CN106948256A - 一种超低频液体质量调谐阻尼器 - Google Patents

一种超低频液体质量调谐阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低频液体质量调谐阻尼器，涉及桥梁振动控制技术领域，包括阻尼箱，所述阻尼箱内设有弹簧组，所述弹簧组一端固定在所述阻尼箱上，所述弹簧组另一端连接有一质量块，所述阻尼箱内盛有阻尼液，所述质量块完全浸没或半浸没在所述阻尼液中，所述超低频液体质量调谐阻尼器的阻尼比为3％～35％，固有频率为0.05～0.5Hz。本发明的超低频液体质量调谐阻尼器可充分利用阻尼液的附加质量，辅以液体的浮力作用，在满足0.5Hz以下的结构振动控制需求同时，大幅降低弹簧的静力伸长量，减小阻尼器弹簧用量与安装空间，适应实际施工对阻尼器安装空间的限制需求。

Description

一种超低频液体质量调谐阻尼器
技术领域
本发明涉及桥梁振动控制技术领域，具体涉及一种超低频液体质量调谐阻尼器。
背景技术
桥梁结构在外界风、车辆等荷载的作用下容易发生振动，并造成车辆及行人的不适、桥梁的疲劳损伤积累、缩短桥梁使用寿命，甚至造成桥梁结构的垮塌。如美国的塔科马大桥(Tacoma Narrows Bridge)在风荷载激励下垮塌。桥梁是否发生大幅振动，与外荷载的激励频率和桥梁自振频率的比值有关，当二者基本接近时桥梁结构会以该自振频率对应的振型发生共振。调谐质量阻尼器TMD(tuned mass damper)通过调节阻尼器频率使其接近桥梁结构的受控频率(即桥梁需要被控制的振动频率)，使阻尼器内的活动质量以大于桥梁结构的位移振幅振动，实现桥梁结构的振动能量的转移，同时通过阻尼器内部的阻尼耗能装置将传递至阻尼器的能量耗散，最终实现抑制桥梁结构振动的目的。对桥梁结构的受控模态，调谐类阻尼器提高了其模态阻尼，一方面使其在外界持续激励下保持较小的振动响应，另一方面使结构的振动响应在外界激励消失后，能够迅速衰减。
随着桥梁跨度的增加，桥梁结构的自振频率逐渐降低，如港珠澳大桥非通航孔的梁桥的受控频率约为0.33Hz，而悬索桥或者斜拉桥的主梁竖向振动频率更低，以西堠门大桥为例，主梁一至十阶竖弯涡振频率在0.079Hz～0.374Hz之间，现场实测的主梁涡激振动结果发现，主梁即使发生了较高阶的竖向弯曲模态，其频率也在0.23Hz～0.32Hz。采用调谐质量阻尼器理论上能够有效抑制上述振动，而阻尼器要发挥调谐减振作用，必须使阻尼器频率低至上述频率。
常规TMD实现超低频的主要难点在于，弹簧刚度太小和难以平衡质量块的自重。若直接纯依靠弹簧弹性力平衡质量块重力，则其弹簧的静力伸长量为：
上式中，δ为弹簧静力伸长量(单位为m)，m为质量块质量(单位为kg)，k为弹簧刚度(单位为N/m)，g为重力加速度(单位：m/s2)，f为阻尼器频率(单位为Hz)。从上述公式可以看出，弹簧的静力伸长量δ与频率f的平方成反比，随着频率的降低，弹簧静力伸长量会迅速增大，减振器所占空间和质量也会迅速增大，而为达到如此大的伸长量，同时保证弹簧钢丝应力满足设计规范要求，弹簧钢丝的直径和总长也会迅速增大，从而导致其质量迅速增大。下表为阻尼器在超低频时的频率与弹簧静力变形量、弹簧质量比(弹簧质量/质量块质量)的对应关系表：
表1常规TMD在超低频时频率、弹簧静力伸长量、弹簧质量占比对应关系表
常规TMD频率(Hz) 弹簧静力伸长量(m) 弹簧质量/质量块质量
0.5 0.99 19％
0.4 1.55 24％
0.3 2.76 52％
0.2 6.21 101％
0.1 24.82 250％
注：弹簧设计应力[σ]＝370MPa。
通过上表可以看出，随着需求频率的降低，弹簧长度和质量会迅速增大，对于常规TMD而言，自振频率为0.3Hz～0.5Hz时较难实现，0.3Hz以下则难以实现。
为了解决上述问题，如图1所示，日本东京湾桥为实现0.33Hz的频率阻尼器，采用了一种杠杆式TMD，利用放大倍数为5的杠杆放大作用，使弹簧的静力压缩量减小了5倍，原弹簧变形量从2.28m减小至0.46m。该方案虽然通过杠杆转换，压缩了安装空间，但也存在以下缺点：1、并不能减小弹簧用量，且该阻尼器需要复杂的杠杆传递系统，构造较复杂，制造精度要求很高，现场组装难度大，其支座、支架、杠杆、铰节点等对减振无效的材料均大幅增大了减振成本。2、难以进一步降低频率，而且同时该阻尼器需要复杂的杠杆传递系统，由于转动铰多，转动铰处轴承的转动摩擦作用使阻尼器的初始阻尼增大，不仅对小振幅不敏感，而且很难将阻尼器的阻尼参数调节至最优。由于上述缺陷，该方案很难推广应用至更低频率的结构振动控制。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超低频液体质量调谐阻尼器，可在满足0.5Hz以下的结构振动控制需求同时，大幅降低弹簧的静力伸长量，减小阻尼器弹簧用量与安装空间，适应实际施工对阻尼器安装空间的限制需求。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种超低频液体质量调谐阻尼器，包括：
阻尼箱，所述阻尼箱内设有弹簧组，所述弹簧组一端固定在所述阻尼箱上，所述弹簧组另一端连接有一质量块，所述阻尼箱内盛有阻尼液，所述质量块完全浸没或半浸没在所述阻尼液中，所述超低频液体质量调谐阻尼器的阻尼比为3％～35％，固有频率为0.05～0.5Hz。
在上述技术方案的基础上，所述阻尼箱上部固设有一连接板，所述弹簧组固定在所述连接板上。
在上述技术方案的基础上，所述弹簧组包括设于所述质量块上方的第一弹簧组和与所述第一弹簧组相对设置、设于所述质量块下方的第二弹簧组，所述第二弹簧组一端与所述阻尼箱底板相连。
在上述技术方案的基础上，所述弹簧组为圆柱螺旋拉伸弹簧或圆柱螺旋压缩弹簧，所述弹簧组均匀固设于所述质量块的上方或相对设置在所述质量块的上方和下方。
在上述技术方案的基础上，所述质量块可以是实心结构，也可以是中空结构。
在上述技术方案的基础上，所述质量块上设有过流孔，所述过流孔为开孔方向与所述弹簧组轴线一致的通孔。
在上述技术方案的基础上，所述质量块为流线体或钝体。
在上述技术方案的基础上，所述质量块设有至少一组翼板，所述翼板由所述质量块水平向外延伸形成，每组翼板包括相对设于所述质量块两侧的两个翼板。
本发明还提供一种如上所述的超低频液体质量调谐阻尼器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据减振目标确定所述超低频液体质量调谐阻尼器中活动质量块的质量m，目标频率f和目标阻尼比ξ；
步骤2：根据超低频液体质量调谐阻尼器的振幅和允许空间确定弹簧的静力变形量δ；
步骤3：根据目标阻尼比ξ初步确定质量块的形状；
步骤4：根据质量块的形状和频率f试验确定附加液体质量δm；
步骤5：根据公式k＝(2πf)2·(m+δm)确定弹簧组的刚度k；
步骤6：根据公式m·g＝ρ·g·V+k·δ确定质量块的等效密度；
步骤7：实测阻尼器的频率，若偏差较大，通过改变弹簧刚度k进行调节，若偏差较小，通过改变质量块的质量或等效密度进行调节，使频率f和弹簧静力变形量δ满足要求；
步骤8：实测阻尼器的阻尼比，若有偏差，改变质量块的形状或间隙调整阻尼比；
步骤9：重复步骤7和步骤8，直至频率和阻尼比均满足要求。
在上述技术方案的基础上，在步骤3中，如阻尼比ξ较大，选择阻尼系数CD大的钝体质量块；如阻尼比ξ较小，选择阻尼系数CD小的流线型质量块。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的超低频液体质量调谐阻尼器充分利用阻尼液的附加质量，辅以液体的浮力作用，在实现阻尼器小于0.5Hz超低频减振功能同时大幅降低弹簧的静力伸长量，减小阻尼器弹簧用量与安装空间，适应实际施工对阻尼器安装空间的限制需求，同时提高了减振装置的性价比。
(2)本发明的超低频液体质量调谐阻尼器中由于阻尼液的附加质量作用，在设计频率不变的前提下，提高了弹簧的刚度，有利于保持阻尼器在运动过程中的稳定，防止了因外界微小振动引起的阻尼器倾斜、横向摆动等问题。
(3)本发明的超低频液体质量调谐阻尼器的阻尼参数可通过改变质量块和翼板的形状、质量块与阻尼箱的间隙较方便地调整；同时可通过调整质量块的密度，调节质量块的浮力与质量块的重力之比，调整弹簧的静力伸长量，较方便地适应桥梁现场的安装空间要求。
(4)本发明的超低频液体质量调谐阻尼器为无摩擦构造，在微幅下即可启动，对小振幅振动也有很好的控制效果。
附图说明
图1为日本东京湾桥杠杆式TMD的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中超低频液体质量调谐阻尼器的结构示意图；
图3为本发明另一个实施例中超低频液体质量调谐阻尼器的结构示意图；
图4为本发明另一个实施例中超低频液体质量调谐阻尼器的结构示意图；
图5为本发明另一个实施例中超低频液体质量调谐阻尼器的结构示意图；
图6为本发明另一个实施例中质量块的俯视图；
图7为图6中A-A截面的剖视图。
图中：1-质量块，2-第一弹簧组，3-第二弹簧组，4-阻尼箱，5-阻尼液，6-连接板，7-翼板，8-过流孔。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图2所示，本发明实施例提供一种超低频液体质量调谐阻尼器，包括：阻尼箱，所述阻尼箱内设有弹簧组，所述弹簧组一端固定在所述阻尼箱上，所述弹簧组另一端连接有一质量块，所述阻尼箱内盛有阻尼液，所述质量块完全浸没或半浸没在所述阻尼液中。
在阻尼箱上部固设有一连接板，弹簧组固定在连接板上。这种连接方式可将阻尼箱与弹簧组连为整体，在受到振动作用时更好的传递振动，并由阻尼液和弹簧组更充分的进行阻尼作用，提升阻尼器减振效果。
还可在质量块侧方设置翼板，每组翼板位于垂直于所述弹簧组轴线的同一平面上。翼板的设置可增大阻尼器吸振时阻尼液与质量块之间的有效阻尼面积，更加充分的利用阻尼液的附加质量，提升阻尼装置的稳定性。
装置中的弹簧组选用圆柱螺旋弹簧，可根据实际需求选择其具体种类。本实施例中弹簧组包括两根均布于质量块的上方的圆柱螺旋拉伸弹簧。
实施例2
参见图3所示，本实施例与实施例1的区别在于，其弹簧组包括设于所述质量块上方的第一弹簧组和与第一弹簧组相对设置、设于所述质量块下方的第二弹簧组，第二弹簧组一端与阻尼箱底板相连。本实施例中第一弹簧组为两根圆柱螺旋弹簧，第二弹簧组为两根圆柱螺旋压缩弹簧。
实施例3
参见图4所示，本实施例与实施例1的区别一是在于其弹簧组的构型和固定结构有细微差异，虽然都是两根均布于质量块上方的圆柱螺旋拉伸弹簧；区别二是其质量块上设有过流孔，过流孔为开孔方向与所述弹簧组的通孔。过流孔的设置可使得阻尼液在质量块受到振动作用运动时由过流孔中流过，即可通过这种结构设置调节装置的阻尼系数。
实施例4
参见图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，其弹簧组包括设于所述质量块上方的第一弹簧组和与第一弹簧组相对设置、设于所述质量块下方的第二弹簧组，第二弹簧组一端与阻尼箱底板相连。本实施例中第一弹簧组和第二弹簧组分别为相对设置在质量块上下的两根圆柱螺旋拉伸弹簧。
本发明超低频液体质量调谐阻尼器的工作原理为：
当阻尼器工作时，质量块在阻尼液体中上下振动，质量块带动部分阻尼液发生振动，由于阻尼液的流固耦合作用，为阻尼器提供了附加液体质量δm(理论分析和试验证明可达到m的2～4倍)，调节质量块及其翼板形状可改变δm，从而调整频率f：
从上式可以看出，若弹簧刚度值k与常规TMD相同，本发明TLMD的频率将会大幅降低。同时由于阻尼液的压差阻力，能约束质量块的横向摆动问题，有效的保证了超低频阻尼器在运动过程中的稳定性。
当阻尼器处于静力平衡位置时，质量块受到重力m·g、阻尼液的浮力ρ·g·V和弹簧的弹性力K·δ，三者共同作用使质量块处于平衡状态，即：
m·g＝ρ·g·V+k·δ (3)
推导出本发明弹簧的静力伸长量为：
而常规TMD的弹簧静力伸长量为：
其中，m为活动质量块的质量，g为重力加速度，ρ为阻尼液的密度，V为活动质量块排开阻尼液的体积，k为弹簧组的总刚度，δ为弹簧的静力变形量。
由于流固耦合作用，当f为0.1～0.2Hz时，附加液体质量δm可达到m的4～5倍，比较(4)和(5)可见，本发明TLMD和常规TMD频率f相同时，由于流体的附加质量作用，本发明TLMD的弹簧静力伸长量可大幅降低至常规TMD的20％以下；若本发明TLMD中弹簧总刚度k与常规TMD的弹簧总刚度k相同，本发明的TLMD的静力压缩量可以大幅降低。通过调节质量块的等效密度，调整阻尼液的浮力，可使弹簧静力伸长量进一步下降，调整浮力与弹簧弹性力之比，使阻尼器在工作过程中弹簧始终保持受拉(或受压)及良好的线性度，解决常规TMD弹簧伸长量过大的问题。
超低频TLMD的阻尼参数与质量块以及翼板的形状、质量块与阻尼箱内壁的间隙、频率、阻尼液的粘度系数等参数相关。其中，1)质量块及翼板的形状、质量块与阻尼箱内壁的间隙，决定了质量块在阻尼液运动时的阻尼系数CD，阻尼系数大者阻力大，阻尼系数小者阻力小，一般而言流线型外形的阻尼系数较小，而钝体的阻尼系数较大。2)超低频TLMD中的阻尼参数最终以阻尼比ξ的方式呈现，阻尼比不但与阻尼力大小有关，还与频率有关，相同阻尼力下，阻尼比随着频率降低而增大，在本发明适用的工作环境中，阻尼器的固有频率要求在0.05～0.5Hz范围内，此时的阻尼比为3％～35％。3)阻尼液的粘度系数也会影响阻尼参数的大小，阻尼参数随着阻尼液粘度系数的增大而增大。在选择阻尼液时，可选择粘温特性平稳的阻尼液，以保证超低频TLMD在工作时的阻尼参数保持稳定，同时对阻尼器的阻尼参数进行一定的调节。
本发明为无摩擦构造，质量块与阻尼箱不发生机械接触和摩擦，使得TLMD在微幅下即可启动，对小振幅也有很好的控制效果，可将振动消除于萌芽状态。同时由于无需设置结构复杂、价格昂贵的常用阻尼装置，同时避免使用复杂的杠杆结构，弹簧用量大幅降低，从而大幅提升减振装置的性价比。
本发明实施例还提供一种如上所述的超低频液体质量调谐阻尼器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据减振目标确定所述超低频液体质量调谐阻尼器中活动质量块的质量m，目标频率f和目标阻尼比ξ；
步骤2：根据超低频液体质量调谐阻尼器的振幅和允许空间确定弹簧的静力变形量δ；
步骤3：根据目标阻尼比ξ初步确定质量块的形状；
步骤4：根据质量块的形状和频率f试验确定附加液体质量δm；
步骤5：根据公式k＝(2πf)2·(m+δm)确定弹簧组的刚度k；
步骤6：根据公式m·g＝ρ·g·V+k·δ确定质量块的等效密度；
步骤7：实测阻尼器的频率，若偏差较大，通过改变弹簧刚度k进行调节，若偏差较小，通过改变质量块的质量或等效密度进行调节，使频率f和弹簧静力变形量δ满足要求；
步骤8：实测阻尼器的阻尼比，若有偏差，改变质量块的形状或间隙调整阻尼比；
步骤9：重复步骤7和步骤8，直至频率和阻尼比均满足要求。
在步骤3中，可根据目标阻尼比ξ的实际需求选择质量块的形状，其原则为：如阻尼比ξ较大，选择阻尼系数CD大的形状；如阻尼比ξ较小，选择阻尼系数CD小的形状。
在步骤7中，可通过改变弹簧外径、圈数、材料等因素调整弹簧刚度，通常采用更换弹簧，改变弹簧外径和圈数的方式进行，一般外径越大、圈数越多，刚度越小。
下面就一种具体的超低频液体质量调谐阻尼器设计案例进行说明：
需要设计一种超低频TLMD阻尼器，活动质量块的质量为200kg，目标频率为0.11Hz，目标阻尼比为10％。
阻尼器的活动质量m设计为200kg，因目标阻尼比适中，质量块选用较常规的空心密封箱形钢结构，尺寸为1000×650×272mm(浮力176.8kg)，采用4根圆柱螺旋拉伸弹簧将质量块悬吊固定在连接板上，连接板与阻尼箱上部固定，阻尼箱的尺寸为1200×850×1600mm，连接板与桥梁结构固定。阻尼器总高度为1.6m，阻尼箱内阻尼液高度为1000mm，质量块浸没在阻尼液内，考虑阻尼液的附加液体质量后，根据公式k＝(2πf)2·(m+δm)计算得出弹簧的总刚度为472N/m；又由于质量块的设计振幅为±300mm，根据公式(4)计算得到弹簧的静力伸长量为492mm，随后通过公式(3)得出质量块的等效密度，并得出质量块的等效密度与阻尼液的密度比为1.13：1。随后实测阻尼器的频率和阻尼比，阻尼器实测阻尼比为10.5％，实测频率为0.113Hz，基本达到设计要求，确定设计方案。如设计要求还需进一步细化，后续还可根据公式(2)，改变质量块的形状或间隙调整阻尼比。
下面将本实施例与常规TMD设计方案进行对比。
表2本发明实施例与常规TMD设计参数对比表
从上表可以看出，在活动质量块和目标频率相同的前提下，本发明实施例设计的阻尼器与常规阻尼器相比，弹簧总质量降低为常规TMD的1/80，阻尼器总高度由常规TMD的21m以上降低至1.6m，常规TMD无法适应现有大跨径桥梁箱梁空间需求，需采用复杂的杠杆结构，而本发明的TLMD可用极简单的构造适应现有大跨径桥梁现场安装的空间要求。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于，包括：
阻尼箱，所述阻尼箱内设有弹簧组，所述弹簧组一端固定在所述阻尼箱上，所述弹簧组另一端连接有一质量块，所述阻尼箱内盛有阻尼液，所述质量块完全浸没或半浸没在所述阻尼液中，所述超低频液体质量调谐阻尼器的阻尼比为3％～35％，固有频率为0.05～0.5Hz。
2.如权利要求1所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述阻尼箱上部固设有一连接板，所述弹簧组固定在所述连接板上。
3.如权利要求2所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述弹簧组包括设于所述质量块上方的第一弹簧组和与所述第一弹簧组相对设置、设于所述质量块下方的第二弹簧组，所述第二弹簧组一端与所述阻尼箱底板相连。
4.如权利要求3所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述弹簧组为圆柱螺旋拉伸弹簧或圆柱螺旋压缩弹簧，所述弹簧组均匀固设于所述质量块的上方或相对设置在所述质量块的上方和下方。
5.如权利要求4所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述质量块可以是实心结构，也可以是中空结构。
6.如权利要求5所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述质量块上设有过流孔，所述过流孔为开孔方向与所述弹簧组轴线一致的通孔。
7.如权利要求6所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述质量块为流线体或钝体。
8.如权利要求1所述的超低频液体质量调谐阻尼器，其特征在于：所述质量块设有至少一组翼板，所述翼板由所述质量块水平向外延伸形成，每组翼板包括相对设于所述质量块两侧的两个翼板。
9.一种如权利要求1所述的超低频液体质量调谐阻尼器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据减振目标确定所述超低频液体质量调谐阻尼器中活动质量块的质量m，目标频率f和目标阻尼比ξ；
步骤2：根据超低频液体质量调谐阻尼器的振幅和允许空间确定弹簧的静力变形量δ；
步骤3：根据目标阻尼比ξ初步确定质量块的形状；
步骤4：根据质量块的形状和频率f试验确定附加液体质量δm；
步骤5：根据公式k＝(2πf)2·(m+δm)确定弹簧组的刚度k；
步骤6：根据公式m·g＝ρ·g·V+k·δ确定质量块的等效密度；
步骤7：实测阻尼器的频率，若偏差较大，通过改变弹簧刚度k进行调节，若偏差较小，通过改变质量块的质量或等效密度进行调节，使频率f和弹簧静力变形量δ满足要求；
步骤8：实测阻尼器的阻尼比，若有偏差，改变质量块的形状或间隙调整阻尼比；
步骤9：重复步骤7和步骤8，直至频率和阻尼比均满足要求。
10.如权利要求9所述的超低频液体质量调谐阻尼的器设计方法，其特征在于：在步骤3中，如阻尼比ξ较大，选择阻尼系数CD大的钝体质量块；如阻尼比ξ较小，选择阻尼系数CD小的流线型质量块。
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