CN104264857B - 控制楼板竖向高频振动的调谐质量阻尼器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于工业厂房楼板的高频竖向振动控制的调谐质量阻尼器及其制作方法，主要包括门式刚架、质量块以及阻尼器，门式刚架由立柱与水平钢梁组成，利用水平钢梁的竖向弯曲变形可实现固定在其上的质量块竖向往复直线运动；质量块采用变截面形式，保证了质量块在水平钢梁上的集中受力特点，同时降低了质量块高度；阻尼器采用电涡流阻尼器作为调谐质量阻尼器的阻尼元件，共设两套，以保持侧向受力平衡；调谐质量阻尼器通过底板钢板整体安装在楼板内部，同时底板增强了楼板局部刚度。本发明不仅很好地实现工业厂房楼板竖向振动减振用调谐质量阻尼器所需的高频率外，还有效降低了调谐质量阻尼器的高度，便于嵌入楼板的内部。

Description

控制楼板竖向高频振动的调谐质量阻尼器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种适用于工业厂房楼板的高频竖向振动控制的阻尼器，特别是涉及一种控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器及其制作方法。

背景技术

既有工业厂房楼板振动的主要原因是早期工业厂房设计时对安装在楼板上的机器设备引起的振动水平估计不足，计算分析时往往只是将机器设备自重乘以一定的动力放大系数来模拟机器设备的振动荷载，这就导致了设计人员常常通过增加结构刚度的方式实现结构(含楼板)变形、应力的控制，忽略了机器设备与楼板之间的耦合振动，从而使得动力设备安装较密的工业厂房楼板振动成为一种普遍现象。楼板长期较大的振动既对厂房结构与设备的疲劳寿命与正常使用有较大的影响，也降低了工作人员的舒适性。

目前，工业厂房楼板振动的主要解决方法有：结构刚度加固措施，这也是现阶段设计人员最常用的解决办法，即通过增加主梁、次梁或楼板的刚度，使得楼板的振动频率远离主要工作设备的振动频率，但该方法影响工厂的正常生产，且影响美观、施工周期长，此外，刚度增大后可能会引起楼板新的高阶模态振动；楼板整体隔振，如专利号为CN88109171.5的“楼板减震装置”公开了一种用于衰减由地震等振动所产生的楼板水平振动，但其仅适用于新建厂房，对既有厂房的改造较难实现；机械设备隔振，即减小设备振动传递到楼板的传递系数，但出于成本考虑，现有技术主要采用弹簧、橡胶隔振垫等简易装置处置，减振效果有限，也影响设备的正常运行，且橡胶隔振垫寿命短，需要经常更换；基于调谐质量阻尼器的吸能减振措施，尤其适用于机械设备引起的楼板稳态振动，竖向调谐质量阻尼器刚度元件一般采用螺旋压簧，阻尼采用常见的液体粘滞阻尼，存在高度过大难以安装到楼板内部与耐久性较差等主要缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的竖向高频调谐质量阻尼器高度过大难以安装在楼板内部、阻尼构件阻尼与刚度不能完全分离、装置整体耐久性较差的问题，提供一种采用门式刚架作为刚度元件的梁式竖向调谐质量阻尼器及其制作方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，包括门式刚架、阻尼器以及质量块，门式刚架由水平钢梁以及固定在水平钢梁两端的立柱组成，所述质量块安装在水平钢梁的中心位置处，质量块一端接有阻尼器。

基上所述，阻尼器设两套，分别位于质量块两端。

基上所述，阻尼器为电涡流阻尼器，每套电涡流阻尼器由安装在质量块上的N、S极交错布置的一对矩形永磁体与焊接在楼板上的竖直钢板及安装在竖直钢板内侧板面上的导体铜板组成。

基上所述，导体铜板沿竖直方向中间薄，上下两端加厚，导体铜板与所述矩形永磁体的净距保持相等。

基上所述，水平钢梁与立柱相连接处及水平钢梁安装质量块处钢梁加高。

基上所述，质量块为“工”字形，“工”字形中心与水平钢梁相连接。

基上所述，立柱宽度是水平钢梁宽度的3倍以上。

基上所述，在门式钢架、阻尼器以及质量块下方还设有底板，门式钢架、阻尼器固定在底板上。

基上所述，门式钢架的立柱和底板之间至少设有一个加劲肋。

基上所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器的制作方法，主要包括如下步骤：(1)根据厂房结构的实际尺寸(主梁与次梁的跨度、间距与截面尺寸，楼板厚度)建立有限元模型，得到楼板前4阶竖向振动模态频率f_i(i＝1,2,3,4)与模态质量 $m_i^{*}(i=\mathrm{1,2,3,4});$

(2)根据楼板的竖向振动频率f_i(i＝1,2,3,4)是否落入(0.75～1.25)f_e，确定需要进行减振的楼板竖向模态阶次i，其中f_e为所在楼层安装的工作设备振动频率；

(3)根据模态质量的大小，以及调谐质量阻尼器的质量块与模态质量的比值μ(工程上一般在0.5％～5％之间取值)，即可得到调谐质量阻尼器的总质量和单台调谐质量阻尼器的质量其中，n为调谐质量阻尼器的台数；

(4)根据公式确定最优频率比f_opt(调谐质量阻尼器的频率与楼板竖向振动频率f_i的比值)，据此确定调谐质量阻尼器的刚度系数k_TMD＝(2πf_optf_i)²m_TMD；

(5)当立柱的抗侧刚度足够大时，可忽略立柱对水平钢梁跨中竖向等效刚度的微小减弱作用，水平钢梁的跨中竖向等效刚度(EI表示水平钢梁的竖向抗弯惯性矩，l表示水平钢梁的计算长度)，取k＝k_TMD即可初步估算水平钢梁的尺寸；

(6)根据跨中弯矩最大值(g为重力加速度，x₀表示调谐质量阻尼器的最大竖向位移行程)求得最大正应力(h表示梁的高度，[σ]表示所用钢材的容许应力，γ为安全系数)检验水平钢梁的强度是否满足设计要求；

(7)根据公式确定调谐质量阻尼器的最优阻尼比ξ_opt，据此确定调谐质量阻尼器的阻尼系数c_TMD＝2ξ_optm_TMD(2πf_optf_i)；

(8)根据电涡流阻尼器阻尼系数简化计算公式c＝σδSB²(σ与δ分别表示导体的导电系数、厚度，S表示永磁体在导体板上的投影面积，B表示主磁感应强度的大小)与c＝c_TMD，即可初步确定电涡流阻尼器相关构件的尺寸(含永磁体的标号、规格，导体板材料、厚度等)；

(9)采用磁场有限元分析软件进行电涡流阻尼器的磁路优化，以确定电涡流阻尼器的具体构造，如永磁体间距、磁场间隙、导体板后钢板厚度等；

(10)根据上述确定的参数绘制调谐质量阻尼器的加工图纸，按照图纸加工制作调谐质量阻尼器。

本发明的有益效果是：1、本发明的梁式调谐质量阻尼器采用门式刚架(含水平钢梁)作为刚度元件，具有自导向功能，机构固有阻尼很小，提高了阻尼器的启动特性和耐久性；水平钢梁，为两端固定结构，相对传统采用的悬臂梁结构，受力更为合理，本发明的水平钢梁两端部受负弯矩作用，跨中受正弯矩作用，在相同质量块设计荷载下，梁高更小(用料省)，且应力水平较低，可以很好地满足控制工业厂房楼板竖向振动减振的高度控制要求，便于安装在楼板内部，安装方便且不影响建筑的美观与功能分区；

2、本发明的梁式调谐质量阻尼器的质量块采用变截面形式，不仅保证了质量块较为集中的将荷载传递给刚度元件—水平钢梁，而且有效地降低了截面高度，也为降低调谐质量阻尼器的整体高度做出了贡献；

3、本发明的梁式调谐质量阻尼器的电涡流阻尼器采用变截面铜板，振动幅值越大时受到的阻尼力越大，实现了电涡流阻尼器的变阻尼控制，从而将水平钢梁的竖向振幅控制在一定范围内，起到了自动限位作用，无须单独设置现有技术常用的限位装置就可以避免质量块振幅过大时与调谐质量阻尼器相关构件的剧烈碰撞；

4、本发明的梁式调谐质量阻尼器的电涡流阻尼器共采用两套，可以避免由单个电涡流阻尼器引起的侧向偏心受力。

5、本发明的梁式调谐质量阻尼器的一种优选安装方法是将其安装到楼板内部，所述调谐质量阻尼器的底板既方便了与楼板的连接(落到楼板的分布钢筋上)，后浇筑混凝土后还可以起到对楼板局部加固的作用。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置俯视图；

图3为电涡流阻尼器结构放大示意图；

图4是本发明安装示意图之一；

图5是本发明安装示意图之二；

图中标号的具体含义为：1、底板，2、门式刚架，3、电涡流阻尼器，4、质量块，5、水平钢梁，6、立柱，7、矩形永磁体，8、导体铜板，9、竖直钢板，10、竖直钢板加劲肋，11、立柱加劲肋，12、螺栓，13、螺母，14、分布钢筋，15、受力钢筋，16、混凝土楼板。

具体实施方式

实施例一，参见图1至图3，本发明包括包括门式刚架2、电涡流阻尼器3与质量块4。门式刚架2由水平钢梁5以及固定在水平钢梁5两端的立柱6组成，门式刚架2通过底板1固定在混凝土楼板16上，质量块4通过螺栓固定在门式刚架2的水平钢梁5中间位置处；电涡流阻尼器3设两套，每套由安装在质量块4上的N、S极交错布置的一对矩形永磁体7与焊接在底板1上的竖直钢板9及安装在竖直钢板9的内侧板面上的导体铜板8组成，导体铜板8沿竖直方向中间薄，上下两端加厚，与所述矩形永磁体7的净距保持相等；质量块4采用变截面形式，平面投影为“工”字形，另外，在立柱6与地板1间还设有立柱加劲肋11，竖直钢板9和地板1间还设有竖直钢板加劲肋10。

本发明的工作原理如下：当门式刚架2的水平钢梁5因混凝土楼板16竖向振动而上下往复直线振动时，引起固定在质量块4上的矩形永磁体7竖向运动，就会在导体铜板8中产生抑制质量块4相对运动的电涡流阻尼，楼板的竖向振动能量将逐渐转化为电涡流阻尼器3的热能消耗掉。

下面结合具体工程实例对本发明的设计与安装过程做进一步详细说明：

某面粉厂制粉车间第四层安装的打麸机激发了楼板的大幅振动，楼板振动速度幅值超过了规范容许值。测试发现：楼板的竖向固有振动频率为16.2Hz，设备的竖向固有振动频率为18.5Hz，二者频率较为接近。调谐质量阻尼器设计与安装步骤如下：

(1)计算楼板的模态质量与频率：取5.65m长、2m宽、0.1m厚的四边简支楼板区域进行计算分析，得到楼板一阶竖向固有振动频率为16.7Hz，对应的模态质量为1950kg；

(2)楼板振动的实测：打麸机停止运行时，楼板的竖向固有振动频率为16.2Hz(略小于理论计算值)；打麸机正常工作时，设备与楼板的竖向振动频率均为18.5Hz。楼板的竖向振动频率16.2Hz恰好落入(0.75～1.25)18.5Hz，有必要进行楼板该阶模态的减振设计；

(3)调谐质量阻尼器的质量块与模态质量的比值μ取0.01，共设两台调谐质量阻尼器，则单台调谐质量阻尼器的质量最终m_TMD取10kg；

(4)根据公式确定最优频率比f_opt计算得到调谐质量阻尼器的频率为f_TMD＝f_optf_楼板＝16.04Hz，则调谐质量阻尼器刚度系数k_TMD＝(2πf_TMD)²m_TMD＝101462.7N/m；

(5)初步确定门式刚架，尤其是水平钢梁的尺寸：水平钢梁刚度系数为(此处忽略门式刚架两立柱对梁刚度系数的影响)，据此初步确定钢梁长度l取1m，钢梁宽b＝3cm，钢梁高h＝1cm；

(6)对钢梁进行强度验算：水平钢梁的最大弯矩(x₀取5mm)，最大应力选用Q345B钢材强度满足要求(安全系数γ大于2)。此时惯性距为EI＝5.0×10⁸N·mm²，则调谐质量阻尼器的实际频率(l取0.98m)，与目标值16.04Hz的误差满足要求；

(7)根据公式确定最优阻尼比ξ_opt＝6.09％，据此确定调谐质量阻尼器的阻尼系数

(8)根据电涡流阻尼器阻尼系数简化计算公式c＝σδSB²，确定永磁体采用N37标号，矩形永磁体的长宽高分别为4cm、4cm与2cm，导体板采用铜板，铜板厚度对应调谐质量阻尼器正常行程(即x₀小于5mm)时取1cm，超过正常行程范围内出于限位目的，将导体铜板加厚到2cm。如果B取0.2T，此时对应调谐质量阻尼器正常行程，则调谐质量阻尼器的阻尼系数为143.36Ns/m，是目标值122.92Ns/m的1.16倍。考虑到理论计算(忽略了磁场泄露与趋肤效应)值一般偏大，设计满足要求；

(9)磁路优化：确定两块矩形永磁体间距为1cm，磁场间隙(导体铜板与永磁体净距1cm)，导体铜板后钢板厚度1cm；

(10)安装到楼板内部的具体步骤：参见图4，针对楼板厚度为100mm，按照上述确定的调谐质量阻尼器尺寸安装，因为根据上述计算得出的调谐质量阻尼器的高度只有66mm左右，因此，将楼板局部的混凝土凿除到分布钢筋处(楼板厚度扣除掉保护层厚度15mm、受力钢筋直径10mm和分布钢筋直径6mm，开挖深度为69mm)，然后凿平，能够满足调谐质量阻尼器安装在楼板内部，并且楼板内钢筋不受破坏，仍然具有很强的刚度，同时由于调谐质量阻尼器下部是整块钢板，对所挖空楼板处具有加固作用，安装完成后可对空余区域进行混凝土回填浇筑，最后在开挖顶部用高强钢板进行铺平。

实施例二，参见图5，本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例中底板为十字钢板，这样可以减小调谐质量阻尼器非运动质量的比例，适用于调谐质量阻尼器安装在楼板上方或下方时，即上置式安装或悬吊式安装，其它内容与实施例一相同，不再赘述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，包括门式刚架、阻尼器以及质量块，其特征在于：所述门式刚架由水平钢梁以及固定在水平钢梁两端的立柱组成，所述质量块安装在水平钢梁的中心位置处；质量块一端接有阻尼器；所述阻尼器设两套，分别位于质量块两端；所述阻尼器为电涡流阻尼器，每套电涡流阻尼器由安装在质量块上的N、S极交错布置的一对矩形永磁体与固定在楼板上的竖直钢板以及安装在竖直钢板内侧板面上的导体铜板组成。

2.根据权利要求1所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述导体铜板沿竖直方向中间薄，上下两端加厚，导体铜板与所述矩形永磁体的净距保持相等。

3.根据权利要求1所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述水平钢梁与立柱相连接处及水平钢梁安装质量块处的钢梁高于其它位置处的钢梁。

4.根据权利要求1所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块为“工”字形，“工”字形中心与水平钢梁相连接。

5.根据权利要求1所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述立柱宽度是水平钢梁宽度的3倍以上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，其特征在于：在门式钢架、阻尼器以及质量块下方还设有底板，门式钢架、阻尼器固定在底板上。

7.根据权利要6所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器，其特征在于：门式钢架的立柱和底板之间至少设有一个加劲肋。

8.一种如权利要求1所述的控制工业厂房楼板竖向高频振动的梁式调谐质量阻尼器的制作方法，其特征在于，主要包括如下步骤：(1)根据厂房结构的实际尺寸建立有限元模型，得到楼板前4阶竖向振动模态频率f_i(i＝1,2,3,4)与模态质量

(2)根据楼板的竖向振动频率f_i(i＝1,2,3,4)是否落入(0.75～1.25)f_e，确定需要进行减振的楼板竖向模态阶次i，其中f_e为所在楼层安装的工作设备振动频率；

(3)根据模态质量的大小，以及调谐质量阻尼器的质量块与模态质量的比值μ，即可得到调谐质量阻尼器的总质量和单台调谐质量阻尼器的质量其中，n为调谐质量阻尼器的台数，μ的取值范围为0.5％～5％；

(4)根据公式确定最优频率比f_opt，据此确定调谐质量阻尼器的刚度系数k_TMD＝(2πf_optf_i)²m_TMD，其中，f_opt为调谐质量阻尼器的频率与楼板竖向振动频率f_i的比值；

(5)当立柱的抗侧刚度足够大时，可忽略立柱对水平钢梁跨中竖向等效刚度的微小减弱作用，水平钢梁的跨中竖向等效刚度取k＝k_TMD即可初步估算水平钢梁的尺寸，其中，EI表示水平钢梁的竖向抗弯惯性矩，l表示水平钢梁的计算长度；

(6)根据跨中弯矩最大值求得最大正应力检验水平钢梁的强度是否满足设计要求，其中，g为重力加速度，x₀表示调谐质量阻尼器的最大竖向位移行程，h表示梁的高度，[σ]表示所用钢材的容许应力，γ为安全系数；

(7)根据公式确定调谐质量阻尼器的最优阻尼比ξ_opt，据此确定调谐质量阻尼器的阻尼系数c_TMD＝2ξ_optm_TMD(2πf_optf_i)；

(8)根据电涡流阻尼器阻尼系数简化计算公式c＝σδSB²与c＝c_TMD，即可初步确定电涡流阻尼器相关构件的尺寸，其中，σ与δ分别表示导体的导电系数和厚度，S表示永磁体在导体板上的投影面积，B表示主磁感应强度的大小；

(9)采用磁场有限元分析软件进行电涡流阻尼器的磁路优化，以确定电涡流阻尼器的具体构造；

(10)根据上述确定的参数绘制调谐质量阻尼器的加工图纸，按照图纸进行加工制作。