CN107905605B - 可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器 - Google Patents

可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，包括：U型水箱，水箱内装有液体，水箱竖直段内部靠近上端开口处设有左格栅和右格栅，水箱水平段内部重叠设有大小一致的固定横隔板和活动横隔板，其上分布有一一对应的小孔；活动横隔板可上下自由活动；活动横隔板向上延伸出一连接构件；连接构件和水箱水平段之间设置有复位弹簧；水箱两竖直段外表面之间固定有横梁，横梁与活动横隔板的连接构件之间依次连接有步进电机和顶杆；步进电机内部集成有阻尼调节系统。阻尼调节系统根据高层建筑结构振动的大小，驱动步进电机转动，进而通过顶杆引导活动横隔板上升或下降，改变过水小孔的大小，实现阻尼的调节。本发明阻尼器能够根据高层建筑结构振动情况实时调节阻尼的大小，可保证调频液柱阻尼器对高层建筑结构水平向的各种振动均有很好的减振效果。

Description

可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制技术，具体涉及一种用于减小建筑物振动的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器。
背景技术
我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震活动十分频繁。20世纪以来，中国发生6级以上地震近800次，遍布21个省和4个直辖市。同时，我国有着漫长的海岸线，绝大部分滨海城市处于台风直接侵袭的范围，是世界上受台风影响最严重的国家之一，平均每年就有8次台风登陆。近年来，一大批超高层建筑在全国各地陆续兴建，对国家和地区经济的发展起着不可或缺的作用。超高层建筑具有高柔性，在地震和强风作用下，极易产生较大的振动，不仅影响建筑的正常使用甚至可能造成结构的突然倒塌。因此，如何减小高层建筑结构在地震和强风作用下的振动，成为确保建筑安全的重要问题。
调频液柱阻尼器包含一个内部充水的U型等截面管状刚性水箱和一个设置在管状刚性水箱水平段内的横隔板，横隔板上设置小孔，U型等截面管状刚性水箱下部与结构固定。当结构由于外荷载作用而产生水平向振动时，也会带动水箱内的水晃动。水箱内的水由于晃动而流过横隔板上的小孔时，由于截面突然变化而产生阻尼，这种阻尼可以耗散结构的振动能量，进而减小结构的振动。同时，水晃动产生的水平惯性力作用于水箱侧壁，且其方向与结构水平振动的方向相反，此惯性力可减小结构的振动。相比于其他减振装置，调频液柱阻尼器具有成本低廉、施工方便、无需外部能源输入、响应速度快、水箱内的水还可作为消防使用等优点，是一种性能优良的减振器。
调频液柱阻尼器横隔板上小孔对于调频液柱阻尼器的减振效果至关重要，不仅控制着调频液柱阻尼器提供的阻尼，还影响着调频液柱阻尼器提供的惯性力。然而，已有的调频液柱阻尼器横隔板上的小孔大小固定，不能根据结构振动的大小进行调节，难以保证调频液柱阻尼器在各种情况下均有很好的减振效果，不能满足高层建筑振动控制的要求。为了保障高层建筑在强风以及地震作用下的安全，急需一种能够根据高层建筑结构振动大小而自动实时调节横隔板小孔大小的调频液柱阻尼器。
发明内容
发明目的：针对现有技术的上述缺陷，本申请提供了一种可以根据结构振动的大小实时调节调频液柱阻尼器阻尼的大小，从而减小结构在地震和强风作用下振动的调频液柱阻尼器。
技术方案：本发明所述的一种可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，包括：等截面U型管状水箱，水箱内装有液体，所述水箱竖直段内部靠近上端开口处设有左格栅和右格栅，所述水箱水平段内部重叠设有大小一致的固定横隔板和活动横隔板，所述固定横隔板和活动横隔板上分布有一一对应的小孔；所述活动横隔板从水箱水平段上表面插入，可上下自由活动；所述活动横隔板向上延伸出一连接构件；所述活动横隔板的连接构件和水箱水平段之间设置有复位弹簧；所述水箱两竖直段外表面之间固定有横梁，所述横梁与活动横隔板的连接构件之间依次连接有步进电机和顶杆；所述步进电机内部集成有阻尼调节系统。
所述阻尼调节系统包括由微型加速度传感器、低通滤波器、放大器、A/D转换器、微处理器以及数据存储器组成的数据传输路径，还包括所述微处理器与步进电机控制器组成的指令传输路径，以及电源。
优选的，所述微型加速度传感器为基于微机电技术的低功耗加速度传感器，便于减小阻尼调节系统的体积，方便阻尼调节系统集成到步进电机内部；同时降低阻尼调节系统的电能消耗，保证阻尼调节系统的长期有效性。
所述电源为干电池。电源为微型加速度传感器、低通滤波器、放大器、A/D转换器、微处理器、数据存储器和步进电机控制器持续供电。
所述固定横隔板与水箱侧壁接缝处密封连接。
所述活动横隔板与水箱侧壁接缝处密封连接。
优选的，所述连接构件为T型，更便于实现复位弹簧上下连接固定。也可以为其他能保证两边的复位弹簧连接上的形状。
进一步优选的，所述复位弹簧最好为两个。
所述等截面U型管状水箱水平段的横截面可为矩形或圆形。
本申请技术原理：当没有振动发生时，固定横隔板和活动横隔板完全重合，其上分布的小孔一一对应。当高层建筑结构在地震和强风作用下发生振动，引起调频液柱阻尼器及步进电机内部的阻尼调节集成电路振动，使得集成电路驱动步进电机转动，推动顶杆上升或下降，进而通过连接构件引导活动横隔板上下运动，通过固定横隔板和活动横隔板之间的相对运动，改变过水小孔的大小，实现阻尼的调节。进一步的，集成电路中的具体过程是：微型加速度传感器采集结构振动的模拟信号，通过低通滤波器去除噪声，利用放大器将模拟信号放大，再通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理器；微处理器接收数字信号，并利用数据存储器存储的预定程序进行计算和分析，得出步进电机的控制指令，并传输至步进电机控制器；步进电机控制器接收控制指令后，驱动步进电机转动，推动顶杆上升或下降，进而改变过水小孔的大小，实现阻尼的调节。
有益效果：本发明的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，利用水体晃动产生的与结构振动方向相反的惯性力以及水体流过小孔产生的阻尼力减小高层结构在地震和强风作用下的振动；阻尼调节系统根据高层建筑结构振动的大小，驱动步进电机转动，进而通过顶杆引导活动横隔板上升或下降，改变过水小孔的大小，实现阻尼的调节，可保证调频液柱阻尼器对高层建筑结构水平向的各种振动均有很好的减振效果。本申请中阻尼调节系统采用电源统一供电，集成于步进电机内部，无需外部能源；响应速度快、延时小、可靠性高；可通过小幅抬升或降低活动横隔板控制阻尼的大小，阻尼调节速度快、功耗低，能够实时调节阻尼并实时控制结构的振动响应，应用前景广。
附图说明
图1是本发明的纵剖面图；
图2是本发明的A-A剖视图；
图3是本发明的B-B剖视图；
图4是本发明的C-C剖视图；
图5是本发明的D-D剖视图；
图6是本发明的E-E剖视图；
图7是本发明的固定横隔板的三维示意图；
图8是本发明的活动横隔板的三维示意图；
图9是本发明的阻尼调节系统原理框图。
其中：水箱1；液体2；左格栅3；右格栅4；固定横隔板5；活动横隔板6；连接构件61；小孔7；复位弹簧8；横梁9；步进电机10；顶杆11；微型加速度传感器12；低通滤波器13；放大器14；A/D转换器15；微处理器16；数据存储器17；步进电机控制器18；电源19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1-8所示，一种可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，包括：等截面U型管状水箱1，水箱1内装有液体2，水箱1竖直段内部靠近上端开口处设有左格栅3和右格栅4，水箱1水平段中段内部重叠设有大小一致的固定横隔板5和活动横隔板6，固定横隔板5和活动横隔板6上分布有一一对应的直径相同的小孔7；活动横隔板6可以从水箱1水平段上表面插入，并且可以上下自由活动；活动横隔板6向上延伸出一T型连接构件61；活动横隔板6的T型连接构件61和水箱1水平段之间设有两个复位弹簧8；水箱1两竖直段外表面之间固定有水平横梁9，横梁9中段与活动横隔板6的T型连接构件61之间依次通过步进电机10和顶杆11连接在一起；同时，步进电机10内部集成有阻尼调节系统。
其中，阻尼调节系统框图如图9所示，包括由微型加速度传感器12、低通滤波器13、放大器14、A/D转换器15、微处理器16以及数据存储器17组成的数据传输路径，还包括所述微处理器16与步进电机控制器18组成的指令传输路径，以及电源19。其中，微型加速度传感器12为基于微机电技术的低功耗加速度传感器，电源19为干电池。电源19为微型加速度传感器12、低通滤波器13、放大器14、A/D转换器15、微处理器16、数据存储器17和步进电机控制器18持续供电。
上述阻尼器，当没有振动发生时，固定横隔板5和活动横隔板6完全重合，其上分布的小孔一一对应。当高层建筑结构在地震和强风作用下发生振动，引起调频液柱阻尼器及步进电机内部的阻尼调节集成电路振动，集成电路中微型加速度传感器13采集结构振动的模拟信号，通过低通滤波器14去除噪声，利用放大器15将模拟信号放大，再通过A/D转换器16将模拟信号转换为数字信号，并传输至微处理器16；微处理器16接收数字信号，并利用数据存储器18存储的预定程序进行计算和分析，得出步进电机5的控制指令，并传输至步进电机控制器18；步进电机控制器18接收控制指令后，驱动步进电机5转动，推动顶杆4上升或下降，进而通过连接构件61引导活动横隔板6上下运动，通过固定横隔板5和活动横隔板6之间的相对运动，改变过水小孔的大小，实现阻尼的调节。

Claims (7)

1.一种可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，包括等截面U型管状水箱(1)，水箱(1)内装有液体(2)，所述水箱(1)竖直段内部靠近上端开口处设有左格栅(3)和右格栅(4)，其特征在于，所述水箱(1)水平段内部重叠设有大小一致的固定横隔板(5)和活动横隔板(6)，所述固定横隔板(5)和活动横隔板(6)上分布有一一对应的小孔(7)；所述活动横隔板(6)从水箱(1)水平段上表面插入，可上下自由活动；所述活动横隔板(6)向上延伸出一连接构件(61)；所述活动横隔板(6)的连接构件(61)和水箱(1)水平段之间设置有复位弹簧(8)；所述水箱(1)两竖直段外表面之间固定有横梁(9)，所述横梁(9)与活动横隔板(6)的连接构件(61)之间依次连接有步进电机(10)和顶杆(11)；所述步进电机(10)内部集成有阻尼调节系统；所述阻尼调节系统包括由微型加速度传感器(12)、低通滤波器(13)、放大器(14)、A/D转换器(15)、微处理器(16)以及数据存储器(17)组成的数据传输路径，还包括所述微处理器(16)与步进电机控制器(18)组成的指令传输路径，以及电源(19)。
2.根据权利要求1所述的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，其特征在于，所述微型加速度传感器(12)为基于微机电技术的低功耗加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，其特征在于，所述电源(19)为干电池。
4.根据权利要求1所述的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，其特征在于，所述固定横隔板(5)与水箱(1)侧壁接缝处密封连接。
5.根据权利要求1所述的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，其特征在于，所述活动横隔板(6)与水箱(1)侧壁接缝处密封连接。
6.根据权利要求1所述的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，其特征在于，所述连接构件(61)为T型。
7.根据权利要求1所述的可实时调节阻尼的调频液柱阻尼器，其特征在于，所述复位弹簧(8)为两个。
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