CN103541458B - 一种新型调谐液体阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体阻尼与液柱阻尼结合的新型调谐液体阻尼器，包括水箱，挡板，挡板固定和调节装置，弹性支撑和交接装置。本发明结合调谐液体阻尼器（TLD）和调谐液柱阻尼器（TLCD）的优点，既保证制作简单，用途广泛，又增强阻尼减震效果。本发明以矩形深水箱为基本模型，在水箱底部中间设置铰接固定，两端使用弹性支撑；水箱中央设置一垂直放置的平板，其深入箱内液体的长度可调。当风荷载或地震荷载作用时，水箱内液体既产生水平方向振动，又产生竖直方向液面变化，从而增大其振动耗能。也可通过调整平板高度，改变液体流动状态来调节液体阻尼器的阻尼比。

Description

一种新型调谐液体阻尼器

技术领域

  本发明涉及一种液体阻尼与液柱阻尼结合的新型调谐液体阻尼器，结合了调谐液体阻尼与调谐液柱阻尼器的优点，有效提高了阻尼器减震效果。属于土木结构振动控制领域。

背景技术

近年来随着对结构抗震减灾的不断深入研究，新型的阻尼器逐渐吸引了人们的关注。其中，调谐液体阻尼器（TLD）以其经济简便，用途广，阻尼效果良好而得到了越来越多的应用；调谐液柱阻尼器（TLCD）因其颇为显著的阻尼效果也逐渐被重视。通过调整自振频率，通过类似U型管内液体的运动，TLCD系统可以产生阻尼力，减弱建筑主体的动力响应。在质量相同的情况下，一个TLCD系统可以在减震方面取得与TMD系统相似的表现。除了减弱建筑动力响应外，TLCD系统相比TMD系统还有许多优点。通过调整节流孔，系统中的液体可以有效的适应建筑结构的各级振动，因此该系统既可以作为被动式阻尼器，也可以作为半主动式阻尼器。TLCD系统也具有配置和空间的灵活性，和时有变化的动态特性，在主要结构施工完毕后，其参数可以很容易地调整。而现有的液体阻尼器同样各有缺点。TLD的耗能效果略有不足，而TLCD的制作较为复杂，不够经济，同时用途受限。因此，将调谐液体阻尼器和调谐液柱阻尼器结合起来，使其优势互补，并进行改进开发，形成一种构造形式更加简单、价格低廉、耗能能力好、调频能力强的新型液体阻尼与液柱阻尼结合的调谐液体阻尼器就具有重大的工程意义。

发明内容

 本发明的目的在于提供一种调谐液体阻尼与调谐液柱阻尼相结合的新型调谐液体阻尼器，安装于高层建筑顶部，不仅可以用于为高层建筑提供消防和生活用水，也可用于高层建筑的风振和地震反应控制，提高建筑的舒适度和安全度。

为达到以上目的，本发明提出的一种新型调谐液体阻尼器，包括：挡板1、挡板固定和调节装置2、水箱3、底部弹性支撑4、底部铰接装置5和水体6，其中：水箱3为封闭的长方体结构，其顶部开槽，挡板1从所述开槽部分插入水箱内，使水箱3内中部竖向放置有挡板1，挡板1由挡板固定和调节装置2固定和调节，水箱3底部通过弹性支撑4和底部铰接装置5固定在建筑物上，底部弹性支撑4布置于水箱3的纵向两端，底部铰接装置5布置在水箱3底部中央；水箱3内放置水体6，水体6在水箱3内的震荡类似于调谐液体阻尼器。

本发明中，所述挡板固定和调节装置2由螺丝，螺母和固定件组成。该装置要求所述挡板1上每隔一定距离开一定数量的孔。

本发明中，所述水箱3的深度与水箱3振动方向的长度比值大于1/8，水箱3为深水箱。

本发明中，所述弹性支撑4为弹簧或者高阻尼橡胶圈。

本发明的理论原理分为两部分：

1. 利用建筑物受风荷载或地震荷载时产生的晃动带动水箱及水箱内液体晃动来耗能。水体6在水箱3内的振荡，类似于调谐液体阻尼器，液体相互摩擦耗能，对水箱3侧压力提供结构回复力，减少结构响应。由于该系统独特的底部支撑设计，在荷载作用下，水箱内液体既会产生水平晃动，又会产生垂直方向的位移，这样就增加了液体表面晃动幅度，产生了更大的耗能，同时也提高了结构的自激活性。

在系统中．液体对结构的反作用主要取决于液流的运动状态．它直接影响着结构的减振效果。通过液流运动，液体对结构的作用在形式上相当于施加了两个间接力：“液动阻力”和“势力”。以y(t)表示水箱内液面位移，可得出液面变化与两间接力的基本关系可近似表示为：

                                                                               （1）

性质上为一种液动阻力，与液力阻尼系数有关；而与液面位移有关，可视之为与重力有关的势力，与惯性力系数有关。两者都是因为液体相对结构运动而施加于结构之上。液力阻尼系数属于控制的间接量，可以通过调整挡板的高度（开孔率）来调整液力阻尼系数（挡板在这里相当于节流孔），从而完成对水箱自振频率的控制。

2. 通过水箱3中挡板1的设置和调节来实现减振。普通TLD的阻尼是由水箱与水接触面的粘滞剪切引起的，一般不足1%，所以增大TLD的阻尼是十分必要的。液体绕流过挡板的阻力由Morison公式得：

                                   （2）

 式中：为挡板所受到沿晃动方向的液体作用力；为阻力系数分量，为惯性力分量。惯性力分量产生附加晃动质量，对整体动能有贡献，对固有频率的改变可以忽略不计。

当挡板高度调节时，绕流过挡板的液体流速发生变化，阻力系数和惯性力系数也会改变，则挡板所受液体作用力也发生变化，同时影响液体在竖直方向上的振动效果。而液体在竖直方向上的振幅也使挡板受力情况改变。具体表现为液体竖直方向上振幅增大时，挡板所受液体作用力增大。

由以上分析可知，影响水箱阻尼效果的两方面是相互影响，相互辅助的。另外挡板高度可以自由调节，使其相比于传统TLD的优势也是非常明显的。

本发明有以下优点：

1.  耗能途径多样，可提供比传统TLD更加优异的耗能效果；

2. 可通过调节水箱内挡板高度，实现调节调谐液体阻尼器的阻尼比，达到设计的最优阻尼比，实现振动控制的最佳效果，同时具有较宽的阻尼比调节范围；

3. 自激活性能优异。

附图说明

图1是设计阻尼器的主视图。

图2是设计阻尼器的纵向剖面图。

图中标号：1为挡板，2为挡板固定和调节装置，3为水箱，4为底部弹性支撑，5为底部铰接装置，6为水体。

具体实施方式

以下是结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：图1是本发明的主视图，图2为发明的俯视图。由本图可见，该结构包括挡板1、挡板固定和调节装置2、水箱3、底部弹性支撑4、底部铰接装置5和水体6。其中，挡板1截面为矩形，上端每隔一定距离开孔以实现挡板固定和调节装置2的安装和使用。挡板固定和调节装置2由螺丝，螺母和固定件组成，可调整挡板1伸入水箱3中液体的深度。可通过调整挡板1深入液面的深度来适应不同的建筑物和不同的荷载情况。水箱3上部封闭，顶板中央留出空隙以安装挡板。水体6在水箱3中振荡，类似于调谐液体阻尼器。水箱3采用一种较为独特的支撑形式：由处于底部中央的铰接装置5和沿振动方向两端布置的弹性支撑4提供支撑作用。弹性支撑4既保证水箱3不会因为振动而与屋面发生碰撞而损坏，又使水箱可以在受风时产生竖向位移，可视具体情况决定采用弹簧或高阻尼橡胶圈作为弹性支撑。

本发明的工作原理是：当建筑物受风荷载或地震荷载产生水平振动时，阻尼器受其影响产生水平晃动。水箱内粘滞液体晃动产生作用于箱体的惯性力，挡板1提供液体运动的阻尼力，液体在水箱两侧的位差提供液体运动的恢复力。惯性力通过箱体传递为作用于结构上的控制力，从而与外冲击力相抵，这样就可较好的减弱振动对建筑主体的影响，达到预期目标。

Claims (3)

1.一种新型调谐液体阻尼器，包括：挡板(1)、挡板固定和调节装置(2)、水箱(3)、底部弹性支撑(4)、底部铰接装置(5)和水体(6)，其特征在于：其中：水箱(3)为封闭的长方体结构，其顶部开槽，挡板(1)从所述开槽部分插入水箱内，使水箱(3)内中部竖向放置有挡板(1)，挡板(1)由挡板固定和调节装置(2)固定和调节，水箱(3)底部通过底部弹性支撑(4)和底部铰接装置(5)固定在建筑物上，底部弹性支撑(4)布置于水箱(3)的纵向两端，底部铰接装置(5)布置在水箱(3)底部中央；水箱(3)内放置水体(6)，水体(6)在水箱(3)内的震荡类似于调谐液体阻尼器；所述挡板固定和调节装置(2)由螺丝，螺母和固定件组成，该装置要求在挡板(1)上部隔一定距离开一定数量的孔。

2.根据权利要求1所述的新型调谐液体阻尼器，其特征在于：所述水箱(3)的深度与水箱(3)振动方向的长度比值大于1/8，水箱(3)为深水箱。

3.根据权利要求1所述的新型调谐液体阻尼器，其特征在于：所述底部弹性支撑(4)为弹簧或者高阻尼橡胶圈。