CN102677792B - 一种高耸结构风致振动的综合控制装置 - Google Patents

Abstract

由于高耸结构的刚度较小，在风荷载作用下容易产生较大幅度的振动，从而导致结构的疲劳损伤或破坏，结构的安全可靠度降低。本发明针对高耸结构的风致振动问题，开发了一种抑制结构振动的综合控制装置。该装置将TLD与TMD从理论与装置两方面结合起来，共同发挥优势，取长补短，能最大限度地为高耸结构提供阻尼耗能作用和输出控制力以减少结构振动；同时，该减振装置制作方便、可根据结构需要调整控制力的大小，并且可以通过调整钢球与液体的比例来达到最佳的减振效果。另外该发明装置占用空间较小，安装方便，成本较低，且易于检修。

Description

一种高耸结构风致振动的综合控制装置

技术领域

本发明涉及一种高耸结构风致振动的综合控制装置，尤其适用于抑制土木工程高耸结构风作用下的振动反应。

背景技术

风灾是人类社会面临的几种主要自然灾害之一，每年都会给人类造成巨大的生命和财产损失。全球每年由于风灾造成的直接经济损失可达数百亿美元，在我国每年平均约有7-8个台风或强热带风暴登陆，风灾给我国造成了严重的各项损失。土木工程结构在风作用下的损害是风灾带来损失的重要组成部分。

高耸结构所承受的主要荷载有结构自重、检修活荷载、风荷载和地震作用；由于高耸结构的刚度较小，容易产生较大幅度的振动，从而导致结构的疲劳损伤或破坏，降低结构的安全可靠度，所以风荷载通常是此类结构的水平控制荷载，高耸结构的风致振动控制问题备受关注。风荷载对高耸结构的作用有静力和动力两个方面：静力方面主要表现为使结构产生较大的水平侧移；动力方面则表现为不仅会使结构产生水平侧移还会使结构产生振动，即风振。对于风致振动的减振控制措施包括空气动力学措施和安装减振装置。在许多高耸结构中，空气动力学措施只能起到一定程度的减振作用，并不能完全满足工程的需求，在此情况下，减振装置TMD与TLD被应用于建筑结构中。

TMD是结构被动减振控制体系的一种，由主结构和子结构两部分组成，其中子结构包括固体质量、弹簧减振器和阻尼器等几部分，它具有质量、刚度和阻尼，可以通过改变质量或刚度来调节子结构的自振频率，以使子结构的自振频率接近主结构的基本频率或激振频率，当主结构受到激励振动时，子结构会产生一个与主结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减，以达到振动控制的作用。

TLD是利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧压力来提供减振力的，在激振力的作用下，TLD中的液体产生晃动，并在液体表面形成波浪，晃动的液体和波浪对TLD的箱壁产生动压力差，同时液体运动也产生惯性力，二者共同形成了TLD的减振作用。

近年来TMD和TLD的研究取得了较大进展，在高层结构或高耸结构中有许多成功应用案例；但在振动过程中，结构固有频率的偏移对TMD或TLD的减振效果造成影响，由此提出利用MTMD解决问题却使得每个质量块的有效性无法得到充分的发挥，造成了减振装置的浪费。相关学者提出了将TMD与TLD结合进行被动减振控制的理论，但没有涉及到高耸结构在风致振动下的减振问题，并且都将TMD与TLD作为独立装置进行结合。本发明提出了一种高耸结构风致振动的综合控制装置，将TLD与TMD从理论与装置两方面结合起来，共同发挥二者的优势，取长补短，使装置发挥最大的减振作用。

发明内容

技术问题：本发明装置中球型底槽及槽中自由空心钢球组成TMD减振部分，在槽中填充饮用水组成TLD减振部分，提出了一种结合TLD与TMD的综合控制装置，其计算简图见图1。该控制装置能对高耸结构提供水平各个方向的阻尼耗能作用和输出控制力以被动控制结构的振动；同时，该控制装置可以根据结构需要调整控制力的大小以及装置中组件的比例尺寸，以达到最佳的减振控制效果。

技术方案：本专利所发明的高耸结构风致振动的综合控制装置如图2所示，其中包括：顶板、顶板预留孔洞、圆柱形箱壁、防撞缓冲层、空心钢球、球冠型底槽、锚固螺栓孔、装置底盘、液体、钢球中心圆孔、钢球表面的摩擦层、结构物、浮子；圆柱形箱壁的上端与顶板了连接，圆柱形箱壁的下端装置底盘(见图3)与连接，球冠型底槽的周边与圆柱形箱壁的周边连接，在圆柱形箱壁的内壁与球冠型底槽交接线以上附着耐水的防撞缓冲层，空心钢球(见附图4)位于顶板、顶板预留孔洞、圆柱形箱壁所构成的容器内，在该容器内注有液体。

空心钢球内部分填充砂石或不易挥发的液体。

空心钢球、球冠型底槽的表面为凹、凸面。

空心钢球、球冠型底槽的表面设有摩擦层。

在顶板、顶板预留孔洞、圆柱形箱壁所构成的容器内安装水浮子(13)，用来测量圆柱形箱中液体的高度，时刻保持液体在适当的范围内。

在所述的顶板预留孔洞可封闭。

有益效果：在控制高耸结构风致振动方面，该发明装置减振效果较TMD或TLD要好，其中盛放的液体有助于调节结构的振动频率使TMD减振效果得以充分发挥，同时空心钢球中部分填充更增加了减振输出。该发明装置控制高耸结构的多阶振型反应，其效果较单一控制结构第一振型要好，且占用空间较小，安装方便，成本较低，易于检修。随着国民经济的飞速发展和我国城市化建设的进一步推进，高层建筑必将得到越来越广泛的应用，为本装置的工程应用提供了广阔的发展空间。

附图说明

图1是减振装置计算模型示意图，

图2是本发明减振装置结构的整体构造示意图，

图3是本发明减振装置的固定底盘，

图4是图2中摆动的钢球，

图5是本发明具体实施示意图。

图中有：顶板1；顶板预留孔洞2；圆柱形箱壁3；防撞缓冲层4；空心钢球5；球型槽6；锚固螺栓孔7；装置底盘8；饮用水9；钢球中心圆孔10；钢球表面的摩擦层11；结构物12；浮子13。

具体实施方式

本发明的装置包括：顶板1、顶板预留孔洞2、圆柱形箱壁3、防撞缓冲层4、空心钢球5、球冠型底槽6、锚固螺栓孔7、装置底盘8、液体9、钢球中心圆孔10、钢球表面的摩擦层11、结构物12、浮子13；圆柱形箱壁3的上端与顶板1了连接，圆柱形箱壁3的下端装置底盘8与连接，球冠型底槽6的周边与圆柱形箱壁3的周边连接，在圆柱形箱壁3的内壁与球冠型底槽6交接线以上附着耐水的防撞缓冲层4，空心钢球5位于顶板1、顶板预留孔洞2、圆柱形箱壁3所构成的容器内，在该容器内注有液体。

对于空心钢球在计算时可以简化成普通TMD装置。根据相关研究，TMD减振系统对高耸结构风振控制能产生最优控制效果时，TMD系统与结构质量比的最优取值范围为α_d＝[0.005，0.02]，TMD系统的最优阻尼比的取值范围为ξ_d＝[0.03，0.08]，TMD系统最优阻尼比与最优质量比之间的关系公式为

ξ_d＝2.5α_d+0.005                     (1)

当TMD的最优阻尼比ξ_d确定之后，即可求出TMD系统的阻尼系数c_d。

TLD可认为是特殊的TMD装置，因为它们有着相似的减振控制机理：依据Housner方法可以确定出液体的等效晃动质量与弹簧刚度，同时TLD装置中的液体(除边界层)可认为是无旋的，伯努利方程成立，可以得到圆柱形容器中液体提供的减振力(略去边界层的粘滞力)。本发明装置中柱形箱的底面是球面，计算有一定的特殊性，在此简化成底面为平面的进行计算。假设结构物沿y向的水平加速度为ü_i，水箱底半径为a，静水深为h，基于微幅波减振与流体力学的相关原理，可得TLD中水运动的速度势函数Φ(r，θ，z，t)为：

$\mathrm{\Φ}(r,\mathrm{\θ},z,t)=a\sin \mathrm{\θ}[\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n{\stackrel{\·}{W}}_n\left(t\right)\frac{\cosh \left(S_n\frac{z+h}{a}\right)}{\cosh \left(S_n\frac{h}{a}\right)}+\frac{r{\stackrel{\·}{u}}_i}{a}]---\left(2\right)$

由上式可求得圆柱形TLD对结构的控制力为：

$P_{\mathrm{TLD}}=-m_T[{\stackrel{\·\·}{u}}_i+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{d}_n{f}_n{\stackrel{\·\·}{W}}_n\left(t\right)]---\left(3\right)$

其中： ${\stackrel{\·\·}{W}}_n\left(t\right)+{2\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{Tn}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Tn}}{\stackrel{\·}{W}}_n\left(t\right)=-{\stackrel{\·\·}{u}}_i---\left(4\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Tn}}^2=\frac{a}{g}{S}_n\tanh \left(S_n\frac{h}{a}\right)---\left(5\right)$

$m_T={\mathrm{\ρ\πa}}^{2}h,d_n=\frac{1}{S_n^2-1},f_n=\frac{a}{{\mathrm{hS}}_n}\tanh \left(S_n\frac{h}{a}\right)---\left(6\right)$

式(4)中ω_Tn是TLD中水晃动第n振型的频率，ξ_Tn是第n振型的阻尼比。

TMD与TLD组成的综合控制装置，近似认为其减振效果为两者的叠加，并根据结构控制的频率段来调节TLD的振荡频率和TMD的自振频率，同时，TLD还有助于调节结构的频率以使结构的频率在TMD的减振频段之内，以达到最佳的减振效果。

在实际工程应用中，该装置中技术参数与材料属性等按照以下要点来确定：

1)球型底面的曲率半径R2、钢球外径R1、内径r及钢球材料的最佳参数根据试验及有限元分析结果确定；

2)钢球的表面和球型底面的接触部位都涂有摩擦层，增加耗能，同时钢球内孔中可填充砂石或不易挥发的液体，但切勿装实；

3)水箱的底盘半径R3、水箱的高度以及实际装水的高度的最佳参数根据不同工程项目由试验及有限元结果确定；

4)为了防止钢球2来回摆动幅度过大对箱壁3造成撞击，故于箱壁3内侧附着缓冲材料层4；

5)为方便检修，顶板1上预留孔洞2(为了安全起见，该孔洞平时封闭)，同时为方便装置与结构物连接，预留螺栓孔洞6；

6)增加水浮子，用于测定水箱水位并自带预警补水功能。其合理水位由试验及有限元结果确定，但必须小于箱壁高度，防止结构振动时水充实而不能晃动。

如图5所示在制作安装过程中本发明装置可以分为I、II、III三部分，可以将三部分分别加工制作然后在现场进行组装焊接：

●I包括装置底盘8、球型底槽6以及部分圆柱形箱壁3。这3个组件可以分别加工然后进行焊接，球型底槽8在I组装完成后再涂上摩擦层材料，装置底盘8上的锚固螺栓孔7的数目可以根据实际需要进行确定；

●II包括顶板1、顶板预留孔洞2、部分圆柱形箱壁3、防撞缓冲层4、浮子13。各个组件分别加工完成以后先将防撞缓冲层4固定在圆柱形箱壁3上，然后将带有预留孔洞2的顶板1与圆柱形箱壁3焊接，在焊接前后安装上浮子均可；

●III只包括空心钢球5。空心钢球5可以采用整体浇铸，浇铸完成后首先表面就行处理，保证钢球表面平滑，没有多余的棱角，然后钢球表面涂抹摩擦层材料，或者是在钢球的浇铸时模具经过特殊处理以使浇铸完成的钢球表面有细微规则的凸凹。

在I、II、III三部分分别组装完成以后，可以在施工现场进行大拼装以组合成本发明装置。在任何一部分的组装过程中焊缝都要进行检查，保证焊缝处不会发生漏水、渗水。

Claims (6)

1.一种高耸结构风致振动的综合控制装置，其特征是该综合控制装置包括：顶板（1）、顶板预留孔洞（2）、圆柱形箱壁（3）、防撞缓冲层（4）、空心钢球（5）、球冠型底槽（6）、锚固螺栓孔（7）、装置底盘（8）、液体（9）、钢球中心圆孔（10）、钢球表面的摩擦层（11）、结构物（12）、浮子（13）；圆柱形箱壁（3）的上端与顶板（1）连接，圆柱形箱壁（3）的下端与装置底盘（8）连接，球冠型底槽（6）的周边与圆柱形箱壁（3）的周边连接，在圆柱形箱壁（3）的内壁与球冠型底槽（6）交接线以上附着耐水的防撞缓冲层（4），空心钢球（5）位于顶板（1）、顶板预留孔洞（2）、圆柱形箱壁（3）所构成的容器内，在该容器内注有液体。

2.根据权利要求1所述的高耸结构风致振动的综合控制装置，其特征是：空心钢球（5）内部分填充砂石或不易挥发的液体。

3.根据权利要求1所述的高耸结构风致振动的综合控制装置，其特征是：空心钢球（5）、球冠型底槽（6）的表面为凹、凸面。

4.根据权利要求1所述的高耸结构风致振动的综合控制装置，其特征是：空心钢球（5）、球冠型底槽（6）的表面设有摩擦层。

5.根据权利要求1所述的高耸结构风致振动的综合控制装置，其特征是：在顶板（1）、顶板预留孔洞（2）、圆柱形箱壁（3）所构成的容器内安装水浮子（13），用来测量圆柱形箱中液体的高度，时刻保持液体高度在适当的范围内。

6.根据权利要求1所述的高耸结构风致振动的综合控制装置，其特征是：所述的顶板预留孔洞（2）可封闭。

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