CN107974928B - 万向水平式调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构减振技术领域，具体涉及一种万向水平式调谐质量阻尼器，包括摆杆和质量块；所述摆杆的一端在其轴向及垂直于轴向上与主体结构相对固定，另一端与所述质量块连接。本发明的目的在于：针对现有摆式调谐质量阻尼器存在的摆长过短或过长的缺陷，提供一种万向水平式调谐质量阻尼器。该调谐质量阻尼器可应用于控制结构任意方向的振动，且摆长适中，应用范围较广。针对质量单元的调节存在诸多不利，本发明通过调节摆杆的长度来调节阻尼器的刚度，进而控制阻尼器的固有振动频率，却不受制于摆杆的长度。因此，本发明应用范围十分广泛，经济前景广阔。

Description

万向水平式调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于结构减振技术领域，具体地，涉及一种万向水平式调谐质量阻尼器。

背景技术

土木、机械领域广泛采用调谐质量阻尼器来控制结构低频振动；诸如行人荷载作用下人行桥的共振，大高宽比结构在风荷载作用下的振动，以及桥梁及圆筒状结构的风致涡振等。理论及实践均证明，调谐质量阻尼器对具有卓越频率的振动有良好的抑制效果。

针对结构振动的方向，主要存在以下三种情况。其一，对于控制结构单向振动的情况，只需安装振动方向与结构振动方向一致的单向振动调谐质量阻尼器。其二，对于控制结构垂直两向振动的情况，一般需在两个方向分别安装控制改向振动的单向振动调谐质量阻尼器或能够双向运动的滑轨式调谐质量阻尼器，对于频率合适的工程，也可以考虑安装摆式调谐质量阻尼器。其三，对于控制结构任意方向振动的情况，一般采用摆式调谐质量阻尼器。

对于摆式调谐质量阻尼器，其振动频率与摆长成反比，摆长属于刚度单元，频率计算公式为：其中：f是振动频率，单位是Hz；L是摆长，单位是m；g是重力加速度，其值取为9.8m/s²；π是圆周率，其值取为3.14。

表1频率与摆长的关系

频率(Hz)	摆长(m)
		0.1	24.84887825
0.3	2.760986472
		0.5	0.99395513
1	0.248488783
		1.5	0.110439459
2	0.062122196
		2.5	0.039758205
3	0.027609865

从表1可知，当频率小于0.5Hz时，摆长很大，而当频率大于1Hz时，摆长很小。为使调谐质量阻尼器的减振效果最佳，其固有振动频率应与主体结构的振动频率一致，否则减振效果就会大幅下降。因此，调节阻尼器的频率之后，导致摆式结构存在摆长过大或过小的缺陷。为获得理想的摆长，可设计成复摆，也可增设弹簧设计成组合摆，但这两种结构均很复杂，实际应用不广泛。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有摆式调谐质量阻尼器存在的摆长缺陷，提供一种万向水平式调谐质量阻尼器。该调谐质量阻尼器可应用于控制结构任意方向的振动，且摆长适中，应用范围更广泛。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

万向水平式调谐质量阻尼器，包括摆杆和质量块；所述摆杆的一端在其轴向及垂直于轴向上与主体结构相对固定，另一端与所述质量块连接。当主体结构发生振动时，摆杆的固定端跟随主体结构发生位移。而质量块由于惯性的作用，摆杆的自由端跟随质量块一起，具有保持原来运动状态不变的性质。从而使摆杆的两端发生近似垂直于轴向的横向相对位移。质量块保持原来运动状态的作用，带动阻尼单元并消耗从主体结构传来的能量，进而实现减振效果。

对于要设置调谐质量阻尼器的工程来讲，在工程竣工时其固有频率已经确定。为使调谐质量阻尼器的减振效果最佳，其固有振动频率应与主体结构的固有振动频率一致，否则减振效果就会大幅下降。阻尼器频率的计算公式为：其中：f是振动频率，K是刚度，m是质量。可知，有两种方式调整阻尼器的固有频率以达到与主体结构的固有频率一致，即阻尼器的刚度与质量。

调谐质量阻尼器主要是利用质量块与主体结构相对运动时，带动阻尼单元并消耗从主体结构传来的能量来实现减振的目的。在高层建筑中，采用混凝土楼板或专门制作的混凝土块等附加质量，而在电视塔中，常采用塔楼中水箱作为质量块。一般而言，阻尼器质量块的质量越大越好，质量越大，惯性越大，维持主体结构运动状态的能力就越大，减振效果就越好。但质量的增加并不一定与控制效果的提高成正比。当其超过一定值以后，随着质量块质量的增加，振动控制效果提高并不明显，且阻尼器的质量太大，势必造成建筑结构的固有频率有较大幅度的降低，而更接近脉动风的频率，使响应增大。不仅起不到减振作用，反而加剧了结构的振动。一般认为，阻尼器与主体结构的质量比在0.005-0.03之间。综上，阻尼器的质量存在最优值，在建筑主体结构竣工时即已确定。如果通过改变质量来调节阻尼器的固有频率，将以失去最优减振效果为代价。

综上，若需调节阻尼器的固有频率，需要着重考虑的是其刚度的实现方式及调节刚度的方式。然而，现有的摆式阻尼器对刚度调节之后，摆长变化极大，使其应用范围受到限制。本方案采用摆杆一端固定的方式控制阻尼器的刚度，其刚度单元构造形式相对简单，且刚度单元被调整之后对其他构件内力的影响不大，进而控制固有频率，是一个很好的思路。

作为优选方案，还包括支撑架，所述支撑架设置在所述主体结构上，所述摆杆与所述支撑架连接。摆杆通过设置在支撑架上与主体结构相对固定连接，使阻尼器的生产、安装及维护更方便，防止摆杆直接安装在主体结构上对主体结构产生影响。

作为优选方案，还包括用于调节所述摆杆长度的长度调节机构，所述长度调节机构设置在所述支撑架上，所述摆杆与所述长度调节机构连接。摆杆的长度归类于阻尼器的刚度，摆杆的长度可调，提供一种调节阻尼器固有频率的方式，应用范围更广。实际工程中，考虑到结构模态质量的变化，主体结构的固有频率发生变化，常常需要调节调谐质量阻尼器的固有振动频率。本方案通过调节摆杆的长度，改变阻尼器的固有频率，以达到更好的减振效果。

作为优选方案，所述长度调节机构包括夹板和紧固螺栓，所述夹板为相对设置的两块板状结构，所述两块板状结构通过紧固螺栓连接，所述摆杆被夹持在所述两块板状结构之间。机械结构简单，牢固可靠，且操作简单快捷，便于维护。

作为优选方案，还包括阻尼调节装置，所述阻尼调节装置设置在所述质量块与所述支撑架之间。设置阻尼单元，提供一种辅助调节阻尼器固有频率的方式，减振效果更好。

作为优选方案，所述阻尼调节装置包括磁体和导体，所述磁体设置在所述质量块上，所述导体设置在所述支撑架上，或者，所述导体设置在所述质量块上，所述磁体设置在所述支撑架上；所述磁体与所述导体之间留有间隙。阻尼单元为电涡流阻尼，阻尼容易调节，仅调节导体与磁体的间隙即可。

作为优选方案，所述阻尼调节装置包括阻尼器，所述阻尼器的一端与所述质量块连接，另一端与所述支撑架连接。阻尼单元为接触式阻尼，阻尼器可采用筒式阻尼器、粘滞阻尼等。阻尼容易调节，仅调节阻尼器的阻尼系数，如更换不同阻尼系数的阻尼器。

作为优选方案，所述质量块的周围设置有阻挡件，所述阻挡件设置在所述支撑架上。阻挡件用于控制质量块的移动范围，防止偏移过大，使摆杆、支撑件损坏或对主体结构产生撞击破坏。

作为优选方案，所述阻挡件面向所述质量块的一侧设置有弹性垫。质量块的惯性较大，弹性垫起到缓冲冲击力的作用。

作为优选方案，所述摆杆为竖直设置的梁结构。梁结构，即承受垂直于轴线的横向载荷的杆件。本方案主要应用与控制主体结构的横向振动，将作为刚度单元的摆杆与主体结构相互垂直，可以达到最佳的减振效果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本发明的有益效果是：一方面，本发明任意方向的振动频率均相同，能够应用于控制结构任意方向振动的情况，如控制高耸结构在风荷载作用下的振动。另一方面，质量直接与建筑主体结构的设计承载能力相关，牵一发而动全身，调节质量涉及众多构件内力的变化，牵涉面广且不经济。针对质量单元的调节存在诸多不利，本发明通过调节摆杆的长度来调节阻尼器的刚度，进而控制阻尼器的固有振动频率，却不受制于摆杆的长度。因此，本发明应用范围十分广泛，经济前景广阔。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图。

图2是实施例2的结构示意图。

附图中标记对应的部件名称为：

1-摆杆；

2-质量块；

3-支撑架；

4-长度调节机构，41-夹板，42-紧固螺栓；

5-阻尼调节装置，51-磁体，52-导体，53-阻尼器；

6-阻挡件；

7-弹性垫；

A-主体结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

万向水平式调谐质量阻尼器，如图1所示，包括摆杆1和质量块2。所述摆杆1采用钢材料。所述摆杆1的一端在其轴向及垂直于轴向上与主体结构A相对固定，另一端与所述质量块2连接。所述摆杆1为竖直设置的梁结构，即与主体结构A的振动方向互相垂直。摆杆1需做疲劳分析，保证摆杆1在长期荷载作用下不疲劳破坏。

本实施例还包括支撑架3，支撑架3采用钢制结构，由顶架、支架与底架通过螺栓相互固定连接组成。具体地，所述支撑架3设置在所述主体结构A上，所述摆杆2与所述支撑架3连接。

本实施例还包括用于调节所述摆杆1长度的长度调节机构4，所述长度调节机构4设置在所述支撑架3上，所述摆杆1与所述长度调节机构4连接。具体地，所述长度调节机构4包括夹板41和紧固螺栓42，所述夹板41为相对设置的两块板状结构，所述两块板状结构通过紧固螺栓42连接，所述摆杆1被夹持在所述两块板状结构之间。需调节摆杆1的长度时，旋松紧固螺栓42，释放摆杆1，将摆杆1调节至所需长度，再次旋紧紧固螺栓42。

本实施例还包括阻尼调节装置5，所述阻尼调节装置5设置在所述质量块2与所述支撑架3之间。阻尼调节装置5采用电涡流阻尼方式，具体地，所述阻尼调节装置5包括磁体51和导体52。所述磁体51采用磁钢材料，设置在所述质量块2上。所述导体52采用铜材料，设置在所述支撑架3上。所述磁体51与所述导体52之间留有间隙。

本实施例质量块2的周围设置有阻挡件6，所述阻挡件6设置在所述支撑架3上。所述阻挡件6面向所述质量块2的一侧设置有弹性垫7。

实施例2

相比于实施例1，如图2所示，本实施例的阻尼调节装置5将磁体51与导体52组件替换为阻尼器53。具体地，所述阻尼器53采用筒式阻尼器，一端与所述质量块2连接，另一端与所述支撑架3连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：包括摆杆(1)和质量块(2)；所述摆杆(1)的一端在其轴向及垂直于轴向上与主体结构(A)相对固定，另一端与所述质量块(2)连接；还包括支撑架(3)，所述支撑架(3)设置在所述主体结构(A)上，所述摆杆(1)与所述支撑架(3)连接；还包括用于调节所述摆杆(1)长度的长度调节机构(4)，所述长度调节机构(4)设置在所述支撑架(3)上，所述摆杆(1)与所述长度调节机构(4)连接；所述摆杆(1)为竖直设置的梁结构。

2.根据权利要求1所述的万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述长度调节机构(4)包括夹板(41)和紧固螺栓(42)，所述夹板(41)为相对设置的两块板状结构，所述两块板状结构通过紧固螺栓(42)连接，所述摆杆(1)被夹持在所述两块板状结构之间。

3.根据权利要求1所述的万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：还包括阻尼调节装置(5)，所述阻尼调节装置(5)设置在所述质量块(2)与所述支撑架(3)之间。

4.根据权利要求3所述的万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻尼调节装置(5)包括磁体(51)和导体(52)；所述磁体(51)设置在所述质量块(2)上，所述导体(52)设置在所述支撑架(3)上，或者，所述导体(52)设置在所述质量块(2)上，所述磁体(51)设置在所述支撑架(3)上；所述磁体(51)与所述导体(52)之间留有间隙。

5.根据权利要求3所述的万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻尼调节装置(5)包括阻尼器(53)，所述阻尼器(53)的一端与所述质量块(2)连接，另一端与所述支撑架(3)连接。

6.根据权利要求1所述的万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块(2)的周围设置有阻挡件(6)，所述阻挡件(6)设置在所述支撑架(3)上。

7.根据权利要求6所述的万向水平式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述阻挡件(6)面向所述质量块(2)的一侧设置有弹性垫(7)。