CN108560756A - 一种单摆-粘性液体联合阻尼器 - Google Patents

一种单摆-粘性液体联合阻尼器 Download PDF

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Abstract

一种单摆‑粘性液体联合阻尼器，包括钢缆悬挂节点、钢缆、单摆质量块、液体容器、粘性有机溶液、防溢槽；防溢槽安装于建筑内部的平台上，液体容器置于防溢槽内，液体容器的上部设有若干注液孔，液体容器内添加有粘性有机溶液；钢缆悬挂节点设于建筑内部的上部，且位于液体容器的上方；钢缆首端固定于钢缆悬挂节点上，钢缆末端安装单摆质量块，且单摆质量块浸没于粘性有机溶液内。本发明具有增强了阻尼器系统抑制主体结构振动的效果、结构简单、施工方便、占用体积和质量更小、噪音小等优点。本发明属于建筑抗震技术领域。

Description

一种单摆-粘性液体联合阻尼器
技术领域
本发明属于建筑抗震技术领域，特别涉及一种单摆-粘性液体联合阻尼器。
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，本发明提供一种单摆-粘性液体联合阻尼器，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。
一种单摆-粘性液体联合阻尼器，包括钢缆悬挂节点、钢缆、单摆质量块、液体容器、粘性有机溶液、防溢槽；防溢槽安装于建筑内部的平台上，液体容器置于防溢槽内，液体容器的上部设有若干注液孔，液体容器内添加有粘性有机溶液；钢缆悬挂节点设于建筑内部的上部，且位于液体容器的上方；钢缆首端固定于钢缆悬挂节点上，钢缆末端安装单摆质量块，且单摆质量块浸没于粘性有机溶液内。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，又利用单摆质量块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，液体容器呈圆柱形，液体容器的上端开口；单摆质量块呈球形；且液体容器的高度大于单摆质量块的直径，液体容器的直径大于单摆质量块的直径。采用此结构，单摆质量块能浸没在粘性有机溶液中，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1.5倍单摆质量块的直径。液体容器的直径大于2.5倍单摆质量块的直径。采用此结构，更多体积的粘性有机溶液除使得单摆质量块能更完全浸没在粘性有机溶液中，还因为增加了粘性邮寄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，粘性有机溶液采用在20℃下动力粘度为500～3000mPa·s的粘性有机溶液。采用此结构，采用粘滞系数合适的粘性有机溶液，能不影响单摆系统耗能的作用下，能有效增加单摆质量块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，提高耗能减震效果。
作为一种优选，粘性有机溶液为硅油。采用此结构，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上层楼面的横梁上。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，钢缆分成4股，并锚固于钢缆悬挂节点的圆槽内壁，锚固后，4股糅合成一根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股糅合而成的钢缆的强度和安装牢固度更好，系统更稳固。
作为一种优选，单摆质量块采用不锈钢材质制成。采用此结构，耐腐蚀，单摆质量块经久耐用。
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。
本发明的优点：
1、利用单摆质量块和粘性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，又利用单摆质量块与粘性液体之间的摩擦以及粘性液体与容器壁之间的摩擦进行耗能，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、本发明中所发生的单摆质量块与粘性液体以及粘性液体与容器壁之间的摩擦，均属于固体与液体之间的摩擦，相比于一般的摩擦摆阻尼比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，对用户的干扰更小，用户舒适度更高。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为单摆质量块的安装示意图。
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-粘性有机液体，6-单摆质量块，7-钢缆，8-钢缆悬挂节点。
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。
一种单摆-粘性液体联合阻尼器包括钢缆悬挂节点、钢缆、单摆质量块、液体容器、粘性有机溶液、防溢槽；防溢槽安装于平台上，防溢槽的侧壁上设有排液孔，液体容器放置于防溢槽内，液体容器的上部设有注液孔，注液孔的数量为若干，液体容器内添加有粘性有机溶液；钢缆悬挂节点设于液体容器的上方，钢缆的一端锚固于钢缆悬挂节点上，钢缆的另一端固定有单摆质量块，钢缆的长度足够长，使得单摆质量块浸没在粘性溶液中。
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；钢缆悬挂节点架于建筑内的上层楼面的横梁上。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股糅合成一根钢缆从圆槽底部的圆孔穿出。
钢缆采用高强度钢缆，钢缆的弹性极限对应的抗拉力至少为单摆质量块净重的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，以使得单摆质量块浸没在粘性溶液中。
在本实施例中单摆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，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。
粘性有机溶液需要满足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，粘性有机溶液为硅油。
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单摆质量块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单摆质量块的直径，以保证单摆质量块在阻尼器工作时始终能够完全浸没在溶液中。为取得更好的耗能减震效果，液体容器的高度大于1.5倍球形金属块的直径，液体容器的直径大于2.5倍单摆质量块的直径。
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。
一种单摆-粘性液体联合阻尼器的施工步骤：
(1)在建筑物主体结构施工完成后，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单摆质量块净重的3倍，将钢缆首端安装于钢缆悬挂节点上。
(2)安装圆柱形液体容器，确保容器与楼面板牢固连接。
(3)在液体容器外围安装防溢槽，防溢槽槽底铺装4层以上的防渗漏材料，槽底与槽壁之间以塑胶枪封焊，保证防溢槽不漏液。
(5)在液体容器内布置4个临时顶升用的千斤顶，并将单摆质量块吊装至液体容器上方缓慢放下至千斤顶上，解开吊装，以千斤顶缓慢顶升质量块至预定位置，再将钢缆与单摆质量块的连接器件焊接在一起，静置不少于48小时后，撤去千斤顶。
(6)将注液孔和注液管道连接，排液管道和排液孔连接，向液体容器中注入粘性有机溶液至预定高度。
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，单摆随之发生摆动，单摆的有阻尼固有频率与主体结构基阶固有频率接近时，即可产生与主体结构反相位振动，从而将主体结构振动能量转移至单摆系统；同时，在本发明中，液体容器中所盛的溶液在单摆质量块摆动时，粘性有机液体与单摆质量块之间发生摩擦并耗能，同时粘性有机液体本身的波动与液体容器壁之间的摩擦也可耗能，从而增加了耗能途径，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)

1.一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：包括钢缆悬挂节点、钢缆、单摆质量块、液体容器、粘性有机溶液、防溢槽；防溢槽安装于建筑内部的平台上，液体容器置于防溢槽内，液体容器的上部设有若干注液孔，液体容器内添加有粘性有机溶液；钢缆悬挂节点设于建筑内部的上部，且位于液体容器的上方；钢缆首端固定于钢缆悬挂节点上，钢缆末端安装单摆质量块，且单摆质量块浸没于粘性有机溶液内。
2.根据权利要求1所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：液体容器呈圆柱形，液体容器的上端开口；单摆质量块呈球形；且液体容器的高度大于单摆质量块的直径，液体容器的直径大于单摆质量块的直径。
3.根据权利要求2所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：液体容器的高度大于1.5倍单摆质量块的直径。液体容器的直径大于2.5倍单摆质量块的直径。
4.根据权利要求1所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：粘性有机溶液采用在20℃下动力粘度为500～3000mPa·s的粘性有机溶液。
5.根据权利要求4所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：粘性有机溶液为硅油。
6.根据权利要求1所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：钢缆采用抗拉强度为2160MPa的高强度钢丝绳制成。
7.根据权利要求6所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，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上层楼面的横梁上。
8.根据权利要求7所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，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股糅合成一根钢缆从圆槽底部的圆孔穿出。
9.根据权利要求1所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，其特征在于：单摆质量块采用不锈钢材质制成。
10.根据权利要求1所述一种单摆-粘性液体联合阻尼器，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。
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