CN1042749A - 结构振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

抑制结构振动的一种装置。有槽箱安装在结构中，槽中安排腔室形成机构，构成若干环形腔，同心围绕槽的垂直轴线，其中容纳液体，抑制结构振动。每个腔容放一定量的液体，其固有周期与结构相同。

Description

本发明有关一种装置，用以抑制风力，地震之类，对诸如建筑物及土木工程等结构造成的震动。

本发明人曾作独立发明或共同发明人提出过各种类型的震动抑制装置，如1987年4月24日提交的待批准美国申请第07/042，365号，名称为“结构震动抑制装置”，1988年4月8日提交的美国申请第07/179，438号，名称为“建筑物及其结构的震动抑制法”，1988年4月26日提交的美国专利申请第07/186，613号，名称为“结构对外部扰动响应的抑制法及应用设备”，1988    5月6日提交美国专利申请第07/191，278号，名称为“结构对外部扰动响应的有效抑制法及应用设备”1988年5月20日提交的美国专利申请第07/196，325号，名称为“结构振动抑制装置”。本文引述上述各美国申请案作为参考。

随着高强度材料的发展，以及施工工程及结构分析计算机化的迅速发展，高层结构比传统结构重量减轻而较有柔性。这种柔性轻质高层结构有一个趋势，即其振动频率及减震因素减小，因此在地震和风力造成的外力作用下，有可能未予料的发生各类型大幅振动。因此，这种结构的振动使其住户感觉不适，并且产生的应力可能超过允许限度。

在1980年10月7日颁发范第弗等人（Vandiver）美国专利第4，226，554号中，阐述了一种吸收风力、海浪或地震的激振对结构造成的动力的装置，在装置中有一种液体盛放在结构上面安装的水槽中，结构受振时减少结构的动力响应。这类减震装置可用于解决上述问题。然而有一个缺点，因为在结构中占很大的空间，因此空间效率很低。

因此，本发明的目的，是提出一种抑制结构震动的装置，其结构紧凑，与先有技艺领域减震装置比较，有优良的空间效率。因此，可将本发明的减震装置，安装在结构的理想位置上。

为了上述和其他目的，本发明提出了一种抑制结构震动的装置。装置有在结构中安装的槽箱，并有腔室形成结构放在槽箱内，形成若干围绕槽箱轴线的同心环形腔，盛放一种液体，抑制结构的震动。腔中各容放一定量的液体，使其固有周期与结构相同。使用这种结构后，本发明的装置与先有领域比较，体积一定的槽箱有高的减震效果，因为在本发明结构中，液体的振动能在液体冲击反向的周向流及腔壁时消散，而在先有领域的结构中，在槽箱的中心部没有对振动起作用的抑制。

在一种理想装置中，有振动阻尼装置，至少设在一个腔中，对结构摆动造成的至少一个腔中的液体的振动作衰减。振动阻尼装置可以有一个网格件，配有框架安装在槽底，固定在框架上的网格，阻挡结构摆动造成的液体流动，可将网格件沿槽的径向方向安置。网格件可有效阻挡结构摆动造成的液体的周边流，因此结构的振动以及减震装置的振动都被衰减，从而可防止减振装置受结构的激振而振动。

现参照附图作举例对本发明叙述，附图如下：

图1简单表示一座建筑物，房顶设有本发明的减振装置，减振装置以垂直剖面显示;

图2为图1中减振装置的放大俯视图;

图3为沿图2中Ⅲ-Ⅲ剖线得到的剖视图;

图4表示图1有减振装置的建筑物的等效力学系统;

图5为图1中减振装置的改型的俯视图;

图6为沿图5中Ⅵ-Ⅵ剖线得到的剖视图。

现参看图1至3，一种按本发明制造的减振装置1，通过一个传统绝振基础3，安装在高层建筑物2的屋顶，基础3有迭层结构，有弹性板和钢板交替迭放。在屋顶安装减振装置1，理想用于抑制风力造成的振动。

减振装置1有槽箱4，安装在绝振基础3上。槽4中盛一种液体，实际上可以是饮用水，消防水，降温用或取暖用水等。槽箱4可有一个中空的圆柱形外槽箱6、上开口端6A。外槽箱6用三个圆柱形管制成的隔板7A，7B及7C分隔，图2中，三圆管在外槽箱6内同心围绕垂直轴线4A，形成分隔的槽或腔，从中心至外圆周分别为4A，4B，4C及4D，如图2所示。

对槽箱4中的液体5进行调节，使之与建筑物2有基本相同的固有周期。这调节是根据比重改变液体5的高度H。槽箱4中液体重量（有效质量）典型在1/50至1/200范围内调节，最好在建筑物2总重量1/50至1/100内调节。但这比例可达到约1/300。

槽箱4最好用耐腐蚀材料制造，例如合成树脂及不锈钢等。液体5最好用不挥发材料，如油等。槽箱4的材料及液体5的类型取决于施工条件。

建筑物2的振动系统和减振装置1可和图4显示的机械等效系统相近似，因为分别的腔4A至4D中的液体5可共同振动，如一整体。这是因为每一腔中的液体5与建筑物2的固有周期相同。振动等效系统由第一振动系统A及第二振动系统B构成，第一振动系统A代表建筑物2，第二振动系统B为槽4中液体5的振动模型，两系统串联。第一振动系统A中有质量M。的第一物体9A，一个弹簧常数为K。的第一弹簧8A，支持第一物体9A，一个阻尼系数为h。的第一缓冲器10A，和第一弹簧8A平行安装。第二振动系统B有质量为M₁的第二物体9B，弹簧常数为K₁的第二弹簧8B，支持第二物体9B，阻尼系数h₁的第二缓冲器10B，和第二弹簧9B平行安装。当加在物体9A上的外力迫使振动系统A振动时，振动系统B开始振动，与第一振动系统A的振动相差1/4周期。使振动系统A及B的固有周期相同，便可抑制第一振动系统A的振动。振动系统A及B的固有周期，可用下列公式一般表示：

$\mathrm{Ti\; =\; 2\pi }\sqrt{\frac{\mathrm{Mi}}{\mathrm{Ki}}}\mathrm{(1)}$

Mi为振动系统i的质量，Ki为系统i的弹簧常数。由于建筑物2的固有周期T。一般由其质量M。及弹簧常数K。确定，故通过适当选定槽4的尺寸和容积，和其中盛放液体5的量，便可使液体5的固有周期T₁等于周期T。。

根据速度势理论，在各环形腔中振动的液体5的固有振动周期T₁，是腔外径R₁及内径R₂和腔中液体高度H的函数，即：

T1＝f（R1，R2，H）    （2）

于是可决定R₁，R₂及H以使固有周期T₁与建筑物2的固有周期相等。

根据豪斯奈（HOUSNER）理论，作为一个振动体在槽4中活动的自由液体的有效质量M₂，可用下式表示：

$\mathrm{M2=}\frac{1}{4}\mathrm{·\; (}\frac{5}{6}{)}^2·\frac{\mathrm{27}}{8}·\frac{\tanh \sqrt{\frac{\mathrm{27}}{8}}}{\sqrt{\frac{\mathrm{27}}{8}}·\frac{H}{R}}\mathrm{·\; M\; (3)}$

式中H表示从槽4底到液面5的高度，R为槽的半径，M为槽中液体的质量。（参阅豪斯奈，G.W.：《加速流体容器动压力》美国地震学会志，卷47（1957），第15-35页）。液体的固有频率，即固有激荡频率，其算式如下：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{H}{R}\·\sqrt{\frac{27}{8}}\·\tanh (\sqrt{\frac{27}{8}}\·\frac{H}{R})---\left(4\right)$

槽4中液体5的固有周期T₁用下式计算：

T1＝ (2π)/(ω) （5）

于是参数H，R及M这样设定，使槽4中的液体5的振动周期T₁，和建筑物2的振动周期To有下列关系：

To＝T1    （6）

液体的有效质量M₂和建筑物2的质量Mo的比例，典型为：

M2/Mo＝1/50～1/200    （7）

在约1/200的下限以下时，不能有效取得减震效果，而在约1/50的上限以上时，液体重量对建筑的结构设计有很大的影响，因而必须修改结构设计。下限最好约为1/100。然而甚至当M₂/Mo约等于1/300时，仍可取得抑制效果。

图1至3中的减震装置，在图5及6中表示其修改形式，其相似元件用相同标号标示，已经叙述的不再重复。在这修改后的减震装置中，有多个网格件18及19在槽4底部垂直安装，轴向伸展，衰减槽中液体5的震动。俯视网格件18是星形的图样，在槽4A中同心布置。副网格件18A的形状及结构与网格件19相似。并且网格件19按规则角度间隔围绕外槽6的中心。网格件18及19的数目和其网格的尺寸，取决于外槽6中液体5的数量和物理性质。网格件18及19由挡板（未示）固定在槽4的底6B上。最好挡板的数目多于网格件18及19，藉以改变网格的数目和尺寸。挡板的具体结构，已在前述1988年5月20日提交的待批准的美国专利申请第07/196，325号中揭示。网格件18及19用于作传统液体阻尼器的孔件，当液体从孔件中通过时，通过吸收液5中的动能，衰减液体的振动。因此，在修改的减振装置中，通过迅速衰减液体5的振动，可衰减减振器的振动，因此对建筑物2不起激振源作用。

网格件18及19的安排不限于所示及所述的安排，而取决于减振装置1的形状及环境。网格件的形状也不限于图5及6所示。可用多个网格或波浪形网格水平迭放。网格件18及19的替代安排和形状，在美国专利申请第07/196，325号中有揭示。可将一种有阻尼材料的纤维，例如无纺织物，卷围另一纤维或金属线，代替网格19A。可将这种纤维交织或迭放成格架，形成网格19A。

用网格件18及19使液体5产生流体阻力，因此可用板件，多孔板，格架件，液体5中的浮子，旋转件，例如推进器，和沉淀物，如砂等，来代替网格件。否则也可用外槽6的粗糙底部，提供与网格件18及19相似的作用。这些阻尼机构的安排和形状，还取决于槽4的形状和构造。

本发明的减振装置还适合用于其他建筑物或土木工程的结构，诸如悬索桥和塔等。

对本发明的具体细节已作出说明，目的在于作清晰和完全的揭示，后附的权利要求书包括了本发明确切范围中的一切改型和变。

Claims (8)

1、抑制结构振动的一种装置，其中有下列各项：

安装在结构中的一个槽箱；

安排在槽箱中的腔室形成器件，形成若干围绕槽箱轴线的同心环形槽，容纳液体来抑制结构的振动，每腔容纳一定的量，使液体与结构有相同的固有周期。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征是槽中容纳液体的量为：液体有效质量和结构质量的比例约1/300至约1/50。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征是液体有效质量和结构质量的比例约为1/100到约1/50。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征是另有减振器件安排在至少一个腔中，衰减至少在一个腔中的液体中因结构摆动引起的振动。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征是形成腔的器件，有至少一个环形隔壁，与槽同心，形成相邻的两个环形腔。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征是槽底上有隔板壁竖立，减振器件中有网格件，在底上竖立，阻挡液体流过，从而抑制结构的摆动。

7、根据权利要求6所述的装置，其特征是每一网格件有一个框架，安装在槽底上，框架上固定伸展的网格，阻挡液体因结构摆动引起的流动，网格件沿径向往外安置。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征是减振装置有多个网格件，网格件围绕槽垂直轴线等角度间隔放置。

Images