CN108412069B - 超长周期tmd控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构振动控制技术领域,公开了一种超长周期TMD控制系统,其包括固定框架、齿轮组、倒立摆、单摆、质量块;固定框架位于被控结构上方,且与被控结构平行;齿轮组包括齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、齿轮Ⅲ和齿轮Ⅳ,齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ相互啮合,齿轮Ⅲ和齿轮Ⅳ相互啮合,四个齿轮与固定框架通过转动副连接;倒立摆一端与齿轮Ⅰ和齿轮Ⅳ的齿轮轴刚接,另一端与被控结构通过转动副连接;单摆一端与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿轮轴刚接,另一端与质量块通过转动副连接。本发明可以用最小的空间实现与大摆长单摆系统相当的自由振动周期或运动周期,有效缓解了由于附加振动控制系统对占用结构建筑空间的需求,有效节约并充分利用建筑物有限的使用空间。

Description

超长周期TMD控制系统
技术领域
本发明涉及结构振动控制技术领域,具体而言,涉及一种超长周期TMD控制系统。
背景技术
随着经济和社会的发展,国家每年投入土木工程和基础设施建设的力度越来越大,高层建筑、大跨度桥梁、大型体育场馆、核电站、海洋石油钻井平台等一些标志性重大工程如雨后春笋般拔地而起,以它们为代表的大量的土木工程结构在施工中和使用过程中都不可避免地要经受各种各样的荷载作用,其中包括静荷载和动荷载,动荷载如地震、风等,对于海洋工程结构还要经受海洋风、浪、流联合激励的作用,以及冬季的海冰作用。这些动荷载对结构的作用都会引起结构的振动、威胁结构的安全,严重时将使结构发生破坏,造成经济损失和人员伤亡。例如,在地震作用下,结构某些部位的地震反应(如加速度、位移等)过大,将使主体承重结构严重破坏、甚至倒塌,或者主体结构虽未破坏,但装饰装修等非结构构件损坏而导致结构无法继续使用,或者虽然主体结构及非结构构件未破坏,但室内的昂贵仪器、设备的损坏而导致严重的损失或产生次生灾害,这些灾害都会造成巨大的经济损失。例如1995年日本阪神地震中,死亡人数仅为5000人,而直接经济损失高达1000亿美元,间接经济损失更高达2000多亿美元。
另一方面,随着新型建筑材料的不断涌现和结构施工技术的进步,结构材料越来越向着轻质高强方向发展,其结果是使建造出来的结构自振周期更长、阻尼更低,对环境荷载(例如风)更加敏感,动力响应更为突出,这种结构不仅仅需要考虑强度进行设计,有时刚度和舒适性问题也可能成为结构的制约因素,必须加以考虑。
近些年来发展起来的结构振动控制技术一直是土木工程以及航空航天、汽车、机械、军事工程等领域研究的热点方向,对于土木工程结构,在结构中恰当地安装振动控制系统能够有效地减小结构的动力反应,减轻结构构件的破坏或疲劳损伤,达到经济性、安全性与可靠性的合理平衡。例如,对于海洋平台结构,有研究表明,采用振动控制技术使平台结构动应力幅值减小15%,则可使结构寿命延长两倍以上,同时还会使海洋平台的检测和正常使用情况下的维护费用大幅度降低,具有重要的实际意义。大量研究表明:结构振动控制可以有效地减轻结构在风、浪、流、冰及地震等动力作用下的反应和损伤、有效地提高结构的抗灾性能,是结构抗灾防灾减灾的积极有效的对策。
土木工程结构振动控制的研究和应用已有半个多世纪的历史了,可以分为以下四个主要方面:被动控制、主动控制、半主动控制与智能控制,以及混合控制。被动控制因其结构简单、造价廉价、易于维护且无须外部能源输入等优点而受到广泛的关注,其主要应用形式有:基础隔振、耗能减振和调谐吸振等,其中用于被动调谐吸振控制的装置主要包括:调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)和调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD)等。
结构振动TMD控制的原理是在主结构(一阶系统)上附加控制子系统(二阶系统),包括:质量、弹簧和阻尼等,通过调谐子结构的频率达到和主结构频率一致或相接近,主结构的振动引起子系统共振,通过子系统内部的阻尼机制耗散结构振动能量,从而消减主结构的动力反应,达到控制主结构振动的目的。TMD控制系统最初被用来减小机械系统运动产生的振动,俗称动力吸振器,20世纪70年代开始用于建筑结构的风振控制。已有的研究结果表明:TMD控制系统在抵御结构风振响应和地震响应方面都能起到良好的控制效果。目前世界上已有多幢建筑结构采用TMD控制系统来减小结构的风振响应,例如:美国纽约世界贸易中心大楼顶部安装了两套重达360吨的半主动TMD控制系统,美国波斯顿市中心60层的JohnHancock大厦在58层上安装了两个重约300吨的TMD控制系统,此外在日本很多大桥的桥塔顶部也安装了TMD控制系统来减小结构在施工中或使用中的风振响应。
已有的TMD控制系统通常是质量—弹簧系统或者是悬挂质量块构成的类似单摆振动系统,它们从原理上基本一致,所不同之处在于具体的实现方式上,但是无一例外这些系统如果要实现长周期的自由运动或振动,或者需要很大的质量块行程(例如对于自振周期为5秒的桥塔结构,大约需要质量块的行程在±5米以上,加上质量块的平面宽度尺寸,则整个系统正常工作至少需要相当于平面3~4个房间开间的平面面积),或者需要较大的结构安装空间(同样对于上述自振周期为5秒的结构,大约单摆的摆长在6米以上,加上质量块的高度至少相当于2~3层楼的高度),如果对于周期更长的结构,理论上对空间的需求将会以结构自振周期平方的关系递增。基于以上分析,采用传统的TMD控制系统对建筑使用空间的要求很高,同时也是对建筑空间一种巨大的浪费。因此,必须寻找一种新型的TMD控制系统,既能有效地消减结构振动(保证与结构自振周期一致),又能合理有效地利用建筑空间,即通过巧妙的机构设计,在狭小空间内可以实现长周期运动。本发明就是在这样的需求背景下产生的。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述问题提供一种超长周期TMD控制系统,用最小的空间实现与大摆长单摆系统相当的自由振动周期或运动周期,有效地缓解由于附加振动控制系统对占用结构建筑空间的需求,有效节约并充分利用建筑物有限的使用空间。
为了实现上述目的,本发明的超长周期TMD控制系统,包括固定框架、齿轮组、倒立摆、单摆、质量块;固定框架位于被控结构上方,且与被控结构平行;
齿轮组包括齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ、齿轮Ⅲ和齿轮Ⅳ,齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ相互啮合,齿轮Ⅲ和齿轮Ⅳ相互啮合,四个齿轮分别通过齿轮轴与固定框架通过转动副连接;
倒立摆对称设置于固定框架两侧,一端分别与齿轮Ⅰ和齿轮Ⅳ的齿轮轴刚接,另一端与被控结构通过转动副连接;
单摆对称设置于固定框架两侧,一端分别与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿轮轴刚接,另一端与质量块通过转动副连接。
进一步的,倒立摆设置于固定框架外侧,一端分别与齿轮Ⅰ和齿轮Ⅳ的齿轮轴伸出固定框架外的部分刚接。
进一步的,单摆设置于固定框架内侧,一端分别与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿轮轴位于固定框架内的部分刚接。
进一步的,所述转动副采用轴承连接。
进一步的,所述刚接采用键连接。
进一步的,轴与轴承内圈过盈配合,轴承外圈与固定框架、被控结构和质量块刚性连接。
本发明具有以下有益效果:本发明的超长周期TMD控制系统可以用最小的空间实现与大摆长单摆系统相当的自由振动周期或运动周期,从而可以有效地缓解由于附加振动控制系统对占用结构建筑空间的需求,有效节约并充分利用建筑物有限的使用空间。
附图说明
图1是本发明立体结构示意图;
图2是本发明侧视图;
图3是本发明俯视图;
图4是本发明原理图;
其中,上述附图包括以下附图标记:1、固定框架;2、被控结构;3、倒立摆;4、单摆;5、质量块;6、齿轮Ⅰ;7、齿轮Ⅱ;8、齿轮Ⅲ;9、齿轮Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2和图3所示,本发明的超长周期TMD控制系统,包括固定框架1、齿轮组、倒立摆3、单摆4、质量块5;
固定框架为矩形,位于被控结构2上方且与被控结构平行;齿轮组包括齿轮Ⅰ6、齿轮Ⅱ7、齿轮Ⅲ8和齿轮Ⅳ9,齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ相互啮合,齿轮Ⅲ和齿轮Ⅳ相互啮合,四个齿轮分别通过齿轮轴与固定框架通过转动副连接;
倒立摆包括两组,共四个,一组对称设置于齿轮Ⅰ两侧,一组对称设置于齿轮Ⅳ两侧,一端分别与齿轮Ⅰ和齿轮Ⅳ的齿轮轴刚接,另一端与被控结构通过转动副连接;
单摆也包括两组,共四个,一组对称设置于齿轮Ⅱ两侧,一组对称设置于齿轮Ⅲ两侧,一端与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿轮轴刚接,另一端与质量块通过转动副连接。
为了使系统结构整体对称和受力均匀,也可以将两组单摆布置于固定框架内侧,将单摆的一端与齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ的齿轮轴位于固定框架内的部分刚接;将两组倒立摆布置于固定框架外侧,将倒立摆的一端与齿轮Ⅰ和齿轮Ⅳ的齿轮轴伸出固定框架外的部分刚接;则两组齿轮在运动时运动方向总保持相反,同时系统工作起来结构也更加紧凑、合理。
系统中所有转动副都采用轴承连接,轴与轴承内圈过盈配合,轴承外圈与固定框架、被控结构和质量块刚性连接,轴与摆杆之间采用刚性连接。由于需要传递较大力矩,因此上述描述中提到的刚接也可以采用键连接的形式。
被控结构、倒立摆和固定框架组成主动平行四连杆,固定框架、单摆和质量块也组成一套平行四连杆机构,此平行四连杆由主动平行四连杆通过齿轮啮合传动带动,所以称之为被动平行四连杆。两组平行四连杆通过齿轮组和固定框架联系起来,形成一个整体工作的齿轮组合摆式TMD控制系统。
本发明工作原理如下:如图4所示,当被控结构运动时,主动平行四连杆机构由于惯性作用会滞后于结构运动,从而导致在倒立摆摆杆与其原始平衡位置间出现一夹角θ;由于固定框架的约束作用(两套平行四连杆机构共用一套顶层框架),被动平行四连杆机构将会整体做一个与倒立摆顶部相同的平动;又由于齿轮的传动特性,假设齿轮传动比为1时,主动平行四连杆将带动被动平行四连杆机构向相反方向也转动一个相同的θ角度。适当调整倒立摆附加质量(包括固定框架质量和齿轮组质量)和单摆附加质量的比例,使得在此种运动情况中,系统质心总是往上升,系统势能随之增加,当θ角达到某一值时,由于重力回复力作用,TMD系统整体会往平衡位置运动,此时齿轮组反转,θ角不断减小直至趋于零。如此往复形成周期运动,齿轮组合摆式TMD系统就会不断地进行势能和动能的相互转化。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超长周期TMD控制系统,其特征在于,包括固定框架(1)、齿轮组、倒立摆(3)、单摆(4)、质量块(5);
固定框架(1)位于被控结构(2)上方,且与被控结构(2)平行;
齿轮组包括齿轮Ⅰ(6)、齿轮Ⅱ(7)、齿轮Ⅲ(8)和齿轮Ⅳ(9),齿轮Ⅰ(6)和齿轮Ⅱ(7)相互啮合,齿轮Ⅲ(8)和齿轮Ⅳ(9)相互啮合,四个齿轮分别通过齿轮轴与固定框架(1)通过转动副连接;
倒立摆(3)对称设置于固定框架(1)两侧,一端分别与齿轮Ⅰ(6)和齿轮Ⅳ(9)的齿轮轴刚接,另一端与被控结构(2)通过转动副连接;
单摆(4)对称设置于固定框架(1)两侧,一端分别与齿轮Ⅱ(7)和齿轮Ⅲ(8)的齿轮轴刚接,另一端与质量块(5)通过转动副连接;倒立摆(3)设置于固定框架(1)外侧,一端分别与齿轮Ⅰ(6)和齿轮Ⅳ(9)的齿轮轴伸出固定框架(1)外的部分刚接;单摆(4)设置于固定框架(1)内侧,一端分别与齿轮Ⅱ(7)和齿轮Ⅲ(8)的齿轮轴位于固定框架(1)内的部分刚接。
2.根据权利要求1所述的超长周期TMD控制系统,其特征在于,所述转动副采用轴承连接。
3.根据权利要求1所述的超长周期TMD控制系统,其特征在于,所述刚接采用键连接。
4.根据权利要求2所述的超长周期TMD控制系统,其特征在于,轴与轴承内圈过盈配合,轴承外圈与固定框架(1)、被控结构(2)和质量块(5)刚性连接。
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