CN108487491B - 一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列 - Google Patents
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Abstract
一种多摆‑粘性液体‑多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：包括防溢槽、液体容器、质量块、粘性有机液体、钢缆、钢缆悬挂节点、连杆；防溢槽安装在建筑内部的平台上，液体容器安装在防溢槽内，液体容器内盛装有粘性有机液体；钢缆悬挂节点设于液体容器上方，并安装于建筑内部的上部；钢缆一端安装在钢缆悬挂节点上，钢缆另一端安装质量块；多个质量块通过连杆串联连接形成多摆环，多摆环浸没于液体容器内的粘性有机液体中。本发明具有结构简单、单个质量块质量更小、耗能减振途径多、噪音小等优点。本发明属于建筑抗震技术领域。
Description
技术领域
本发明属于建筑抗震技术领域，特别涉及一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列。
背景技术
高层建筑，特别是超过150m的超高层建筑，在水平方向的荷载效应显著，因此风荷载、地震荷载是结构设计的主要控制性要素。风荷载与地震荷载均为随机荷载，会引起结构振动，在结构上安装阻尼器等适当的减震装置可以有效降低结构振动效应(例如结构的层间侧移、顶部位移、顶部加速度、基底倾覆弯矩和扭矩等)，从而提高结构的抗风、抗震性能。
常用的阻尼器包括TMD(Tuned Mass Damper调谐质量阻尼器)和TLD (TunedLiquid Damper调谐液体阻尼器)。一般情况下，TMD或TLD系统的一阶固有频率需要与结构整体的一阶固有频率较为接近，且TMD或TLD系统的质量需要足够大，以产生足够大的与主体结构振动相位相反的振动，这样TMD 或TLD系统由于振动对主体结构产生的力能够有效抑制主体结构振动的振幅，从而达到消能减震的作用。但是常规的TMD或TLD系统往往存在以下问题：(1) TLD系统往往需要较大的质量才能够对结构水平方向振动起到较好的抑制作用，特别是对于结构总质量比较高的高层建筑，往往需要巨大的容器，才能够容纳足够的溶液，既占用空间，施工亦不便利；(2)TMD系统往往也需要较大的质量，一般认为TMD质量需要达到主体结构质量的1％左右，才能起到比较好的减振效果，然而过大的质量给吊装施工带来了较大的难度，同时也增加了结构整体的风险；(3)目前的TMD系统往往上部采用吊杆与主体结构连接，下部采用金属阻尼连杆作为支撑，并与下部结构连接(如中国台北101大楼TMD振动控制系统)，这样系统的机械构造较为复杂，造价、养护成本均较高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，它具有结构更简单、体积质量更小、耗能减振效果好、噪音小等优点。
一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，包括防溢槽、液体容器、质量块、粘性有机液体、钢缆、钢缆悬挂节点、连杆；防溢槽安装在建筑内部的平台上，液体容器安装在防溢槽内，液体容器内盛装有粘性有机液体；钢缆悬挂节点设于液体容器上方，并安装于建筑内部的顶部；钢缆一端安装在钢缆悬挂节点上，钢缆另一端安装质量块；多个质量块通过连杆串联连接形成多摆环，多摆环浸没于液体容器内的粘性有机液体中。采用此结构，既利用了单摆系统的反向振动转移主体结构的振动能量，又利用质量块与粘性有机液体之间的摩擦、粘性有机液体与容器壁之间的摩擦以及单摆与单摆之间发生相对位移使得连杆发生拉伸或压缩进行耗能，从而拓展了耗能途径，增强了阻尼器系统抑制主体结构振动的效果；同时结构简单，施工方便，占用体积和质量更小，且噪音小。
作为一种优选，液体容器为圆柱形液体容器，质量块为球形金属块，连杆和球形金属块均采用不锈钢材质制成；液体容器的高度大于球形金属块的直径，液体容器的直径大于多摆环任意两点之间的最大距离的1.5倍。采用此结构，多摆环能浸没在粘性有机液体中，能更多地利用单摆质量块和粘性有机液体之间的摩擦进行耗能，提升耗能减震效果。
作为一种优选，液体容器的高度大于2.5倍的球形金属块的直径，液体容器的直径大于4.5倍的球形金属块的直径。采用此结构，更多体积的粘性有机液体除使得多摆环能更完全浸没在粘性有机液体中，还因为增加了粘性有机液体和液体容器壁之间的摩擦，从而更充分地提升了耗能效果，提高了耗能减震效果。
作为一种优选，连杆为连杆式阻尼器。采用此结构，利用球形金属块之间的相对位移进行耗能，增加了耗能途径。
作为一种优选，粘性有机液体采用在20℃下动力粘度为500～3000mPa·s 的粘性有机液体，粘性有机液体为硅油。采用此结构，采用粘滞系数合适的粘性有机液体，能在不影响单摆系统耗能的作用下，能有效增加多摆环与粘性有机液体之间的摩擦以及粘性有机液体与容器壁之间的摩擦，进而增强耗能减震；硅油能提高耗能减震效果，能同时较好地兼顾单摆减震和粘性有机液体摩擦减震。
作为一种优选，钢缆悬挂节点呈十字形，在钢缆悬挂节点的中心处设有一圆槽，圆槽底部设有一圆孔；钢缆悬挂节点架于建筑内部的横梁上。采用此结构，悬挂节点结构简单，结构牢固，能稳定将钢缆固定。
作为一种优选，钢缆采用抗拉强度为2160MPa的高强度钢丝绳制成。钢缆的公称直径按照单摆质量块的重量计算，要求弹性抗拉力不小于单摆质量块重量的3倍。采用此结构，钢缆的弹性拉力好，能承受极限情况下单摆质量块的运动和受力，保持系统的运行稳定和安全。
作为一种优选，钢缆分成4股，锚固于钢缆悬挂节点的圆槽内壁，锚固后， 4股糅合成一根总钢缆从圆槽底部的圆孔穿出。采用此结构，能更稳定地安装钢缆，且4股糅合而成的总钢缆的强度和安装牢固度更好，系统更稳固。
作为一种优选，液体容器的上部的注液孔和注液管道连接，防溢槽上设有排液孔，排液孔与楼宇排液管道连接。采用此结构，方便注入粘性有机液体，且注入快速；保证溢出液体及时排出，能防止在意外情况下液体容器中的液体外溢。
作为一种优选，钢缆悬挂节点为四个，均匀分布于安装于建筑内部的顶部的安装架上，每个钢缆悬挂节点上安装有一根钢缆；四个质量块分别安装于四根钢缆上，相邻两个质量块之间通过连杆连接而形成多摆环。采用此结构，设计工作量小，同时分成多个质量块，施工难度降低，单根钢缆的承载要求低，多根钢缆承载更稳定，同时四个质量块构成的多摆环效果好，因此系统更安全、稳定，抑制建筑物内部结构振动更好。
相对于单摆，采用多摆环能增加质量块和粘性有机液体的接触面积，提升耗能减震的效果，并且利用多摆环内部的相对位移进一步增加耗能途径，进一步提升耗能减震效果。
本发明的优点：
1、利用多摆环和粘性有机液体联合组成用于高层建筑振动控制的阻尼器系统，既利用了单摆系统的反向振动转移主体结构的振动能量，又利用质量块与粘性有机液体之间的摩擦、粘性有机液体与液体容器壁之间的摩擦以及单摆与单摆之间发生相对位移使得连杆发生拉伸或压缩进行耗能，从而拓展了耗能途径，增强了阻尼器系统抑制主体结构振动的效果。
2、本发明中所发生的质量块与粘性有机液体以及粘性有机液体与液体容器壁之间的摩擦，均属于固体与液体之间的摩擦，相比于一般的摩擦摆利用固体与固体之间的摩擦来耗能，本阻尼器在工作时几乎不产生噪声，对用户的干扰小，用户舒适度高。
3、相对于单摆阻尼器，采用多个质量块的多摆阻尼器系统单个球形质量块所需的重量更小，施工安装更容易，对单根吊缆的承载力要求更低，系统的安全性更高；采用高强度钢缆，并且4股糅合成一根总钢缆安装一个质量块，钢缆通过钢缆悬挂节点牢固安装，因此下部安装的质量块稳定，工作过程中摆动安全、稳定，也因此整个系统工作更安全、更稳定。
4、对于质量块和液体容器，液体容器的高度大于质量块直径的2.5倍，液体容器的直径大于多摆环任意两点之间的最大距离的1.5倍，因此在系统工作中，多摆环能稳定有效浸没在粘性有机液体内，使得摩擦耗能效果好，也因此系统抑制主体结构振动的效果好。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为钢缆和质量块的连接示意图。
图3为钢缆悬挂节点的结构示意图。
其中，1-防溢槽，2-液体容器，3-排液孔，4-注液孔，5-质量块，6-粘性有机液体，7-钢缆，8-钢缆悬挂节点，9-连杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。
一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列包括防溢槽、液体容器、质量块、粘性有机液体、钢缆、钢缆悬挂节点、连杆；防溢槽安装在建筑内部的平台上，液体容器安装在防溢槽内，防溢槽的侧壁上开设有若干排液孔，液体容器的上端的侧壁上开设有若干注液孔；液体容器内添加有粘性有机液体，粘性有机液体为粘性有机液体；钢缆悬挂节点设于液体容器上方，并固定于建筑内部的顶端；钢缆上端安装于钢缆悬挂节点上，钢缆下端安装质量块；一根钢缆上安装一个质量块；多个质量块通过连杆串联连接成多摆环，多摆环呈环状，多摆环浸没在粘性有机液体中。连杆为连杆式阻尼器。
本实施例中，钢缆悬挂节点为四个，四个钢缆悬挂节点均匀分布于安装架上，安装架固定于建筑内部的顶部。每一个钢缆悬挂节点上设有一根钢缆，每根钢缆下端安装有一个质量块。钢缆悬挂节点呈十字形，钢缆悬挂节点由两根杆体呈十字交叉形式连接而成；在钢缆悬挂节点的中心处设有一圆槽，圆槽底部设有一圆孔；钢缆悬挂节点固定于安装架上。钢缆分成4股，均匀分布于圆槽内壁上，并锚固于钢缆悬挂节点的圆槽内壁；每一股钢缆通过圆槽内壁锚固于钢缆悬挂节点的杆体内；锚固后，4股糅合成一根总钢缆从圆槽底部的圆孔穿出。
钢缆的弹性极限对应的抗拉力至少为质量块净重的3倍以上，以保证阻尼器系统的安全。在本实施例中，钢缆采用抗拉强度为2160MPa的高强度钢丝绳制成。钢缆的长度应该足够长，以使得质量块浸没在粘性溶液中。
粘性有机液体需要满足4个基本条件：粘滞系数较大、不易挥发、燃点较高、无毒性。在本实施例中，粘性有机液体为硅油。
本实施例中，包括四个质量块、四根连杆，四个质量块环状分布，相邻两质量块之间通过连杆连接，四个质量块通过连杆依次相接形成多摆环。质量块为球形金属块。球形金属块的质量可根据高层建筑本身的质量估算。连杆的也为金属块。连杆、球形金属块的材质可以为耐腐蚀、密度大的材质，优选为不锈钢材质。
在本实施例中，液体容器呈圆柱形，液体容器的上端开口，液体容器的上部的侧壁上留有4个注液孔，专用的注液管道和液体容器的注液孔相连接，为提高注液速度，可以通过4个注液管道同时注液。液体容器的直径应保证多摆环在往复运动中不触及容器壁；因此液体容器的高度大于球形金属块的直径，液体容器的直径大于3倍球形金属块的直径，以保证多摆环在阻尼器工作时始终能够完全浸没在溶液中，并不和液体容器内壁直接摩擦。为取得更好的耗能减震效果，液体容器的高度大于2.5倍球形金属块的直径，液体容器的直径大于多摆环任意两点之间的最大距离的1.5倍。
防溢槽上设有排液孔，排液孔与楼宇的专用排液管道连接，保证溢出液体及时排出，能防止在意外情况下液体容器中的液体外溢。
一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列的施工步骤，包括如下步骤：
(1)在建筑物主体结构施工完成后，设计好多摆环的质量块的个数，为每个质量块安装钢缆悬挂节点，并张拉钢缆进行抗拉测试，要求钢缆弹性变形极限对应的最大抗拉力不小于质量块净重的3倍，确保钢缆有足够的强度储备并防止发生疲劳破坏。
(2)安装圆柱形的液体容器，确保液体容器与楼面板牢固连接。
(3)在液体容器的外围安装防溢槽，槽底铺装4层以上的防渗漏材料层，槽底与槽壁之间以塑胶封焊，保证防溢槽不漏液。
(4)在液体容器内布置4个临时顶升用的千斤顶，并将质量块吊装至容器上方缓慢放下至千斤顶上，脱开吊装，以千斤顶缓慢顶升质量块至预定位置后，将钢缆与质量块的连接器件焊接，如此完成一个质量块的吊装；然后按相同程序完成下一个质量块的吊装；每个质量块安装好后必须静置至少48小时才能撤去底下的千斤顶。
(5)通过螺栓将连杆锚固于两个球之间。
(6)将注液孔和排液孔连接相应管道，向液体容器中注入粘性有机液体至预定高度。
本发明的工作原理：当高层建筑结构由于风或地震的作用发生水平侧向振动时，多个单摆(即多摆环)随之发生摆动，产生与主体结构反相位振动，从而将建筑物的部分主体结构振动的能量转移到多摆体系上；在本发明中，系统为抵消建筑物的部分主体结构振动的能量，通过如下耗能途径：单摆与单摆之间发生相对位移，从而连杆发生拉伸或压缩而耗能；各质量块与液体容器内的粘性有机液体发生相对位移，产生摩擦而耗能；液体容器内的粘性有机液体与液体容器壁发生相对位移，产生摩擦而耗能；通过本系统内的多种耗能途径提升了系统的抑制主体结构振动的效率。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：包括防溢槽、液体容器、质量块、粘性有机液体、钢缆、钢缆悬挂节点、连杆；防溢槽安装在建筑内部的平台上，液体容器安装在防溢槽内，液体容器内盛装有粘性有机液体；钢缆悬挂节点设于液体容器上方，并安装于建筑内部的顶部；钢缆一端安装在钢缆悬挂节点上，钢缆另一端安装质量块；多个质量块通过连杆串联连接形成多摆环，多摆环呈环状，多摆环浸没于液体容器内的粘性有机液体中。
2.根据权利要求1所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：液体容器为圆柱形液体容器，质量块为球形金属块，连杆和球形金属块均采用不锈钢材质制成；液体容器的高度大于球形金属块的直径，液体容器的直径大于多摆环任意两点之间的最大距离的1.5倍。
3.根据权利要求2所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：液体容器的高度大于2.5倍的球形金属块的直径。
4.根据权利要求1或3所述一种多摆-粘性有机液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：粘性有机液体为硅油。
5.根据权利要求1所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：连杆为连杆式阻尼器。
6.根据权利要求1所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：钢缆悬挂节点呈十字形，在钢缆悬挂节点的中心处设有一圆槽，圆槽底部设有一圆孔；钢缆悬挂节点架于建筑内部的横梁上。
7.根据权利要求6所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：钢缆采用抗拉强度为2160MPa的高强度钢丝绳制成。
8.根据权利要求7所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：钢缆分成4股，锚固于钢缆悬挂节点的圆槽内壁，锚固后，4股糅合成一根总钢缆从圆槽底部的圆孔穿出。
9.根据权利要求1所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：液体容器的上部的注液孔和注液管道连接，防溢槽上设有排液孔，排液孔与楼宇排液管道连接。
10.根据权利要求1所述一种多摆-粘性液体-多连杆式阻尼器阵列，其特征在于：钢缆悬挂节点为四个，均匀分布于安装于建筑内部的顶部的安装架上，每个钢缆悬挂节点上安装有一根钢缆；四个质量块分别安装于四根钢缆上，相邻两个质量块之间通过连杆连接而形成多摆环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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