CN102644337A - 一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，包括布置在高耸塔设备上的TMD（调谐质量阻尼器）系统，所述TMD系统布置在高耸塔设备的顶部，所述TMD由质量块、弹簧系统、阻尼器构成，所述TMD系统包括三个或四个TMD，本发明还提供了一种减轻高耸塔设备风诱导振动的方法。整个TMD系统构造简单，易于安装，维护方便且造价低廉。

Description

一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置及其方法

技术领域

本发明属于高层建筑设备减振领域，更具体地为一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置和方法。

背景技术

塔体的剧烈振动会使塔体产生严重弯曲、倾斜、塔板效率下降，导致无法维持正常的生产运行而造成严重的经济损失。持续而剧烈的振动还会造成塔体裙座应力变化幅度过大形成疲劳裂纹，导致设备的开裂破坏，甚至会造成人员的伤亡，引发严重的安全事故。我国大型石化企业多建在沿海地区，生产装置常承受台风等风载荷的作用，风诱导振动导致的塔设备破坏更为突出，风诱导振动导致设备破坏的事故已多次发生。石化生产装置的建设周期长达几年，不少设备现场安装就位后要空置一段时间后才能投入生产。空置塔设备内没有物料，对风诱导振动的阻尼不同于操作状态下的设备，即使进行了合理的操作条件下的抗振动设计，塔设备也可能在空置期间发生风诱导振动而破坏。因此，对由风诱导产生的高塔设备振动的研究和振动控制装置的研发是一个亟待解决的实际问题。

目前，减振的主要思路是通过采用各种措施，达到增加结构的阻尼、刚度、固有频率，或影响结构周围卡门涡街的形成，从而达到避免结构出现诱导振动的目的。常规减振方法如下：

主要通过降低塔高，增大内径，或增加塔的厚度，可增大塔的固有频率，但这很大程度上取决于工艺条件许可的情况下进行，而且会增加塔的制造成本。

采用拉索控制，交叉支撑等方式来使塔器固定，以减弱塔器的振动，但这种方法往往受场地空间的限制而不易实现。

沿塔体周围焊接一些螺旋式或轴向式翅片可以消除涡旋的形成或改变涡旋的脱落方式，从而减弱风诱导振动。但塔器通常有外保温层，且安装有众多的附件，所以这种方法实际操作起来往往困难很大，且成本较大。

合理布置塔器的梯子、平台、管线和其他附件，有利于消除或破坏卡门涡街的形成，这是一种减缓或消除风诱导振动的措施，但大多依赖于人员的工程经验，并无很好的理论依据及实施方法。

以上这些措施在工程实践中的运用表明，很多情况下仅采取这种措施是远远不够的。

近年来，结构风振控制的理论与实践应用都得到了飞速发展，其中的被动控制技术因其减振机理明确、控制效果显著、经济效益可观的优点，一直是世界各国学者的研究重点，该技术已日趋成熟。

调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper），简称TMD，是最常用的一种被动控制系统，在生产实践中得到了广泛应用。它是在结构物顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构相连。调谐质量阻尼器的振动频率接近主结构的频率，控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，应用阻尼结构不断消耗主结构和子结构的能量来降低主结构的动力响应。

如图1，为了说明TMD系统的吸振原理，将被控的主结构系统和TMD子系统模型简化为两自由度的质量、弹簧、阻尼系统。该系统的运动方程为：

其中，

为被控主结构的质量，

为被控制结构的刚度系数，

为被控主结构的阻尼系数，

为被控主结构离开平衡位置的位移；

为TMD系统的质量，

为TMD系统的刚度系数，为TMD系统的阻尼系数，

为TMD系统离开平衡位置的位移；设主结构受简谐激励

，频率为。

可求得运动方程的解为：

显然，通过选取适当的TMD系统参数

、

和

，可以有效地减小被控主结构的振动响应，极大地提高设备的安全性能。

TMD作为一种被动控制方式，因其构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，不需要外力，并且控制效果明显，有着其他方式无法比拟的优点，因此在高层建筑和高耸结构抗风控制中有广阔应用前景。但是不同的TMD系统对主结构的减震率也不同，如果TMD系统结构布置不适当，TMD的质量，频率和阻尼器阻尼选择不佳，减震率不高，减震效果不明显。

发明内容

为了提高减震率，本发明提供一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，包括布置在高耸塔设备上的TMD（调谐质量阻尼器）系统，所述TMD系统布置在高耸塔设备的顶部，所述TMD由质量块、弹簧系统、阻尼器构成，其特征于：所述TMD系统包括三个或四个TMD。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述三个TMD互相间隔120°。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述四个TMD互相间隔90°。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD系统的质量与所述高耸塔设备的质量的质量比为1.0%到2.0%。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD系统的频率与所述高耸塔设备一阶固有频率的频率比为0.9到1.1。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD的阻尼器的阻尼系数为40-100kg/mm·s。

本发明还提供一种减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，所述减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，步骤如下：

在高耸塔设备上设置TMD（调谐质量阻尼器）系统，所述TMD系统包括三个或四个TMD；

调整TMD系统质量与高耸塔设备质量的质量比；

调整TMD系统的频率与高耸塔设备一阶固有频率的频率比；

调整TMD的阻尼器阻尼系数。

所述的减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中所述三个TMD设置成互相间隔120°。

所述的减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中所述四个TMD设置成互相间隔90°。

所述的减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中调整所述TMD系统质量与所高耸塔设备质量的质量比为1.0%到2.0%。

所述的减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中调整所述TMD系统的频率与所述高耸塔设备一阶固有频率的频率比为0.9到1.1。

所述的减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中调整所述TMD的阻尼器的阻尼系数为40-100kg/mm·s。

附图说明

图1是TMD系统吸振原理图；

图2是是对高耸塔安装减振装置一般流程图；

图3a至图3d是用于减轻高耸塔风诱导振动的TMD系统布置的四种形式图；

图4是风载荷角度与风振控制效果的关系图；

图5是风振控制效果与质量比的关系图；

图6是风振控制效果与频率比的关系图；

图7是风振控制效果与阻尼系数的关系图。

 

具体实施方式

TMD主要有质量块、弹簧系统、阻尼系统组成，TMD质量块可以利用水箱、混凝土块或装铅的钢箱，弹簧系统可用普通的螺旋弹簧或气动弹簧，阻尼器通常用油压阻尼器。

如图2所示是对高耸塔安装减振装置一般流程，在确定高耸塔需要TMD系统后，安装TMD系统在高耸塔上。

（1） TMD系统安装位置的确定。

高耸塔的振动能量主要集中在低阶频率尤其是一阶频率上。对高耸塔的振动控制，主要考虑第一阶振型和第二阶振型的振动。

TMD系统安装于主振型位移最大处的控制效果最佳，对于一般高耸塔，由于只需要对第一阶振型的振动进行控制，TMD控制装置安装于高耸塔的顶层控制效果最好。

（2）TMD系统布置形式的确定

图3a至图3d是可用于减轻高耸塔风诱导振动(以下简称风振控制)的TMD系统布置的四种形式，本发明主要考虑到风载荷角度不同时，风振控制的效果是不同的，因此研究了风载荷角度与风振控制效果的关系，参见图4，其中风振控制效果用塔顶共振振幅的减小量表示。由图4可看出，当采用布置方式Ⅰ或布置方式Ⅱ时，风振控制效果随风载荷角度的不同而不同，有时甚至毫无效果；而采用布置方式Ⅲ或布置方式Ⅳ时，风振控制效果显著并十分稳定，因此，一般的减轻高耸塔振动的装置的TMD系统的布置方式采用布置方式Ⅲ或布置方式Ⅳ，即采用三个TMD互相间隔120°，或采用四个TMD互相间隔90°。

利用有限元分析软件ANSYS中，用弹簧阻尼单元combin14和mass21质量单元可以对TMD系统进行分析。对加装TMD系统的高耸塔进行谐响应分析，获得最优的系统参数。

（3）TMD系统质量与高耸塔质量的最佳质量比的确定

采用有限元分析软件ANSYS结果表明风振控制效果随质量比的增大而提高，但质量比增大到一定程度，风振控制的效果已经不明显，一般质量比取1.0%到2.0%。

（4）最佳频率比的确定

风振控制效果与频率比（即TMD系统的频率与高耸塔一阶固有频率的比值）的确定。有限元分析结果表明随频率比的不同，风振控制效果也不同，当频率比0.9到1.1附近时，控制效果最好。

（5）最佳阻尼系数的确定

有限元分析结果表明风振控制效果随TMD的阻尼器阻尼系数的增大而提高，但阻尼系数增大到一定程度，控制效果反而随阻尼系数的增大而降低。一般阻尼系数选取40-100kg/mm·s。

（6）结构风诱导振动减振效果分析

采用最佳TMD系统布置形式和最佳质量比、频率比和阻尼器后，利用有限元分析高耸塔在风载荷作用下的振动响应，可以确定高耸塔的风诱导振动明显减轻。

具体实例

某高耸塔为沿海地区某石化装置中的第一萃取精馏塔，该塔总高49800mm，裙座高度为5700mm，裙座内径为φ2400/φ4000mm，塔体内径为φ2400，塔体壁厚为14mm，裙座壁厚为16mm，上下封头均为标准椭圆形封头，塔体总重69.93吨。该塔属于高耸高柔结构，安装就位后，在风载荷作用下有明显的振动效应，严重影响了结构的安全可靠性。

（1）确定将TMD系统安装在该第一萃取精馏塔顶层，TMD系统中TMD的布置方式采用布置方式Ⅲ或布置方式Ⅳ。

在有限元分析软件ANSYS中，利用弹簧阻尼单元和质量单元可以对所述TMD系统和第一萃取精馏塔进行分析。对加装TMD控制系统的精馏塔进行谐响应分析，以确定最佳的TMD系统的最佳质量比、频率比和阻尼器。

（2）TMD系统质量与第一萃取精馏塔质量最佳质量比的确定

图5是风振控制效果与质量比（即TMD系统总质量与塔体总质量的比值）的关系图。本例取质量比1.5%，对应TMD总质量为1.049吨。

（3）最佳频率比的确定

图6是风振控制效果与频率比（即TMD系统的频率与第一萃取精馏塔一阶固有频率的比值）的关系图。本例取频率比0.99，对应弹簧系统刚度系数为2.68N/mm。

（4）最佳阻尼系数的确定

图7是风振控制效果与阻尼系数的关系图。本例取阻尼系数为64Kg/mm·s。

（5）结构风诱导振动减振效果分析

采用TMD系统布置方式Ⅲ或布置方式Ⅳ和TMD系统的最佳质量比、频率比和阻尼器。利用有限元分析了精馏塔在风载荷作用下的振动响应。计算结果表明，对风诱导振动的控制效果可达到64%，满足结构设计安全控制的目标。

上述的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置及其方法，设计合理，与传统的减振控制技术相比，本发明优越性在于：

1）TMD系统主要有质量块、弹簧系统、阻尼系统组成，TMD质量块可以利用水箱、混凝土块或装铅的钢箱，弹簧系统可用普通的螺旋弹簧或气动弹簧，阻尼器通常用油压阻尼器；不同于麻烦且昂贵的传统减振措施，整个TMD系统构造简单，易于安装，维护方便且造价低廉。

2）TMD系统减振机理明确，控制效果显著，能有效减小主结构振动响应，在合理选取质量、刚度系数、阻尼系数等系统参数的情况下，研究表明它对结构风振控制的最佳效果可达50%以上。

3）TMD系统的减振效果十分显著，因此主结构可以减少加固结构并简化施工，从而可以节约工程造价并加快施工速度。

4）可以充分利用已有的结构设置TMD系统，并对某些难以采取传统措施进行减振控制的高塔，提供了难以替代的减振策略。

Claims (10)

1. 一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，包括布置在高耸塔设备上的TMD（调谐质量阻尼器）系统，所述TMD系统布置在高耸塔设备的顶部，所述TMD由质量块、弹簧系统、阻尼器构成，其特征于：所述TMD系统包括三个或四个TMD。

2.如权利要求1的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述三个TMD互相间隔120°。

3.如权利要求1的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述四个TMD互相间隔90°。

4.如权利要求1的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD系统的质量与所述高耸塔设备的质量的质量比为1.0%到2.0%。

5.如权利要求1的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD系统的频率与所述高耸塔设备一阶固有频率的频率比为0.9到1.1。

6.如权利要求1的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD的阻尼器的阻尼系数为40-100kg/mm·s。

7.一种减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，步骤如下：

在高耸塔设备上设置TMD（调谐质量阻尼器）系统，所述TMD系统包括三个或四个TMD；

调整TMD系统质量与高耸塔设备质量的质量比；

调整TMD系统的频率与高耸塔设备一阶固有频率的频率比；

调整TMD的阻尼器阻尼系数。

8.如权利要求7的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中所述三个TMD设置成互相间隔120°。

9.如权利要求7的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中所述四个TMD设置成互相间隔90°。

10.如权利要求7的一种减轻高耸塔设备风诱导振动的方法，其中调整所述TMD系统质量与所高耸塔设备质量的质量比为1.0%到2.0%。

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