CN102425247A - 三维调谐质量阻尼器 - Google Patents

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郑怡
汪青杰
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本发明是一种三维调谐质量阻尼器,涉及一种建筑结构震动控制装置,它包括水平横向质量块、水平纵向质量块、竖向质量块、水平横向粘滞阻尼器、水平纵向粘滞阻尼器等。装置外边框由型钢组成方形,竖向吊装架由型钢焊接成正四棱锥固定装置外边框上,水平横向质量块导轨和水平纵向质量块导轨呈十字型布置,水平横向质量块和水平纵向质量块、横向粘滞阻尼器和纵向粘滞阻尼器、弹簧分别对称布置安装在导轨上,竖直方向安装有竖向质量块、竖向粘滞阻尼器、弹簧安装在竖向质量块导轨上。在风振、地震作用下,受力均匀、稳定、有效,可以适用于在高层、高耸建筑以及核电站等重要结构,减少建筑结构的地震反应,对建筑结构起到很好的保护作用。

Description

三维调谐质量阻尼器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种建筑结构震动控制装置,特别是涉及一种建筑结构震动控制的三维调谐质量阻尼器。
背景技术
[0002] 调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)系统是在结构顶层加上惯性质量,并配以弹簧和阻尼器与主结构相连,应用共振原理,对结构的某一振型加以控制。通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱、机房或旋转餐厅。它对结构进行振动控制的机理是:原结构体系由于加入TMD,其动力特性发生变化,原结构承受动力作用而剧烈振动时, 由于TMD质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力,其阻尼也发挥耗能作用,从而达到使原结构的振动反应明显衰减的目的。
[0003] 调谐质量阻尼器结构应用的现代思想的最早来源是早在1909年FrahnKFrahm, 1909 ;Den Hartog, 1956)研究的动力吸振器。Frahm的吸振器由一个小质量m和一个刚度为A的弹簧连接于弹簧刚度为K的主质量M。在简谐荷载作用下,可显示出当所连接的吸振器的固有频率被确定为(或调谐为)激励频率时,主质量M能保持完全静止。Den Hartog(Ormondroyd and Den Hartog,1928)最早研究了主系统中没有阻尼时的无阻尼和有阻尼动力吸振器理论,他们提出了吸振器的基本原理及确定适当参数的过程。主系统的阻尼包含在Bishop (1952)提出的动力吸振器的分析中。紧接在上述工作之后,i^lcon等 (1967)设计了一个优化过程以获得主系统的最小峰值响应和最大有效阻尼。Jermlge和 Frohrib (1977)数值计算厂控制建筑物结构中弯曲和扭转模式的移动一转动吸振器系统。 Ioi和Ikeda(1978)提出了主系统在小阻尼情况下这些优化吸振器参数修正因子的经验公式。Randall等(1981)提山了在系统中考虑阻尼影响的这些参数的设计图表。Warburton 和Ayorinde (1980)进一步用表列出了最大动力放大因子、调谐频率比及特定质量比和主系统阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。
[0004] TMD在土木工程中有较早的应用历史,前苏联于20世纪50年代初就在钢电视塔及烟囱上安装了撞击式摆锤,使得风荷载作用下的振动得到较大的衰减。由于TMD能有效地衰减结构的动力反应,安全、经济、对建筑功能影响小、便于安装、维修和更换,已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置。TMD不仅可用于新建建筑,而且通过 “加层减震”技术可以改善已有房屋的耐震性能。大量的试验和数值分析研究表明,这种控制装置无论对风振和地震引起的振动都有明显的减振效果。但TMD受频率限制比较大,当激励为窄带或结构的响应以基频控制时,其控制效果比较理想,当激振为宽带激励或结构的响应是多个振型都起作用时,控制效果不明显,即TMD的控制频域宽度很窄。
[0005] 为了增强用于减小主系统最大动力响应的吸振器的效果,研究者们尝试了通过引入非线性吸振器弹簧来加宽调谐频率范围,R0berson(1962)研究了将动力吸振器支承于一个没有阻尼的线性加三次方弹簧(即Duffing型弹簧)之上的主系统的动力响应。他将“消除带”定义为规格化主系统幅值小于1的共振峰值之间的频率带。非线性吸振器的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要宽得多,Pipes (1953)研究了一个有双曲正弦特征的强化弹簧,并得出弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰的出现,并将相对小幅值的奇次谐分量引入吸振器和主系统的运动中。
[0006] 为了改进动力吸振器的性能,Snowdon(1960)研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能,表明采用刚度正比于频率和恒定阻尼系数材料的动力吸振器能显著减小主系统的共振振动,其性能明显优于弹簧一阻尼筒型吸振器。Srinivasan(1969)分析了平行阻尼动力吸振器,即一个辅助无阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下,当阻尼频率被精确调谐到激励频率时,主系统将保持静止,但在该情况下,消除带变小了。 Snowdon(1974)研究了其他可能的吸振器形式,如三一单元吸振器的,显示如果第三单元 (即辅助弹簧)与阻尼器串联,主系统幅值能减小15%〜30%,但这种减小对频率非常敏感,在实际中它将影响吸振器的性能。
[0007] 但建筑结构所受到的如风和地震的环境荷载的作用来自不同方向,传统的TMD无法对不同方向的风振和地震进行控制,因此需要开发一种能够对不同方向的风振和地震进行控制的TMD,因此传统的TMD也无能为力。因此需要解决来自不同方向的风振和地震反应的问题。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于为高层、高耸结构以及核电站等重要结构提供一种三维调谐质量阻尼器,不仅能对来自不同方向的风振和地震进行控制,也能针对结构不同方向的自振频率进行风振和地震反应的控制。该阻尼系统构造简单,实用性强。在风振、地震作用下, 系统的受力均勻、稳定、节省材料,又保证耗能体系稳固、有效,对建筑结构起到很好的保护作用。
[0009] 技术方案如下:
它包括水平横向质量块、水平纵向质量块、竖向质量块、水平横向粘滞阻尼器、水平纵向粘滞阻尼器、竖向粘滞阻尼器、水平横向弹簧、水平纵向弹簧、竖向弹簧、水平横向阻尼器安装板、平纵向阻尼器安装板、竖向阻尼器安装板、水平横向质量块导轨、水平纵向质量块导轨、竖向质量块导轨、装置外边框、竖向吊装架、外边框固定底板、螺栓、螺母、垫板、螺孔和弹簧固定件,其特征在于:装置外边框由型钢组成方形,竖向吊装架由型钢焊接成正四棱锥固定装置外边框上,水平横向质量块导轨和水平纵向质量块导轨呈十字型布置,水平横向质量块和水平纵向质量块、横向粘滞阻尼器和纵向粘滞阻尼器、弹簧分别对称布置安装在导轨上,竖直方向安装有竖向质量块、竖向粘滞阻尼器、弹簧安装在竖向质量块导轨上。2 个水平横向粘滞阻尼器和2个水平纵向粘滞阻尼器、1个竖向粘滞阻尼器分别安装在水平横向质量块和水平纵向质量块和竖向质量块外侧,2个水平横向弹簧分别连接水平横向质量块和弹簧固定件,2个水平纵向弹簧分别连接水平纵向质量块和弹簧固定件,竖向弹簧分别连接水平纵向质量块和弹簧固定件。水平横向粘滞阻尼器、水平纵向粘滞阻尼器和竖向粘滞阻尼器分别安装在水平横向阻尼器安装板和水平纵向阻尼器安装板和竖向阻尼器安装板上。
[0010] 本发明的优点是:阻尼器能够对水平横向、水平纵向和竖向风振和地震的结构反应进行控制,并能根据不同方向的结构自振周期调整相应的弹簧刚度,并具有自动复位的功能。系统在风振、地震作用下,受力均勻、稳定、又保证耗能体系稳固、有效,可以适用于在高层、高耸建筑以及核电站等重要结构,减少建筑结构的地震反应,对建筑结构起到很好的保护作用,能够产生较大的经济效益和社会效益。耗能效果好、钢材利用率高,同时安装简单、使用方便,既可以用于新建建筑工程的抗震设计,也可以用于已有工程的加固维修。
附图说明
[0011] 图1为本发明的结构平面示意图。
[0012] 图2为本发明的结构平面示意图。
[0013] 图3为图1的的I - I剖面图示意图。
[0014] 图4为图2的的II - II剖面图示意图。
[0015] 图中,1为水平横向质量块;2为水平纵向质量块;3为竖向质量块;4为水平横向粘滞阻尼器;5为水平纵向粘滞阻尼器;6为竖向粘滞阻尼器;7为水平横向弹簧;8为水平纵向弹簧;9为竖向弹簧;10为水平横向阻尼器安装板;11为平纵向阻尼器安装板;12为竖向阻尼器安装板;13为水平横向质量块导轨;14为水平纵向质量块导轨;15为竖向质量块导轨;16为装置外边框;17为竖向吊装架;18为外边框固定底板;19为螺栓;20为螺母;21 为垫板;22为螺孔;23弹簧固定件。
具体实施方式
[0016] 下面结合技术方案和参照附图对本发明进行详细说明。
[0017] 本发明提出的三维调谐质量阻尼器如图广图4所示。
[0018] 整个装置主要由2个水平横向质量块1、2个水平纵向质量块2、1个竖向质量块3、 2个水平横向粘滞阻尼器4、2个水平纵向粘滞阻尼器5、1个竖向粘滞阻尼器6、2个水平横向弹簧7、2个水平纵向弹簧8、1个竖向弹簧9、水平横向阻尼器安装板10、水平纵向阻尼器安装板11、竖向阻尼器安装板12、水平横向质量块导轨13、水平纵向质量块导轨14、竖向质量块导轨15、装置外边框16、竖向吊装架17、外边框固定底板18、螺栓19、螺母20、垫板21、 螺孔22和弹簧固定件23等组成。
[0019] 将4个型钢焊接成一个矩形装置外边框16 ;将2个型钢焊接成一个直角,再焊接2 个型钢成为一个正四棱锥的竖向吊装架17,并将竖向吊装架17焊接于矩形装置外边框16 上;采用外边框固定底板18将装置外边框16安装在建筑物顶面;安装水平横向质量块导轨13和水平纵向质量块导轨14 ;安装弹簧固定件23和竖向质量块导轨15 ;将水平横向阻尼器安装板10、平纵向阻尼器安装板11和竖向阻尼器安装板12焊接在外框架上;最后安装水平横向质量块1、水平纵向质量块2、竖向质量块3、水平横向粘滞阻尼器4、水平纵向粘滞阻尼器5、竖向粘滞阻尼器6、水平横向弹簧7、水平纵向弹簧8和竖向弹簧9。
[0020] 由于装置中包含水平横向质量块、水平纵向质量块和竖向质量块,因此不论风振和地震来自任何方向,不同方向的质量块可以发生调谐振动,对风振和地震反应进行有效地控制。当有不同方向的风振和地震作用于结构上时,对应方向的质量块开始滑动,粘滞阻尼器开始耗能,根据不同方向结构的自振周期,调整不同方向弹簧的弹性系数,可以实现对不同频率风振和地震反应的控制。

Claims (3)

1. 一种三维调谐质量阻尼器,它包括水平横向质量块、水平纵向质量块、竖向质量块、 水平横向粘滞阻尼器、水平纵向粘滞阻尼器、竖向粘滞阻尼器、水平横向弹簧、水平纵向弹簧、竖向弹簧、水平横向阻尼器安装板、平纵向阻尼器安装板、竖向阻尼器安装板、水平横向质量块导轨、水平纵向质量块导轨、竖向质量块导轨、装置外边框、竖向吊装架、外边框固定底板、螺栓、螺母、垫板、螺孔和弹簧固定件,其特征在于:装置外边框(16)由型钢组成方形,竖向吊装架(17)由型钢焊接成正四棱锥固定装置外边框(16)上,水平横向质量块导轨(1¾和水平纵向质量块导轨(14)呈十字型布置,水平横向质量块(1)和水平纵向质量块O)、横向粘滞阻尼器(4)和纵向粘滞阻尼器(5)、弹簧(8)分别对称布置安装在导轨上,竖直方向安装有竖向质量块(3)、竖向粘滞阻尼器(6)、弹簧(8)安装在竖向质量块导轨 (15)上。
2.根据权利要求1所述的一种三维调谐质量阻尼器,其特征在于:2个水平横向粘滞阻尼器(4)和2个水平纵向粘滞阻尼器(5)、1个竖向粘滞阻尼器(6)分别安装在水平横向质量块(1)和水平纵向质量块(¾和竖向质量块C3)外侧,2个水平横向弹簧(7)分别连接水平横向质量块(1)和弹簧固定件(23),2个水平纵向弹簧(8)分别连接水平纵向质量块(2) 和弹簧固定件(23),竖向弹簧(9)分别连接水平纵向质量块(2)和弹簧固定件(23)。
3.根据权利要求1或3所述的一种三维调谐质量阻尼器,其特征在于:水平横向粘滞阻尼器(4)、水平纵向粘滞阻尼器(5)和竖向粘滞阻尼器(6)分别安装在水平横向阻尼器安装板(10)和水平纵向阻尼器安装板(11)和竖向阻尼器安装板(12)上。
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Application publication date: 20120425