CN105696720B - 一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，包括消防水箱调谐质量块，所述消防水箱调谐质量块的底部设置有若干用于支撑其重量的双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统；所述消防水箱调谐质量块的顶部设置有抗倾覆抗扭动支撑系统、若干个主动质量阻尼器，所述抗倾覆抗扭动支撑系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、上部建筑结构连接，本发明具有造价低、主动质量阻尼器出力小、控制效果好、结构简单、易于实施、稳定性好、安全性好、控制装置所需空间和失效安全等优点；结合高层、超高层及高耸结构自身的消防水箱作为调谐质量，从而不需要附加例如铅球等作为调谐质量的物体，有利于大大降低调谐控制装置的造价。

Description

一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置

技术领域

本发明涉及高层、超高层及高耸结构的抗风、抗震技术领域，具体涉及一种用于减小高层、超高层及高耸结构在风振或地震作用下的响应的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，世界各地兴建了大量的高层建筑、电视塔、大跨度桥梁和空间结构等高耸、大跨建筑物，特别是城市的地标性建筑已经成为城市经济实力的象征。由于新建结构越来越高，风致振动引起了人们的关注；而在地震频发地区，超高柔结构的地震安全也是人们关心的问题。这些建筑多属于长周期结构，在强风、地震等作用下，极易发生过大的变形。这种变形，一方面，会使人们感到不舒适；另一方面，也可能使结构处于非正常的工作状态，或使结构产生局部破坏，甚至整体破坏。如何保证这些高层、超高层、高耸结构的地震作用下的安全性以及强风作用下的舒适性和安全性已经成为需要迫切解决的关键问题。大量的研究与工程实践表明，结构控制技术可以有效地增加高耸结构的阻尼，减小高耸结构的风致振动和地震反应，提高结构的抗风抗震性能。因此，有必要采用先进可靠的减振技术，减轻风振和地震作用，提高高层、超高层和高耸结构的舒适度和抗震性能。

针对高层、超高层、高耸结构的减震控制在现有的结构减震控制技术中研究最多是调谐质量阻尼器(TMD)和主动控制质量阻尼器(AMD)，是近年来结构减震控制领域内的一个十分活跃的研究方向。但在，调谐质量阻尼器(TMD)和主动控制质量阻尼器(AMD)在控制系统设计、控制装置实施、实时控制软件以及在控制系统安全性等在工程应用方面存在以下问题：

首先，被动TMD控制系统对频率比较敏感，只能控制结构某个振型的反应，而且由于TMD控制系统需要调谐到与被控结构振型反应共振的频率，TMD控制系统的质量块行程通常较大，实现比较困难，而且在超烈度地震或强风作用下，TMD存在超越行程的危险，影响整个系统的安全。AMD控制系统需要较大的外部能源，其控制力通常较大，在应用与超高层及高耸实际时，通常难以实现，且工程造价较高，另外，当失去外部能源时，控制系统将失效，不具有容错的功能。

其次，被动TMD控制装置方面，目前主要采用悬吊式TMD或支撑式TMD，当采用悬吊式TMD时，由于悬摆较长，且需要设置阻尼器，通常需要较大的空间才能实现；当采用支撑式TMD时，其弹性元件通常用弹簧提供刚度，需要弹簧的长度较大，造成支撑装置的设计较大，引起控制装置造价大幅上扬。在AMD控制装置方面，控制系统绝大多数是依靠液压驱动或者是伺服电机马达驱动，液压系统构造复杂、需要空间大、能源利用效率降低，需要定期换油、维护成本高，运行时噪音大等，这些问题在一定程度上限制了液压驱动型AMD控制系统的应用；旋转伺服电机虽然对液压驱动作了一些改进，但由于它需要借助于机械传动部件(滚珠丝杠)等中间环节，存在响应慢、难以获得更高的加速度、控制精度低等问题，一直在实际工程中难以应用。

第三，由于高层、超高层和高耸结构对竖向重力荷载较为敏感，调谐质量阻尼器是要设置质量块作用调谐质量阻尼器的质量，当在结构的上部设置调谐质量阻尼器时，需要在主结构上额外附加质量，从而造成对结构的受力不利，当设置不当时，有可能增加结构受力。同时，目前当采用支撑式TMD时，由于位置较高，为了节省平面控制，AMD高宽比也较大；高层、超高层和高耸结构为弯曲变形结构，弯曲变形引起建筑结构顶部倾斜；主动控制质量阻尼器设置在被动调谐质量块上面时，水平驱动力作用到被动调谐质量块的上顶面，在以上因素作用下，TMD有可能发生倾覆。

现有技术中存在的以上难题一直阻碍了TMD和AMD控制技术的工程应用，目前只在一些特殊的工程进行应用，且主要集中在日本、美国、澳大利亚等发达国家，我国在层、超高层、高耸结构中基本没有应用AMD控制系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，具有造价低、主动质量阻尼器出力小、控制效果好、结构简单、易于实施、稳定性好、安全性好、控制装置所需空间和失效安全等优点，同时，结合高层、超高层及高耸结构自身的消防水箱作为调谐质量，从而不需要附加例如铅球等作为调谐质量的物体，有利于大大降低调谐控制装置的造价。

本发明通过以下技术方案实现该目的：

一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，包括消防水箱调谐质量块，所述消防水箱调谐质量块的底部设置有若干用于支撑其重量的双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统，所述双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、下部建筑结构连接；所述消防水箱调谐质量块的顶部设置有抗倾覆抗扭动支撑系统、若干个主动质量阻尼器，所述抗倾覆抗扭动支撑系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、上部建筑结构连接。

其中，所述双向滑轨支撑系统包括叠加设置的双向滑轨支座和球型绞支座，所述双向滑轨支座的底部与下部建筑结构连接，所述球型绞支座的顶部通过一底部预埋钢板与消防水箱调谐质量块的底部连接。

作为优选的，所述电磁式变阻尼阻尼器系统包括两个，分别沿消防水箱调谐质量块的纵向轴线和横向轴线方向水平设置。

其中，所述电磁式变阻尼阻尼器系统包括电磁式变阻尼阻尼器，所述电磁式变阻尼阻尼器的一端通过一上型钢柱与消防水箱调谐质量块的底部连接，另一端通过一下型钢柱与下部建筑结构连接。

作为优选的，所述抗倾覆抗扭动支撑系统设置于消防水箱调谐质量块的顶部中心位置。

其中，所述抗倾覆抗扭动支撑系统包括一抗倾覆抗扭动支座，所述抗倾覆抗扭动支座的一端通过若干钢管柱与上部建筑结构连接，另一端通过一顶部预埋钢板与消防水箱调谐质量块的顶部连接。

作为优选的，所述主动质量阻尼器包括两个，分别沿消防水箱调谐质量块的纵向轴线和横向轴线方向，可滑动的设置于消防水箱调谐质量块的顶部。

其中，所述两个主动质量阻尼器分别由电磁式直线电机驱动。

进一步的，所述消防水箱调谐质量块的底部还设置有两个组合式串联橡胶支座，所述组合式串联橡胶支座的两端分别通过连接钢板与消防水箱调谐质量块的底部、下部建筑结构连接。

作为优选的，所述组合式串联橡胶支座为多组串联的四个并联组合的钢板约束式橡胶支座。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，包括消防水箱调谐质量块，所述消防水箱调谐质量块的底部设置有若干用于支撑其重量的双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统，所述双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、下部建筑结构连接；所述消防水箱调谐质量块的顶部设置有抗倾覆抗扭动支撑系统、若干个主动质量阻尼器，所述抗倾覆抗扭动支撑系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、上部建筑结构连接，本发明具有造价低、主动质量阻尼器出力小、控制效果好、结构简单、易于实施、稳定性好、安全性好、控制装置所需空间和失效安全等优点；结合高层、超高层及高耸结构自身的消防水箱作为调谐质量，从而不需要附加例如铅球等作为调谐质量的物体，有利于大大降低调谐控制装置的造价。

附图说明

图1为本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置的结构示意图。

图2为本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置的侧视图。

图3为本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置的另一视角的侧视图。

图中：1-消防水箱调谐质量块，2-双向滑轨支撑系统，3-电磁式变阻尼阻尼器系统，4-抗倾覆抗扭动支撑系统，5-主动质量阻尼器，6-组合式串联橡胶支座，7-上部建筑结构，8-下部建筑结构，9-双向滑轨支座，10-球型绞支座，11-底部预埋钢板，12-电磁式变阻尼阻尼器，13-上型钢柱，14-下型钢柱，15-抗倾覆抗扭动支座，16-钢管柱，17-顶部预埋钢板。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1。

如图1-2所示，本实施例的一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，包括消防水箱调谐质量块1，所述消防水箱调谐质量块1的底部设置有若干用于支撑其重量的双向滑轨支撑系统2、电磁式变阻尼阻尼器系统3，所述双向滑轨支撑系统2、电磁式变阻尼阻尼器系统3的两端分别与消防水箱调谐质量块1、下部建筑结构8连接；所述消防水箱调谐质量块1的顶部设置有抗倾覆抗扭动支撑系统4、若干个主动质量阻尼器5，所述抗倾覆抗扭动支撑系统4的两端分别与消防水箱调谐质量块1、上部建筑结构7连接。

本发明具有造价低、主动质量阻尼器5出力小、控制效果好、结构简单、易于实施、稳定性好、安全性好、控制装置所需空间和失效安全等优点；由于消防的需求，每个高层、超高层和高耸结构需设置消防用水箱，每个消防水箱充满水，通过利用消防水箱作为调谐质量，从而实现不用附加其他质量(如铅球)作为调谐阻尼器的质量，从而不需要附加例如铅球等作为调谐质量的物体，有利于大大降低调谐控制装置的造价。

本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置的工作原理：

结构主被动复合调谐控制技术是应用现代控制技术，对输入的风振、地震和结构响应进行实时监测和预测，按照不同控制算法计算出控制力并通过伺服加力装置施加到结构上，从而达到减小结构响应，提高结构安全，增加结构舒适度的目的，同时其所控制的频率范围也远宽于其它控制方式。本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置是在安装的TMD上再安装一个小质量(占TMD总质量的10％－12％)的AMD系统，从形式上看是双层质量在运动。由于它通过小质量块的快速运动产生的惯性力来驱动大质量块的运动，从而抑制结构的振动。它需要驱动系统出力比AMD和ATMD的都小，只是要求速度变化较大。当控制系统失效时，控制系统仍能继续以被动TMD方式工作。可以实现较大的控制效果。TMD按没有主动控制的被动TMD系统设计，因此它满足被动TMD系统最优频率比和最优阻尼比的关系。当AMD系统失效时，HMD系统仍能以被动的TMD工作，具有一定的减震效果，因此具有fail-safe的特点。

其中，所述双向滑轨支撑系统2包括叠加设置的双向滑轨支座9和球型绞支座10，所述双向滑轨支座9的底部与下部建筑结构8连接，所述球型绞支座10的顶部通过一底部预埋钢板11与消防水箱调谐质量块1的底部连接。该双向滑轨支座9设置双层双向正交导轨，通过导轨进行导向，滑块内置滚珠，实现导轨的滚动摩擦，降低摩擦力，实现更好的减震效果；双向滑轨支座9一个滑动方向对应建筑结构的弱轴、另一个滑动方向对应建筑结构的强轴布置，实现对建筑结构振动两个方向的控制；在滑轨支座内部双层导轨之间设置弹簧原件，作为恢复力装置，通过调节弹簧的刚度，从而实现通过消防水箱对结构的调谐控制；同时，还可以在双向滑轨支座9上设置安全(防撞)装置；该双向滑轨支座9的底部连接到下部建筑结构8的楼板上，通过球绞型支座连接到消防水箱调谐质量块1的底部，该球绞型支座定座在竖向摆动角度最大3°(一般3°可满足需求)，通过球绞型支座摆动的角度可以使载荷均匀分布到每个双向滑轨支座9支座上。

作为优选的，所述电磁式变阻尼阻尼器系统3包括两个，分别沿消防水箱调谐质量块1的纵向轴线和横向轴线方向水平设置。

其中，所述电磁式变阻尼阻尼器系统3包括电磁式变阻尼阻尼器12，所述电磁式变阻尼阻尼器12的一端通过一上型钢柱13与消防水箱调谐质量块1的底部连接，另一端通过一下型钢柱14与下部建筑结构8连接。本发明的每个调谐控制装置设置两个正交的电磁变阻尼阻尼器，方向同双向滑轨支座9滑动方向一致，该阻尼器可根据水箱调谐质量块的位移范围以及结构的响应，根据响应控制算法，改变输入到电磁阻尼器的电流，控制阻尼器阀门的大小，从改变实时主动改变阻尼系数，跟踪主被动控制系统调谐质量阻尼器的阻尼力，增加控制装置控制效果。

作为优选的，所述抗倾覆抗扭动支撑系统4设置于消防水箱调谐质量块1的顶部中心位置。

其中，所述抗倾覆抗扭动支撑系统4包括一抗倾覆抗扭动支座15，所述抗倾覆抗扭动支座15的一端通过若干钢管柱16与上部建筑结构7连接，另一端通过一顶部预埋钢板17与消防水箱调谐质量块1的顶部连接。由于消防水箱调谐质量块1的下面需设置阻尼器、双向滑轨支座9以及滑板支座需要一定的空间，加上消防水箱的高度，调谐质量阻尼器会有一定的高度；主动控制力作用在消防水箱的顶面，而且消防水箱一般在高层、超高层或高耸结构的顶部，这类型结构为弯曲变形结构，在台风或强震作用下在结构的顶部会产生倾角及剧烈摆动，从而引起消防水箱的倾覆，因此在消防水箱的顶部设置了抗倾覆抗扭动支座15，抗倾覆抗扭动支座15上部连接到上部建筑结构7上，通过建筑结构的上下两层楼板约束防止消防水箱调谐质量块1倾覆及扭转。抗倾覆抗扭动支座15为双层双向滑轨支座9，滑动方向与用于支撑消防水箱调谐质量块1的双向滑轨支座9方向一致。

作为优选的，所述主动质量阻尼器5包括两个，分别沿消防水箱调谐质量块1的纵向轴线和横向轴线方向，可滑动的设置于消防水箱调谐质量块1的顶部。

其中，所述两个主动质量阻尼器5分别由电磁式直线电机驱动。电磁式直线电机驱动的主动质量阻尼器5不需要力传递系统，驱动力为电磁力，通过电磁力驱动主动质量阻尼器5的质量块，直线电机的动子嵌入到主动质量块，直线电机定子磁铁固定在消防上，从而驱动力的反力作用到水箱的顶面。由于没有力传递系统，因此，具有响应迅速，控制精度高，无力传递损失等优点。

进一步的，所述消防水箱调谐质量块1的底部还设置有两个组合式串联橡胶支座6，所述组合式串联橡胶支座6的两端分别通过连接钢板与消防水箱调谐质量块1的底部、下部建筑结构8连接。

作为优选的，所述组合式串联橡胶支座6为多组串联的四个并联组合的钢板约束式中孔橡胶支座，每个组四个中孔橡胶支座通过厚钢板连接法兰连接，通过加强厚钢板法兰的约束，具有更好的变形约束能力，保证每组四个中孔橡胶支座只有剪切变形。

本发明的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置的安装方式：

当建筑结构施工至电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置所在层的楼面浇筑混凝土时，预埋下型钢柱14、双向滑轨支座9和组合式串联橡胶支座6的连接螺帽，然后施工主被动控制复合调谐控制装置上一层楼面，施工上一层楼面浇筑混凝土时，预埋钢管柱16；通过高强螺栓连接双向滑轨支座9到楼面上；通过螺栓连接双向滑轨支座9和球型绞支座10；混凝土浇筑消防水箱作为消防水箱调谐质量块1，当浇筑混凝土水箱时预埋用于连接抗倾覆抗扭动支座15的顶部预埋钢板17、上型钢柱13、用于连接球型绞支座10的底部预埋钢板11、组合式串联橡胶支座6的连接螺帽、以及用于连接主动质量阻尼器5的连接螺帽；用高强螺栓连接球型绞支座10到底部预埋钢板11上；通过高强螺栓连接电磁式变阻尼阻尼器12到下型钢柱14和上型钢柱13上；通过高强螺栓连接组合式串联橡胶支座6到建筑结构的楼面和消防水箱底面上；通过高强螺栓连接抗倾覆抗扭动支座15到顶部预埋钢板17上；通过高强螺栓连接抗倾覆抗扭动支座15和钢管柱16；最后通过高强螺栓连接主动质量阻尼器5到消防水箱的顶面。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，包括消防水箱调谐质量块，所述消防水箱调谐质量块的底部设置有若干用于支撑其重量的双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统，所述双向滑轨支撑系统、电磁式变阻尼阻尼器系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、下部建筑结构连接；所述消防水箱调谐质量块的顶部设置有抗倾覆抗扭动支撑系统、若干个主动质量阻尼器，所述抗倾覆抗扭动支撑系统的两端分别与消防水箱调谐质量块、上部建筑结构连接；

所述双向滑轨支撑系统包括叠加设置的双向滑轨支座和球型绞支座，所述双向滑轨支座的底部与下部建筑结构连接，所述球型绞支座的顶部通过一底部预埋钢板与消防水箱调谐质量块的底部连接；

所述消防水箱调谐质量块的底部还设置有两个组合式串联橡胶支座，所述组合式串联橡胶支座的两端分别通过连接钢板与消防水箱调谐质量块的底部、下部建筑结构连接。

2.根据权利要求1所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述电磁式变阻尼阻尼器系统包括两个，分别沿消防水箱调谐质量块的纵向轴线和横向轴线方向水平设置。

3.根据权利要求2所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述电磁式变阻尼阻尼器系统包括电磁式变阻尼阻尼器，所述电磁式变阻尼阻尼器的一端通过一上型钢柱与消防水箱调谐质量块的底部连接，另一端通过一下型钢柱与下部建筑结构连接。

4.根据权利要求1所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述抗倾覆抗扭动支撑系统设置于消防水箱调谐质量块的顶部中心位置。

5.根据权利要求4所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述抗倾覆抗扭动支撑系统包括一抗倾覆抗扭动支座，所述抗倾覆抗扭动支座的一端通过若干钢管柱与上部建筑结构连接，另一端通过一顶部预埋钢板与消防水箱调谐质量块的顶部连接。

6.根据权利要求1所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述主动质量阻尼器包括两个，分别沿消防水箱调谐质量块的纵向轴线和横向轴线方向，可滑动的设置于消防水箱调谐质量块的顶部。

7.根据权利要求6所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述两个主动质量阻尼器分别由电磁式直线电机驱动。

8.根据权利要求1所述的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，其特征在于，所述组合式串联橡胶支座为钢板约束式橡胶支座。