CN106545102B - 浮板型调谐液体阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮板型调谐液体阻尼器，包括水箱、浮板、粘滞阻尼器及刚性导杆，上述的水箱与主体结构牢固连接，浮板通过导杆与水箱上盖板连接，导杆中部设置粘滞阻尼器。结构发生振动时，浮板能很好地抑制水箱中液体过度晃荡及波浪破碎情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，同时浮板晃动又能带动粘滞阻尼器耗能。本发明具有构造简单、耗能减振效果明显、可以同多种耗能装置共同使用等优点。

Description

浮板型调谐液体阻尼器

技术领域

本发明涉及一种浮板型调谐液体阻尼器，通过悬吊浮板和粘滞阻尼器有效的提高耗能减振效果，用于地震作用或者风荷载引起的动力效应的控制，属于土木工程结构耗能减振控制领域技术。

背景技术

近年来，被动控制技术越来越多被应用于土木工程结构在动力荷载（风荷载、地震作用等）作用下的响应控制。在被动控制中，调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称TLD）因具有造价低、易安装、维护少、多功能性、容易匹配调频频率等优点被深入研究，它是利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动压力差和液体惯性力来提供减振力的。调谐液体阻尼器主要分为两类，第一类是矩形、圆柱形或圆环形的水箱，第二类是U型管状水箱。通常所说的TLD是指第一类，而把第二类称之为调频液体柱状阻尼器（Tuned LiquidColumns Damper，简称TLCD）。

然而，不论是TLD还是TLCD中液体自身的阻尼相对较小，这将导致水箱中的液体过度晃荡，从而影响调频阻尼器对主体结构的减振效果。为此，众多研究者针对调谐液体阻尼器增加自身阻尼的需求提出了大量的方法，主要分为两类：1）利用液体特性设置装置耗能。如设置小孔、钝体等让液体在振动时产生更多的街涡绕流耗能；2）将液体阻尼器与其他阻尼器结合产生的混合阻尼器。如添加颗粒、高阻尼固体阻尼器等增加耗能方式。但是在这些方法中，液体的在运动的过程中行为呈现非线性的，即整个阻尼器的行为是不可预测的，不同尺寸的水箱的实际效果都得由实验得出。

因此，在现有调谐液体阻尼器的基础上悬吊浮板和阻尼器，浮板能很好地抑制水箱中液体过度晃荡及波浪破碎现象，使得整个阻尼器得行为呈现线性，且浮板晃动又能带动粘滞阻尼器耗能）从而显著提高减振耗能效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浮板型调谐液体质量阻尼器，通过悬吊浮板抑制液体过度晃荡及波浪破碎现象，同时通过与浮板相连的粘滞阻尼器耗能，以提高调谐液体阻尼器在动力荷载作用下的减振耗能效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的浮板型调谐液体质量阻尼器，包括：水箱1、浮板2、粘滞阻尼器3、液体4和刚性导杆5，其中：水箱1为封闭箱体结构，浮板2位于水箱1内，浮板2通过刚性导杆5和水箱1顶部连接，刚性导杆５两端与浮板２和水箱１顶部均为铰接，刚性导杆5中部安装有粘滞阻尼器3，刚性导杆5对称布置于水箱1内两侧，其长度和安放的位置视具体情况而定；水箱1内填充有液体4，浮板２位于液体４上方，液体4在水箱1中与浮板2共同振动形成调谐液体阻尼器。

本发明中，所述水箱１为长方体结构，水箱１的深度与水箱２振动方向的长度比值在0.2~0.4之间。

本发明中，总阻尼等于振动时液体内部、液体与周边约束作用产生的阻尼与外部粘滞阻尼器阻尼之和。

本发明中，水箱横截面的形状可以是矩形，也可以是在此基础上拓展的其他形状图3（如矩形截面底角部分可以切去三角形、圆形或者其他类似图形），且沿振动方向横截面不变。

本发明中，浮板２底部安装若干种耗能装置，以形成混合耗能体系。

本发明的原理：

本发明在地震或风荷载作用下将产生振动，从而引起水箱中液体的晃动，并在液体表面形成波浪。浮板的存在能很好的抑制液体过度晃荡及波浪破碎情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，同时浮板晃动又能带动粘滞阻尼器耗能；波浪对水箱壁产生动压力差，同时液体运动也将引起惯性力，由动压力差和液体惯性力形成减振作用。

在该系统中，浮板和水体共同运动，它们的共同运动状态将直接影响着结构的减振效果。利用有限元思想将结构离散，以表示浮板的位移矩阵（就是液体表面的位移矩阵），则其共同运动的微分方程为

其中分别表示液体和浮板的等效质量、阻尼、刚度和影响系数矩阵，表示结构对于水箱的加速度输入值。

同时，液体对结构的反作用力可以由如下公式表达：

其中表示水箱的中液体的密度，d表示水箱的宽度，A、B是和横截面尺寸有关的量。结合边界情况即可联立求得所需要的参数。通过调节水箱的形状、水箱的水位、导杆位置和粘滞阻尼器的阻尼大小等参数即可实现振动方向调谐。

本发明设计思路：

1）根据具体结构的需要选择合适的质量比（液体总质量与结构总质量比值）和有效系数（水箱中液体参与减振的程度）。

2）根据结构所允许的空间选定水箱参数范围，在该参数范围内插值并让其自由组合，分别计算各情况下动力学参数（频率、阻尼比等），并建立数据库以备筛选。

3）选定特定的激励方式（如地震作用选用kobe波等），基于运动学方程组及优化模型进一步求得该调谐液体阻尼器频率及阻尼比。

4）从所建立的数据库中筛选出符合要求的水箱尺寸，分别计算该激励作用下浮板的最大位移（防止浮板与水箱上下盖板接触），最终选择合适的形状。

与现有的技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明能有效的抑制振动过程中波浪破碎情况，使动力特性呈线性，即能建立数学模型对不同形状尺寸的水箱的动力特性进行预测。

2）与传统TLD相比，本发明加入外部粘滞阻尼器，拥有更加优异的耗能减振效果。，

3）本发明充分利用水箱内上部空间，浮板下方可以安装其它耗能装置（如加设挡板、放置颗粒等等），拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明浮板型调谐液体阻尼器正立面图。

图2为本发明浮板型调谐液体阻尼器俯视图。

图3为本发明浮板型调谐液体阻尼器水箱截面可能形状示意图。

图中标号：1为水箱、2为浮板、3为粘滞阻尼器、4为液体、5为刚性导杆。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例１：如图1所示，为本发明一种浮板型调谐液体质量阻尼器实施例，包括：水箱1、浮板2、粘滞阻尼器3、液体4、刚性导杆5。其中，水箱1为封闭长方体结构，浮板2通过刚性导杆5和水箱1连接，刚性导杆5两端均为铰接，刚性导杆5中部安装粘滞阻尼器3，刚性导杆5对称布置，长度和安放的位置可以调节；水箱1内放置液体4，液体4在水箱1中与浮板2共同振动形成调谐液体阻尼器。所述水箱中水的深度与水箱振动方向的长度比值在0.2-0.4之间，总阻尼等于液体晃动过程中本身存在阻尼与外部粘滞阻尼器阻尼之和水箱横截面的形状可以是矩形，也可以是在此基础上拓展的其他形状图3，且沿振动方向横截面不变，浮板下方可安装多种耗能装置形成混合耗能体系。

Claims (5)

1.浮板型调谐液体质量阻尼器，包括：水箱（1）、浮板（2）、粘滞阻尼器（3）、液体（4）和刚性导杆（5），其特征在于：水箱（1）为封闭箱体结构，浮板（2）位于水箱（1）内，浮板（2）通过刚性导杆（5）和水箱（1）顶部连接，刚性导杆（5）两端与浮板（２）和水箱（1）顶部均为铰接，刚性导杆（5）中部安装有粘滞阻尼器（3），刚性导杆（5）对称布置于水箱（1）内两侧，其长度和安放的位置视具体情况而定；水箱（1）内填充有液体（4），浮板（２）位于液体（４）上方，液体（4）在水箱（1）中与浮板（2）共同振动形成调谐液体阻尼器。

2.根据权利要求1所述的浮板型调谐液体阻尼器，其特征在于：所述水箱（1）为长方体结构，水箱（1）的深度与水箱（1）振动方向的长度比值在0.2~0.4之间。

3.根据权利要求1所述的浮板型调谐液体阻尼器，其特征在于总阻尼等于振动时液体内部、液体与周边约束作用产生的阻尼与外部粘滞阻尼器阻尼之和。

4.根据权利要求1所述的浮板型调谐液体阻尼器，其特征在于：水箱横截面的形状是矩形、矩形截面底角部分切去三角形或矩形截面底角部分切去圆形中任一种，且沿振动方向横截面不变。

5.根据权利要求1所述的浮板型调谐液体阻尼器，其特征在于：浮板（２）底部安装若干种耗能装置，以形成混合耗能体系。