液体W振动模型的第二振动系统B组成，第二振动系统B顺次连接第一振动系统A。第一振动系统A包括一个质量为Mo的第一体6A，一个具有弹簧常数Ko并支承第一体6A的第一弹簧7A，以及一个具有阻尼因数ho并与第一弹簧7A平行的第一阻尼器8A。第二振动系统B具在一个质量为M1的第二体6B，一个具有弹簧常数K1并支承第二体6B的第二弹簧7B，以及一个具有阻尼因数h1并与第二弹簧7B平行的第二阻尼器8B。

当振动系统A受到施加在体6A上的外力并振动，振动系统B开始以第一振动系统A振动周期的1/4相移振动。第一振动系统A的振动藉振动系统A和B之周期相等得以抑制。振动系统i之周期Ti一般用式（1）表示：

$\mathrm{T\; i\; =\; 2\; \pi }\sqrt{\frac{\mathrm{Mi}}{\mathrm{Ki}}}\mathrm{(1)}$

其中Mi是振动系统i的质量，而Ki是弹簧常数。由于建筑物2的周期To由其质量Mo和弹簧常数Ko确定，液体W的周期T1靠适当地选择槽4的尺寸和容积以等于周期To。

根据豪斯纳（Housner）理论，在槽4内移动的液体W的有效质量M1，起着振动体的作用，可用下式（2）表示

$\mathrm{M1\; =}\frac{1}{4}(\frac{5}{6}{)}^2\frac{\mathrm{27}}{8}·\frac{\mathrm{tan\; h}\sqrt{\frac{\mathrm{27}}{8}}}{\sqrt{\frac{\mathrm{27}}{8}}·\frac{h}{R}}\mathrm{·\; M\; (2)}$

其中h是从槽4底至水平面的高度，R是槽4的直径，M是盛装在槽4内的液体W的质量。（见“加速流体容器的动压力”豪斯纳G.W.著， 美国地震学协会公报第47卷（1957）第15-35页）。

液体W的自然频率ω，即晃动的自然频率用下式（3）表示：

${\omega }^2=\frac{h}{R}·\sqrt{\frac{\mathrm{27}}{8}}\mathrm{·\; tan\; h\; 〔}\sqrt{\frac{\mathrm{27}}{8}}·\frac{h}{R}\mathrm{〕\; (3)}$

液体的固有周期T因此可从式（4）得到：

T＝2π/ω    （4）

当R＝15米，h＝2米，而M＝1414公吨（从公式（2）中M1＝812公吨），周期T1＝11.7秒。

液体W之有效质量M1与建筑物质量Mo之比一般是：

M1/Mo＝约1/50至约1/200

低于下限或约1/200，振动抑制作用不可能有效地获得，而高于上限或约1/50，液体的重量将对建筑物的结构设计产生严重影响，因此必须修改结构设计。下限最好是约1/100。

如果在一个封闭的槽内装满液体W，使液体固定并在振动时不产生波浪，公式（2）可用下式代替：

$\mathrm{M1\; =\; M\; ·}\frac{\mathrm{tanh\; (}\sqrt{3}·\frac{h}{R})}{\sqrt{3}·\frac{h}{R}}\mathrm{(2\prime )}$

图5和6表示本发明的另一个实施方案。圆柱形槽10用隔墙12水平分隔成若干室，本实施方案为四个水平室14。在这种振动抑制装置16中，盛装液体W的室14的数量可以改变液体W的有效质量而不必改变液体W的周期，因为后者是由室14的半径R和液体W的高度h确定。因此，装置16的振动抑制调节可藉改变所用室14的数量进行。

图1至图3中振动抑制装置的一种改进形式18示于图6，它因在建筑物2的屋顶装有四个槽4而与前截然不同。所设计的四个槽4用来装水，故水可与建筑物2的固有周期相等。装置18的振动抑制调节也可藉 适当调正水的有效质量进行。它可藉选择槽4的教量或装水的槽4的数量完成。

图7和图8表示图1中振动抑制装置的另一个改进形式。与其截然不同的是，它在槽4的底部22有一套阻流机构20，用以调节液体W的阻尼因数。该机构20包括24块矩形的外围阻流板26，8块矩形的中间阻流板28和一块中心阻流件30。外围阻流板26绕槽4的中心o每隔一定角度地作径向布置。每一块外围阻流板26的一条垂直边连接于槽4圆壁32的内面，而其底端连接于底壁22的上面。中间阻流板也每隔一定角度地作径向布置，其底端连接于底壁22的上面。中心阻流件30有8块从槽4中心o作径向延伸的矩形板34，每一块矩形板34的一条垂直边连接另一块矩形板34，而其底端连接于槽底部22的上面。中心、中间和外围阻流件26，28和30的高度均低于液体W的水平面h。

当建筑物2因风或其他而受力并绕其刚性中心摇摆时，由于重心与建筑物2刚性中心之差使液体作圆周流动，而阻流机构20为液体流动提供了一个阻力。因此，液体W抑制了建筑物2的摇摆是由于它流动时的周期与具有相移的建筑物2摇摆周期相等。振动抑制装置36可以抑制建筑物绕垂直轴线和水平轴线的摇摆。阻流机构20藉选择阻流件26，28和30的尺寸和数量调节液体W的阻尼因数，并因此可以适当调节建筑物的阻尼因数。模拟试验证明，阻流件26，28，30的径向长度在槽4的直径为30米时约为5厘米。

图5中振动抑制装置的一种改进形式示于图9和图10。在这种改进的装置40中，若干阻流柱42装于槽10以连接每个室的相邻底壁12。阻流柱42既为液体W提供流动阻力，又支承上室14的底壁12。

图11至13表示图1至图3中振动抑制装置的另一改进形式。当槽4内的液体W对建筑物中各种振荡波的主频率分量造成共振时，液体表面可能造成一种称为晃动现象的过大振幅。这种改进的振动抑制装置50用 来抑制这种晃动现象。槽4具有一个空心的圆柱形封盖件52，它同心地装在圆壁56的上边54上并盖住。若干电起重机58装在封盖件52的天花板60上以通过绳64移动分隔件62。分隔件62有8块直线的分隔板64，其一端连接于另一块分隔板64，故它们径向向外延伸，当然也可以做成其他形状以适合抑制液体W的晃动。分隔件62在降下时可容纳在槽4里。加速计66装于槽4圆壁56的内面和低于液体W标准水表面的水平面，用以确定液体的加速度，该液体由于建筑物2的振动而不得不振动。另一个加速度计68放在建筑物2的屋顶并围绕槽4。加速度计66和68通过一个普通的电子控制装置70连接于电起重机58的电源72以控制电起重机的操作。实际上，分隔件62藉将其下端放入槽4内而水平锁住以防止横向摇摆。任何普通的利用控制装置70控制的电锁机构可用于封盖件62以锁止分隔件62，以及当晃动现象被测到时释放它。

当槽4内的液体W将要造成与建筑物的共振时，代表引起加速度的数据从加速计66和68输往控制装置，两个数据的重合被测到，因此电起重机58瞬时从电源72得到电流。电起重机因此起动将分隔件62降入液体W，结果，液体W的振动用分隔件62来抑制，从而可以防止由于晃动而造成的液面过大振幅。

在图15至图18中，本发明应用于一个钢索吊桥80，它具有两对平行的塔架82以及横跨在塔架对之间和陆地与相应塔架对之间的增强梁。每一对的塔架82均有装于其顶86的隔绝座3。包括直线箱形槽90的振动抑制装置88装在每一个隔绝座3上。每个增强梁84包括桥面92，平行的支承梁94以及厚板96。厚板96也具有另一个振动抑制装置98，它包括一个装于其下面102以纵向延伸并吊挂于上的槽100。槽100具有矩形截面。槽100用若干垂直的隔壁106分隔成数个室104，图中只示出一个。分隔的室104有利于槽100的维修，并在其中一个壁受到风或地震的破坏时可以防止所有的液体W流出。而且分隔壁106的布置可以适当地调 节液体W的阻尼因数。

槽90和槽100所能容纳的液体量，使液体W在固有周期方面分别等于塔架82和增强梁84。振动抑制装置88和89分别用来抑制塔架82和强化桁架84的横向振动。每一个振动抑制装置88和89也可以图4中的模型表示。

下面分析容纳在槽90和100内的液体W的特性。j级的固有周期Tj和j级的晃动自然频率ωj的关系确定如下：

Tj＝2π/ωj    （5）

ωj用下式表示：

ωj＝ $\sqrt{\mathrm{kj\; ·g\; ·tan\; h(\; kj\; ·\; H\; )}}$ （6）

其中h是在每一个槽90，100中液体W的深度，g是重力加速度。公式中的Kj用下式表示：

Kj＝（2j-1）π/2a    （7）

其中2a是槽90.100在振动方向的宽度。通过公式（5）-（7），晃动的固有周期Tj可以得到。第一级晃动的固有周期被用于实施方案。所用液体W的有效质量与相应塔架82与82质量之比例等于上述实施方案给出的比例。液体W的有效质量与相应增强梁84之比例也等于已经给出的比例。

图1至图3中振动抑制装置的另一个改进形式示于图19，有一对辅助槽110和110装于槽4完全相反的两侧。每一个辅助槽110有一个用来盖住开口上端的封盖112。槽4与每一个辅助槽110用一条自来水管道114相通，管道穿过槽4的圆壁32，并位于液体W标准水平面的上面。每一条自来水管道114配有一个水泵116以将液体从辅助槽110输往槽4，或将槽4内的液体排出。槽4具有液面探测器118，118，它们装于圆壁32的内面，用来探测槽4内液体W的标准水位，处于标准水位时，液体W具有抑制建筑物2振动的必需有效质量。液位探测器118连接控制水泵116的电控装置（未示）。电控装置起动水泵116只是在液面探 测器118探测到水面在规定的时间内高于或低于标准液面，因为液体W的波谷在抑制建筑物2的振动时可能达到低于探测器118，118的高度。槽4的上开口端可用封盖120关闭（如图19的点划线所示）以保持液面变化尽可能的小。

当槽4内液体W的量因落雨而增加或因蒸发而减少时，液面的变化被液面探测器118探测到，它给控制装置发出一个电信号以起动水泵116，故液体经管道114排出或输入以保持液体W规定的水位。盛装在辅助槽110，110内的液体W的量不会对该振动抑制装置122的振动抑制效果产生任何的反作用。当振动抑制液体W不采用辅助槽110，110时，管道114，114可以连接城市水的终端管以接收水。

图20和图21表示图1至图3中振动抑制装置的再改进形式。在建筑物的振动被显著抑制后，建筑物2的振幅变为小于液体W，图1至图3中的振动抑制装置1可能起一个振动器的作用，并对建筑物2产生进一步的振动。该改进的振动抑制装置130用来阻尼槽4内液体W的振动。浮盘132放在液体W1上并藉其底134向上浮。第二槽136装在浮盘132上并盛装液体W2，它用作在图22中以一模型表示的第三振动系统C。第三振动系统C顺次连接第二振动系统B，它包括一个代表液体W2的第三体6C，一个第三弹簧7C以及一个平行连接于弹簧7C的第三阻尼器8C。第三体6C通过第三弹簧7C和第三阻尼器8C与第二体6B连接。上述与第一和第二振动系统A和B有关的理论可用于第三振动系统C。这就是第三振动系统C以第二振动系统B抑制第一振动系统A振动的同样方式抑制第二振动系统B的振动。液体W2的有效质量M2与液体W1的有效质量之比例一般约为1/50至1/200。可以为槽4的圆壁32提供一个合适的零件以使它与浮盘132保持分开。

图1至图3中振动抑制装置的另一个改进形式示于图23和24，其中一对对垂直堆叠的直线封闭可移动的槽140纵横排列在建筑物2的地板 142上，同平面上的相邻槽140布置成端对端。槽140用合成树脂材料制成。在每一个槽140的侧壁144的内面143有凹凸不平物146，它用来增加内面143对液体W的阻力以调节后者的阻尼因数。在其一个侧壁148上还有一个用诸如玻璃等透明材料制成的水位表150。一条岐管154的支管152通过每个槽140的一个侧壁146并到达底部以输入或排出水W。岐管经水泵与单水源相通（均未示），因此使槽内液体W的水位可以相等或调节。

槽140内液体W的量可以调节，故液体W的固有周期在槽的纵向X和横向Y都等于建筑物2。槽内液体的总量通常调节到建筑物2质量的约1/50至1/200。槽140内液体W的特性可以同样方式并用公式（5）至（7）加以分析。这种改进的槽有利于运输、安装和更换。

虽然在此改进形式中槽140作纵横排列，但它们并不限于这种布置。它们在地板上可以互相分开，或者如图24所示吊挂在建筑物2的天花板150上。152和154号表示导管和覆盖天花板的天花嵌板。

在上述的实施方案中，槽是空心圆柱体或直线箱，但它们可以是球形，扁球体或类似形状。槽的形状可根据槽的安装情形而变。液体W的固有周期和有效质量可在豪斯纳理论的基础上根据槽的形状由公式确定。

予定数量的液体W不必始终储存在槽里。液体W的量可根据气候状况增加到予定的有效质量。

一般的防锈剂可加在槽内的液体里以防止腐蚀。诸如油等的其他液体可以用作液体W。当槽用钢制造时，油可以防蚀。振动抑制装置的振动阻尼因数可藉采用黏度系数不同于水的液体来进行调节。

如图25所示，一个高2米，断面面积为100厘米×100厘米的五层建筑物模型建于振动台162上，每一层的重量是400公斤。建筑物模型160的第一级固有周期是0.41秒。图5所示的二水平室槽164（虽然图 5中的槽10有四个水平室14）装在建筑物槽型160的屋顶上，然后将重46公斤的水注入槽164并使每个水平室14的水位相等。槽的每个室的内尺寸为宽80厘米，长90厘米，深3.2厘米。水的固有周期T1等于建筑物模型160的固有周期。具有最大加速度220伽的随机波（EL-CENTRO-NS波）施加于该建筑物模型160。从该试验中得到的，建筑物模型160第五层相应的水平位移和时间之间的关系标绘于图27。另外进行了一项比较试验，将具有最大加速度200伽的同样随机波施加到把水从槽164中抽走的建筑物模型160上。第五层的比较试验结果标绘于图26。从两个试验的结果可以看出，建筑物模型的振动在根据本发明的试验中受到的抑制要比在比较试验中大得多。

Claims (19)

1、一种抑制结构振动的装置，包括：

一个置于结构中装有抑制结构振动用的液体的槽，

其特征在于：

至少一个将该槽水平地分隔成至少二个室的水平隔壁，每一个室所能容纳的液体量，使液体的固有周期等于结构的固有周期。

2、权利要求1所述之装置，其特征在于，该槽所能容纳的液体量，使整个液体有效质量与结构质量之比约为1/50至1/200。

3、权利要求2所述之装置，其特征在于，该液体整个有效质量与结构质量之比不小于1/100。

4、权利要求1所述之装置，其特征在于，结构有一个刚性中心，而槽有一个内面，以及还包括阻流件，它装于槽的内面，用以阻挡液体因结构绕刚性中心摇动引起的流动，以便抑制结构的摇动。

5、权利要求4所述之装置，其特征在于，该槽有一个底，而阻流件包括若干竖立在槽底上用以支承水平隔壁的支承件。

6、权利要求1所述之装置，其特征在于，该结构是一个具有屋顶的建筑物，而槽置于建筑物的屋顶。

7、一种抑制结构振动的装置，包括：

一个置于结构中接收抑制结构振动用的液体的槽，该槽的容纳的液体量，使得该液体的固有周期等于结构的固有周期，

其特征在于，该装置包括：

防止液体对结构共振引起的晃动现象的阻流件，

安装于槽上的移动件，用来在上升与下降位置之间垂直移动阻流件，当处于下降位置时，阻流件在液件中，

探测晃动现象并控制移动件以将阻流件降至下降位置的控制件。

8、权利要求7所述之装置，其特征在于：该槽所能容纳的液体量，使液体的有效质量与结构质量之比约为1/50至1/200。

9、权利要求8所述之装置，其特征在于液体有效质量与结构质量之比不小于1/100。

10、权利要求7所述之装置，其特征在于，结构是一个具有屋顶的建筑物，而槽置于建筑物的屋顶。

11、一种抑制桥振动的装置，该桥具有若干塔架和增强梁，每个塔架具有一个顶，其特征在于该装置包括：

若干安装在塔架顶上接收抑制塔架振动的第一液体的第一槽，每个第一槽所能容纳的第一液体量，使第一液体的固有周期等于结构的固有周期，

一个安装在增强梁上接收抑制该梁振动的第二液体的第二槽，该第二槽所能容纳的第二液体量，使第二液体的固有周期等于梁的固有周期。

12、一种抑制结构振动的装置，包括：

至少一个安装在该结构内接收抑制结构振动的液体的槽，该槽所能容纳的液体量使该液体的固有周期等于结构的固有周期，

其特征在于，该装置还包括控制槽内液体量的液体输入和排出装置。

13、权利要求12所述之装置，其特征在于，该槽为呈直线封闭的箱形。

14、权利要求12所述之装置，其特征在于，该槽具有包括内面的侧壁，内面有凹凸不平物，用以增加内面对液体的阻力并调节阻尼系数。

15、权利要求12所述之装置，其特征在于，该槽是可移动的。

16、权利要求12所述之装置，其特征在于，该槽水平方向所具有的宽度，使槽内液体的固有周期等于结构水平方向的固有周期。

17、一种抑制结构振动的装置，包括：

一个置于结构中接受抑制结构振动的液体的第一槽，该第一槽所能容纳的第一液体量，使第一液体的固有周期等于结构的固有周期，

一个第二槽，

使第二槽浮在第一槽内的第一液体上的浮动件，第二槽装于浮动件上，其中第二槽所能容纳的第二液体量，使得第二液体的固有周期等于第一液体的固有周期。

18、权利要求17所述之装置，其特征在于：第一槽能容纳的第一液体的量，使第一液体的有效质量对结构质量之比约为1/50至1/200，以及第二槽所能容纳的第二液体的量，使第二液体的有效质量与第一液体的有效质量之比约为1/50至1/200。

19、权利要求17所述之装置，其特征在于，该结构为具有屋顶的建筑物，第一槽置于建筑物的屋顶。

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