CN1033208A - 有效抑制建筑物对外界扰动响应的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

用于抑制建筑物对风和地震等外界扰动响应的 方法及其设备。该方法包括a.将至少一个限定一内 部空间的围墙固定到建筑物，b.将至少一阻碍装置固 定到围墙使其保持在围壁内c.对围墙供以具有一自 由面的液体使其充满内部空间的预定部分，围墙尺寸 及液量的确定致使液体晃动自然频率与建筑物自然 频率一致。该设备包括a，所述围墙，b，所述液体及 c，置于围墙内，为扰动液流从而使液体的晃动具有至 少一个自然频率，并增大晃动衰减系数的阻碍装 置。

Description

本发明涉及一种为抑制建筑物对例如风、地震等外界扰动的响应的设备和方法。

为使建筑物对抗象地震、风和交通之类振动负荷的一种传统方法是使建筑物的结构强度足以承受那些外界负荷。但在近代，已经提出一种所谓地震隔离的见解，并已为使建筑物免受地震负荷而付诸实践。该地震隔离是要通过一种软而有弹性的支撑物来支撑该建筑物，并通过该支撑物的大的形变能力来吸收该地震负荷。关于该地震隔离的一个问题是：虽然该隔离作用对于切断通过该支撑物所要感生的振动负荷是有效的，但有时当振动负荷被直接感生而不是经过其支撑物传递到该建筑物时，却使情况变得更坏。这样一些情况发生在建筑物因风，或例如在桥梁因车辆经过其上而振动时。这时，如果应用传统的地震隔离技术，则振动量将易于变得更大。

为了解决这些麻烦事情，本发明人已通过第62-241045号日本专利申请推荐一种用于建筑物的振动抑制设备。通过该专利申请所揭示的是这样一种抑制振动的设备，它包括有一个槽和一种保存在该槽中的液体，该槽要安装在该建筑物的屋顶上，以便抑制建筑物的振动。当建筑物振动时，建筑物的振动能量引起该液体，以某一等于该建筑物自然频率的晃动自然频率同该建筑物谐振地晃动。结果，随着该建筑物的振动能量传递到该液体而抑制了该建筑物的振动。在该说明书中陈述了保留在槽中的液体的重量最好重于该建筑物的1%以便确保其有效性。

关于上述设备和用于抑制一种建筑物振动的若干方法的一个问题是：该设备具有很窄的谐振带，仅在其被激励到正好是它的自然频率时才起作用。所以难于确定槽的尺寸和液体的量，以便使晃动的自然频率恰好同建筑物的振动谐振。此外，如果该建筑物的自然频率因其材料的损坏而偏移，则该设备就失谐。

另一个问题是因为晃动过程中的衰减系数通常远小于普通建筑物的衰减系数，所以液体的晃动要持续很久。因此，在例如风和地震等外界扰动结束以后，所述液体继续晃动，因而该液体就变成一个激励该建筑物的振源了。

为了解决这样一些寓于先有方法和设备中的不足之处，本发明旨在为此而提供一种用于抑制建筑物对各种外界扰动响应的方法以及具有相当宽频带的设备。

本发明的另一个目的是要提供一种用于抑制一种其自由振动可迅速稳定下来的建筑物响应的设备。

本发明的另一个目的是要提供一种有效地衰减建筑物的涡旋运动的设备。

就本发明的一个方面而言，这种按照本发明的设备包括：（a）借此限定某一内部空间的围墙，（b）保存在该围墙中并具有一自由表面的液体，以及（c）配置于该围墙中以便使液流紊动的阻碍装置，从而使该液体具有至少一个晃动自然频率，并且该阻碍装置增大了晃动的衰减系数。

就本发明的另一方面而言，提供有一种用于抑制建筑物的振动的方法，该建筑物具有某一自然频率，该方法包括有以下各步骤：（a）将至少一个围墙固定于该建筑物上，该围墙限定出某一内部空间，（b）将至少一个阻碍装置固定到该围墙上以便使该阻碍装置保持在该围墙里面以及（c）为该围墙提供液体以便使该内部空间的某一预定部分灌满该液体，使该阻碍装置浸没在该液体中，而该液体具有一个自由表面，其中该围墙的尺寸和其液量被如此确定以使该液体在由该阻碍装置扰动晃动时的晃动自然频率一般等于该建筑物和水流的自然频率。

图1示出一个建筑物和装在该建筑物顶上的本发明为抑制各种外界扰动的设备。

图2示出一种说明该建筑物和设备的震动特征的二自由度振动器。

图3是本发明设备的第一实施例的平面图。

图4是本发明第一种实施例的垂直剖面图。

图5是按照本发明第一种实施例的垂直剖面图。

图6示出一种当该建筑物配备有本发明的设备时的建筑物的响应频谱。

图7示出一种当该建筑物未配备此设备时的建筑物的响应频谱。

图8是本发明的第二实施例的垂直剖面图。

图9是本发明的第二实施例的平面图。

图10是本发明的第三实施例的垂直剖面图。

图11是本发明第三实施例的平面图。

图12是本发明第四实施例的垂直剖面图。

图13是本发明第四实施例的平面图。

图14是本发明第五实施例的垂直剖面图。

图15是本发明第六实施例的剖面图。

图16是本发明第六实施例的平面图。

下文将对本发明的几个最佳实施例进行详细描述。

（1）第一种最佳实施例

示于图3和4中的第一最佳实施例包括有具有圆底板1和圆筒形侧壁3、保留在该围墙3内的水5以及设置在围墙3中并浸没在水5中的五个水车装置4。正如该二图所示，该水车装置4包括有在其下端固定于底板1上的从那里竖立着的轴杆6、用于围绕轴杆6旋转运动的、固定在轴杆6一端上的轴承装置7以及在其各靠近侧连固到轴承装置7的四个叶片8。通常每个叶片8的远离侧被弯成与其它部件垂直以便使四个叶片8形成在一个平面图中的逆时针方向旋转的 字形。

如图1所示，通过将支撑装置11夹在底板1（详见图4）和建筑物顶面之间而将上述设备9固定在建筑物10的顶上。支撑装置11包括有若干钢板和若干由弹性材料（如橡皮）制成的薄板，这两种板材是相间地、水平地分层设置的。由于这种结构，所以支撑装置11在水平方向上具有比较低的刚度，而在垂直方向上却具有较高的刚度。

当该建筑物响应于风的负荷或地震而引起该建筑物各种运动时，保留在围墙3里的水5就晃动。随同该晃动的水流就使水车4转动，同时叶片8使水5在其周围紊动。通过在其周围引起不规则的水流和涡流，水车4消耗掉以晃动形式的水的势能。这样，就使水的晃动逐渐衰减。通过适当地调整该围墙的尺寸和保留在围墙中的水量可调节晃动的自然频率，使其与该建筑物的自然频率一致。所以，当该建筑物振动时，水中发生晃动，从而抑制该建筑物的振动，同时利用阻碍装置衰减这种振动能量，该阻碍装置在本实施例中就是水车。结果，振动，也就是说该建筑物对外界各种扰动的响应，就借助该设备而有效地被抑制了。

该设备之所以有效不仅在于该建筑物的抑制性的反向运动，而且在于该建筑物的涡动。如前所述，当该建筑物打旋时，在水中就发生旋涡运动，从而消耗掉该建筑物的振动能量。

因为水车4被如此配置，以致通过打乱正常水流而增强对晃动的衰减作用，水车4可为打乱正常水流的其它阻碍装置所取代。例如可将轴承连固到该轴杆，以便消除水车4的旋转运动。

图5示出第一种实施例之一，其中多个水车4被连固到轴杆6。通过变更配置在水5中的水车个数，就可调整其衰减因数。

下面将从数学观点出发对该振动抑制设备的作用进行说明：

根据豪斯纳方程（Housner′s    equations），有效质量MT和晃动自然频率表达如下：

M1＝（1/4）（5/6）²（27/8）R·tanh（ $\sqrt{\mathrm{27/8}}$ /（ H）·M

式中M1：晃动中的水的有效质量

H：水深

R：水槽的半径

M：保留在水槽中的水的总质量

4pi²f²＝（H/R） tanh〔 $\sqrt{\mathrm{27/6}}$ ·（H/R）〕

Pi：圆周及其直径之比值

根据以上方程式，对于H＝2m，和R＝15m的情况来说，则有效质量M1＝812吨，而自然周期（自然频率的倒数）为11.7秒。

只要有效质量和晃动的自然频率是已知的，则从振动观点来看，该设备的各种作用可由一个普通振动器来模拟，该振动器组成如下：用一弹簧支撑某一质量M，该弹簧的刚度为K，并且将一阻尼系数为C的减震器与该弹簧平行地连固到该质量。该模型被称为福格特模型（Voigt    Model）。这个模型的自然频率Fn可近似地由下列方程式给定：

Fn＝ $\sqrt{\mathrm{K/M}}$ /2Pi

Pi：圆周与其直径的比值

因此，通过使用上式，可求得该弹簧的有效刚度K。

当然，该建筑物也可由一种其特性与设备9的特性不同的福格特模型所模拟。所以，一种装备有振动抑制设备的建筑物可用一对福格特模型来模拟：如图2所示，它们是一个装在另一个的顶上的。

现在将通过参考所谓二自由度振动系统的图2对该实施例的作用进行说明。一个质量-弹簧-减振器系统A示意地代表了该建筑物的振动特征。质量20、弹簧21和减振器22分别代表该方式的有效质量、有效刚度和有效衰减，它们都是由该建筑物的结构特性所确定的。一个质量-弹簧-减振器系统B代表本设备。质量23、弹簧24和减振器25分别代表有效质量、弹簧的有效刚度和晃动的衰减系数。减振器25的特性主要决定于液体的粘度和水车的几何形状。

就该晃动的有效质量是小于该建筑物的有效质量的百分之几而论，在该建筑物和晃动的自然频率中的偶合效应是可忽略不计的。因此当该建筑物的自然频率与该设备的自然频率相等时，则该配对的二自由度系统的自然频率也就相等。

该建筑物的自然频率Fb确定如下：

Fbn＝ $\sqrt{\mathrm{Kn/Mn}}$ /2Pi

式中Kn：该建筑物的模型刚度

Mn：该建筑物的模型质量

因此，借助于上述各方程式使该设备的自然频率等于该建筑物的自然频率就成为可能了。

由于当该建筑物因地震等而振动时，该重量的振动与该建筑物的振动相谐振，该建筑物的振动幅度是依靠该振动抑制设备而减小的。该设备起所谓动态阻尼器的作用。换言之，该建筑物的振动能量被传递到该设备，并在水中产生晃动。该振动能量一旦被传递到该设备时，则通过该水车把它逐渐地消耗掉。该建筑物振动幅度的减小正比于被传递到该设备并消耗于其中的振动能量的量。于是借助本设备就可抑制该建筑物的振动或响应了。

在上面的说明中，为使说明简单起见，由第一方式代表该建筑物的振动特征，从而在那个基础上来说明该振动抑制设备的各种作用。但是，该振动抑制设备的应用不只限于抑制建筑物的第一方式，而是也可应用于抑制建筑物的任何其它方式。此时，最好将所述振动抑制设备安装在该建筑物在该目标方式下位移很大的地方。因此，可将该抑制设备安装在一个或若干中间楼层上。

（2）本发明的第二实施例

图8和9示出用于抑制建筑物响应的本设备的一个改型实施例。本实施例备有一种漂浮装置30和为将该漂浮装置拉紧到该围墙的拉紧装置31以代替第一种实施例中浸没于水中的水车。在本实施例中，在水5的表面上正漂浮着24个漂浮装置30和同样数量的线绳31，这些线绳一端被接到该漂浮装置30，而另一端被接到围墙3，把该漂浮装置的位移量限制到某一预定的范围以内。

借助上述结构，当在水中发生晃动时，不但漂浮装置30，而且拉紧装置31都使伴随着晃动的正常水流紊动。所以通过由漂浮装置30和拉紧装置31所引起的不规则的局部水流而消耗掉晃动的势能。因此还通过本实施例而使衰减系数增大了。

（3）本发明的第三最佳实施例

在本发明的第三最佳实施例中，配备有一种用于抑制建筑物响应的设备，该设备包括有漂浮在水（5）表面上的漂浮装置40，将该漂浮装置40拉紧到围墙3的拉紧装置42、具有许多穿通的孔眼，并将水区分隔成若干分段的网眼装置43以及用于使该网眼装置43定位于各予定位置的定位器41。该网眼装置43比水5的深度H短，因而是浸没在水中的。

借助第三最佳实施例，使伴随晃动的水流紊动得比上一实施例情况更加厉害得多，这是由于所述漂浮装置40、拉紧装置42以及网眼装置43而造成的。所以，使衰减系数大为增高。

在该图中，网眼装置43都被设置成可在平面图上形成一个格栅。但是就该网眼装置43可使水流紊动而论，网眼装置43不应局限于格栅状，而是可用其它形状。另外，可将网眼装置43水平设置，这是因为该种晃动伴随着水的垂直运动。

（4）本发明的第四最佳实施例

图12和13表示本发明的第四种改型实施例。按照这个实施例，在水5中配置有若干细长弹性部件50，该部件的一端固定于围墙3的底部，其另一端是自由的。由于部件50的密度小于水的密度，所以借助其浮力而使部件50半漂浮地竖立着。这些部件一般是直的，但它们不必需是直的。在形状上的各种不规则性可以增强衰减作用。

当水5在围墙3中晃动时，弹性部件50就按照水流而摇晃。主要依靠部件50和水之间的磨擦力和由部件50所引起水的紊动而使晃动衰减。

（5）本发明的第五最佳实施例

图14示出第五最佳实施例，其中一种浸没在水5中的阻碍装置62是由一种弹性材料制成的，并包括有一主干60和若干连固于主干60上的分枝61。主干60的下端固定到围墙3的底部而阻碍装置竖立其上。

借助比上一实施例更加复杂的几何形状，阻碍装置62在增强衰减作用上比细长部件50更有效。

（6）本发明的第六最佳实施例

图15和16示出第六最佳实施例，其中将砂70与水5一起保留在围墙3中。当水5晃动时，砂70就与水5一起流动，并通过砂粒之间以及砂70和水5之间的磨擦力而消耗该势能。

通过以上说明，使我们清楚地了解，本发明不限于上述各实施例，而是任何包括有（a）限定某一内部空间的围墙，（b）保存在该围墙中的，并具有某一自由表面的液体，以及（c）置于该围墙中以便使液流紊动的阻碍装置等设备均可有效地对外界扰动所引起建筑物的响应进行有效的抑制。

此外，就保存在围墙中的液体具有某一晃动频率而论，所述围墙的几何形状不限于圆筒形，而是任何可使用的形状。

凭借本发明可提供一种用于抑制外界各种扰动对建筑物响应的方法及其具有相当宽频带的设备。

此外，本发明提供了用于抑制建筑物响应的设备，该建筑物的自由振动是迅速稳定的。

本发明的另一特征是提供一种有效地衰减建筑物涡旋运动的设备。

（5）实例

图6和7表示从对于某一建筑物模型进行使用和不用本发明的抑制建筑物响应设备的试验中所导出的试验结果。图6是装有包括水和阻碍装置的设备的建筑物模型的响应时间历程的频谱图。图7是在建筑物模型中的该设备中不保存水的情况下的响应频谱图。在0.7Hz左右的峰值就是该建筑物模型和晃动的自然频率。在该设备保存水的情况下，出现在0.7Hz左右的峰值比在另一种不保存水的情况下要小得多。图6中频谱的总面积比图7中的要小，这就意味着响应的总功率在装有抑制设备情况下是比较小的。反之，该建筑物的响应是类似正弦形的，这是因为振动能量集中在0.7Hz左右的一段窄带中。

因此，根据各种试验，也证实了本发明的有效性。

Claims (18)

1、一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，该建筑物具有一自然频率，特征在于该设备包括有：

(a)借以限定一个内部空间的围墙；

(b)保存在该围墙中并具有一自由表面的液体以及；

(c)为使该液体紊动而配置在该围墙中的阻碍装置，

从而该液体至少具有一个晃动自然频率，而该阻碍装置增大了该晃动的衰减系数。

2、按照权利要求1的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中该阻碍装置包括至少一个装在所述内部空间并浸没于所述液体中的水车以便在所述液体晃动时使液流紊动。

3、按照权利要求2的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于，其中所述水车由所述围墙所支撑并可按所述液流转动。

4、按照权利要求3的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中水车的数量是可变的。

5、按照权利要求3的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中至少一根轴杆被固定于围墙，以便由此而垂直竖立，以及至少一个水车被可转动地固定于每根轴杆上。

6、按照权利要求1的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中阻碍装置包括至少一个漂浮在液面上的漂浮装置以及至少一个为限制因漂动而撞击围墙的拉紧装置。

7、按照权利要求6的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述拉紧装置包括一根由弹性材料制成的线绳。

8、按照权利要求1的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述阻碍装置包括至少一个浸没在液体中的网眼装置，所述网眼装置具有许多穿过它用于限制并容许所述液体流过它的孔眼。

9、按照权利要求8的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述网眼装置是一种金属网。

10、按照权利要求1的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述阻碍装置包括至少一个漂浮在液体表面上的漂浮装置、至少一个为限制因漂动而撞击所述围墙的拉紧装置以及至少一个浸没在液体中的网眼装置，所述网眼装置具有许多穿过它的孔眼，以便限制和容许所述液体流过它。

11、按照权利要求1的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述阻碍装置包括至少一个浸没在液体中并在其至少欢斯潭ǖ轿降南赋げ考?

12、按照权利要求11的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述细长部件具有至少一个从所述部件延伸出来的分枝。

13、按照权利要求1的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述阻碍装置包括有混合在所述液体中的颗粒。

14、按照权利要求13的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述颗粒是砂粒。

15、按照权利要求1至14之一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的设备，特征在于：其中所述围墙具有圆形水平剖面、并且所述液体还具有一个涡旋自然频率。

16、一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的方法，所述建筑物具有一个自然频率和某一对应于它的自然方式，所述方法特征在于：包括下列步骤：

（a）将至少一个围墙固定到所述建筑物上，所述围墙限定一个内部空间;

（b）将至少一个阻碍装置固定到所述围墙以便使所述阻碍装置保持在围墙里面;以及

（c）为所述围墙供应液体，以便使所述内部空间的某一预定部分灌满所述液体，而所述液体具有一个自由表面。

其中所述围墙的尺寸和所述液体的量要确定得可使所述液体的晃动自然频率一般与所述建筑物的自然频率相等。

17、按照权利要求15的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的方法，特征在于：把所述围墙定位于所述建筑物的自然方式具有某一显著位移的位置上，并且所述晃动自然频率与所述建筑物的自然频率相等。

18、按照权利要求16的一种用于有效抑制建筑物对外界各种扰动响应的方法，特征在于：其中所述液体还具有某一与所述建筑物的涡旋运动的自然频率相等的涡旋自然频率。

Images