CN108952287A - 一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，包括管状水箱，管状水箱包括第一U型管状水箱、第二U型管状水箱、第一直线型管状水箱和第二直线型管状水箱，第一U型管状水箱、第二U型管状水箱分别与第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱固定连接，第一U型管状水箱、第二U型管状水箱与第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱的连接处均开孔并保证第一U型管状水箱、第二U型管状水箱、第一直线型管状水箱和第二直线型管状水箱的内部贯通，管状水箱内有水和可调节大小的过水孔。本发明在超高层建筑两个主轴方向均形成U型管状水箱，使得调谐液柱阻尼器能够同时减小超高层建筑两个主轴方向的振动。

Description

一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制装置，具体为一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器。
背景技术
近年来，随着国民经济的发展和城镇化的推进，对超高层建筑结构的需求日益增加。与普通建筑结构相比，超高层建筑结构不仅高度高，还具有结构柔、阻尼小等特性，使得其对风荷载十分敏感。强风极易引起结构的剧烈振动，影响结构的舒适性，甚至可能造成结构关键部位的损伤和整体结构的倒塌。近几十年，世界各国关于超高层建筑结构由于振动而倒塌的案例不胜枚举。因此，如何控制超高层建筑在强风作用下的振动，避免发生损伤和倒塌，成为超高层建筑设计过程中的关键问题。
调谐液柱阻尼器是一种成本低廉、安装方便、频率可调、维护简单的建筑结构振动控制装置，已经得到学术界和工程界的广泛认可。调谐液柱阻尼器的主体结构为一个内部充水的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，横隔板上开设过水孔。使用时，U型等截面管状刚性水箱下部与结构固定，当结构由于外部荷载作用而产生振动时，带动调谐液柱阻尼器内部水体往复运动。水体在往复运动过程中频繁流经过水孔，由于过水截面突然变化而产生阻尼力，耗散结构的振动能量，减小结构的振动。不仅如此，水体运动还会产生与结构振动方向相反的惯性力，进一步减小结构振动。
调谐液柱阻尼器减振控制的关键在于超高层建筑结构的振动是否能够带动水体产生最大程度的振荡并穿过过水孔。但是，目前已有的调谐液柱阻尼器内的水体只能沿一个方向运动，当结构的振动方向与调谐液柱阻尼器水平段纵向平行时，结构的振动会被最大程度的抑制，调谐液柱阻尼器减振效果良好。当结构的振动方向与调谐液柱阻尼器水平段纵向垂直时，调谐液柱阻尼器基本没有减振效果。然而，在实际工程中，超高层建筑结构由于风荷载作用而在一个主轴方向产生顺风向风振时，也会在另一主轴方向产生横风向风振。由于风荷载方向的随机性和频谱特征的随机性，两个主轴方向风振的强弱往往难以事先估计。因此，急需能够同时减小超高层建筑两个方向振动的二维调谐液柱阻尼器。不仅如此，目前已有的调谐液柱阻尼器过水孔的大小固定，其提供的阻尼力不变，无法根据结构振动情况进行实时调节，不能保证调谐液柱阻尼器对超高层建筑结构在不同风荷载作用下的振动均有最好的控制作用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种对于超高层建筑在各种不同方向强风作用下的振动均有良好的控制效果的自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器。
技术方案：本发明所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，包括管状水箱，管状水箱包括第一U型管状水箱、第二U型管状水箱、第一直线型管状水箱和第二直线型管状水箱，第一U型管状水箱、第二U型管状水箱分别与第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱固定连接，第一U型管状水箱、第二U型管状水箱与第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱的连接处均开孔并保证第一U型管状水箱、第二U型管状水箱、第一直线型管状水箱和第二直线型管状水箱的内部贯通，管状水箱内有水和过水孔，实现对超高层建筑结构在不同风荷载作用下振动的最有效控制。
第一U型管状水箱、第二U型管状水箱、第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱的水平段分别设置过水孔调节机构。过水孔调节机构包括第一固定横隔板、第二固定横隔板、活动横隔板、顶杆、步进电机和固定支架，第一固定横隔板和第二固定横隔板在靠近步进电机侧设置矩形缺口，活动横隔板从管状水箱的水平段外表面插入第一固定横隔板和第二固定横隔板之间，活动横隔板与管状水箱侧壁密封连接且可自由伸缩，第一固定横隔板和第二固定横隔板的矩形缺口与活动横隔板形成过水孔，步进电机通过顶杆与活动横隔板相连，步进电机外设置固定支架，固定支架固定于高层建筑结构以保证步进电机不会与管状水箱的水平段发生相对位移。步进电机内部有位移调节系统，包括信号接收器、步进电机芯片、位移控制器和电机电源，信号接收器接收控制指令并将控制指令传输至步进电机芯片，步进电机芯片通过处理控制指令得到位移控制值并将其传输至位移控制器，位移控制器根据位移控制值驱动步进电机，推动与顶杆相连的活动横隔板前进或后退，进而改变过水孔的大小，实现阻尼的实时、自动调节。
第一U型管状水箱、第二U型管状水箱、第一直线型管状水箱、第二直线型管状水箱中的任一水平段顶部外侧设有振动监控系统。振动监控系统包括振动监测子系统和阻尼控制子系统。振动监测子系统包括二维加速度传感器、阈值开关、电源开关、信号开关和监控电源，二维加速度传感器用于实时测量超高层建筑两个水平主轴方向的振动并传输至阈值开关，阈值开关控制电源开关和信号开关的打开和关闭，监控电源为二维加速度传感器和阈值开关供电，监控电源通过电源开关为信号开关和阻尼控制子系统供电。阻尼控制子系统包括低通滤波器、增益放大器、A/D转换器、数据存储器、微处理器和信号发射器，低通滤波器将振动模拟信号去除高频噪声后传输至增益放大器，增益放大器将模拟信号放大并传输至A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据存储器，数据存储器将数字信号和预设的阻尼控制程序传输至微处理器，微处理器根据阻尼控制程序进行计算并输出控制指令至信号发射器，信号发射器将控制指令发送至位移调节系统。
为了防止水在振荡过程中飞溅，第一U型管状水箱的竖直段液面位置设置能够上下活动的第一格栅、第二格栅，第二U型管状水箱的竖直段液面位置设置能够上下活动的第三格栅、第四格栅。
工作原理：当任一方向的振动信号强度大于或等于阈值开关预设的阈值时，阈值开关打开并命令电源开关和信号开关打开，监控电源为阻尼控制子系统供电，信号开关将测量的振动信号传输至阻尼控制子系统；当两个主轴方向的振动信号强度均小于阈值开关预设的阈值时，阈值开关关闭，电源开关和信号开关也保持关闭，阻尼控制子系统不通电。
有益效果：本发明能够有效减小超高层建筑在强风作用下的振动，有利于保证超高层建筑在强风作用下的安全性和舒适性；本发明两个相互平行的U型管状水箱通过两个直线型管状水箱贯通相连，在超高层建筑两个主轴方向均形成U型管状水箱，使得调谐液柱阻尼器能够同时减小超高层建筑两个主轴方向的振动；本发明的振动监控系统和位移调节系统根据结构振动的强弱实时改变过水孔的大小，具有实时、精准调节调谐液柱阻尼器阻尼大小的能力，保证调谐液柱阻尼器对超高层建筑在各种强风作用下的振动均有最优的控制效果；本发明的振动监控系统和位移调节系统集成于调谐液柱阻尼器，具有阻尼调节速度快、阻尼调节精度高、抗干扰能力强的优点，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的左视图；
图4是本发明的俯视图；
图5是本发明的A-A三维剖视图；
图6是本发明的B-B三维剖视图；
图7是本发明的过水孔调节机构7的三维细节图；
图8是本发明的第一固定横隔板8的立体图；
图9是本发明的C-C剖视图；
图10是本发明的D-D剖视图；
图11是本发明的E-E剖视图；
图12是本发明的振动监控系统的工作原理图；
图13是本发明的阻尼调节系统的工作原理图。
具体实施方式
如图1-4，第一U型管状水箱1和第二U型管状水箱2平行布置并通过第一直线型管状水箱3和第二直线型管状水箱4固定连接，第一U型管状水箱1和第二U型管状水箱2与第一直线型管状水箱3和第二直线型管状水箱4相连的侧壁开孔并保证第一U型管状水箱1、第二U型管状水箱2、第一直线型管状水箱3和第二直线型管状水箱4的内部贯通，第一U型管状水箱1和第二U型管状水箱2结构相同，第一直线型管状水箱3和第二直线型管状水箱4结构相同，第一U型管状水箱1、第二U型管状水箱2、第一直线型管状水箱3和第二直线型管状水箱4横截面为矩形、方形或圆形。第一U型管状水箱1和第二U型管状水箱2水平段中部以及第一直线型管状水箱3和第二直线型管状水箱4中部设置过水孔调节机构7，第二U型管状水箱2水平段顶部外侧设有振动监控系统18。
如图5-8，过水孔调节机构7包括第一固定横隔板8、第二固定横隔板9、活动横隔板10、顶杆11、步进电机12和L型固定支架13，第一固定横隔板8和第二固定横隔板9构造相同且在靠近步进电机12侧设置矩形缺口，第一固定横隔板8和第二固定横隔板9与管状水箱侧壁密封固定连接，活动横隔板10从管状水箱水平段外表面插入第一固定横隔板8和第二固定横隔板9之间，活动横隔板10与管状水箱侧壁密封连接且可自由伸缩，第一固定横隔板8和第二固定横隔板9的矩形缺口与活动横隔板10形成过水孔6，步进电机12通过顶杆11与活动横隔板10相连，步进电机12外设置L型固定支架13，L型固定支架13固定于高层建筑结构以保证步进电机12不会与管状水箱的水平段发生相对位移，步进电机12内部有位移调节系统。
如图9-11，管状水箱内有水5和过水孔6，第一U型管状水箱1竖直段液面位置设有防止水在振荡过程中飞溅且可上下自由活动的第一格栅30和第二格栅31，第二U型管状水箱2竖直段液面位置设有防止水在振荡过程中飞溅且可上下自由活动的第三格栅32和第四格栅33，第一格栅30、第二格栅31、第三格栅32和第四格栅33构造相同。
如图12，振动监控系统18包括振动监测子系统和阻尼控制子系统，振动监测子系统包括二维加速度传感器19、阈值开关20、电源开关21、信号开关22和监控电源23，监控电源23为不间断电源，监控电源23持续为二维加速度传感器19、阈值开关20、电源开关21、信号开关22供电，二维加速度传感器19、阈值开关20、电源开关21和信号开关22组成信号传输路径。阻尼控制子系统包括由低通滤波器24、增益放大器25、A/D转换器26、数据存储器27、微处理器28和信号发射器29组成的信号传输路径。二维加速度传感器19实时测量超高层建筑两个主轴方向的振动并传输至阈值开关20，当任一方向的振动信号强度大于或等于阈值开关20预设的阈值时，阈值开关20打开并命令电源开关21和信号开关22打开，监控电源23为阻尼控制子系统供电，信号开关22将测量的振动信号传输至阻尼控制子系统；当两个主轴方向的振动信号强度小于阈值开关20预设的阈值时，阈值开关20关闭，电源开关21和信号开关22也保持关闭，阻尼控制子系统不工作；电源开关21打开后，监控电源23为阻尼控制子系统的低通滤波器24、增益放大器25、A/D转换器26、数据存储器27、微处理器28和信号发射器29供电；阻尼控制子系统通电后开始工作，低通滤波器24接收信号开关22的振动模拟信号，去除高频噪声后传输至增益放大器25，增益放大器25将模拟信号放大并传输至A/D转换器26，A/D转换器26将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据存储器27，数据存储器27将数字信号和预设的阻尼控制程序传输至微处理器28，微处理器28根据阻尼控制程序进行计算，输出步进电机控制指令，并传输至信号发射器29。
如图13，位移调节系统包括信号接收器14、步进电机芯片15、位移控制器16和电机电源17，电机电源17为不间断电源，电机电源17持续为信号接收器14、步进电机芯片15和位移控制器16供电，信号接收器14、步进电机芯片15和位移控制器16组成信号传输路径。信号发射器29将步进电机控制指令通过无线信号发送至位移调节系统；位移调节系统的信号接收器14接收由振动监控系统18传来的步进电机控制指令并传输至步进电机芯片15，步进电机芯片15对步进电机控制指令进行处理得到位移控制值并传输至位移控制器16，位移控制器16根据位移控制值驱动步进电机12推动与顶杆11相连的活动横隔板10前进或后退。

Claims (10)

1.一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，包括管状水箱，其特征在于：所述管状水箱包括第一U型管状水箱(1)、第二U型管状水箱(2)、第一直线型管状水箱(3)和第二直线型管状水箱(4)，所述第一U型管状水箱(1)、第二U型管状水箱(2)分别与第一直线型管状水箱(3)、第二直线型管状水箱(4)固定连接，所述第一U型管状水箱(1)、第二U型管状水箱(2)与第一直线型管状水箱(3)、第二直线型管状水箱(4)的连接处均开孔并保证第一U型管状水箱(1)、第二U型管状水箱(2)、第一直线型管状水箱(3)和第二直线型管状水箱(4)的内部贯通，所述管状水箱内有水(5)和过水孔(6)。
2.根据权利要求1所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述第一U型管状水箱(1)、第二U型管状水箱(2)、第一直线型管状水箱(3)、第二直线型管状水箱(4)的水平段分别设置过水孔调节机构(7)。
3.根据权利要求2所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述过水孔调节机构(7)包括第一固定横隔板(8)、第二固定横隔板(9)、活动横隔板(10)、顶杆(11)、步进电机(12)和固定支架(13)，所述第一固定横隔板(8)和第二固定横隔板(9)在靠近步进电机(12)侧设置矩形缺口，所述活动横隔板(10)从管状水箱的水平段外表面插入第一固定横隔板(8)和第二固定横隔板(9)之间，所述活动横隔板(10)与管状水箱侧壁密封连接且可自由伸缩，所述第一固定横隔板(8)和第二固定横隔板(9)的矩形缺口与活动横隔板(10)形成过水孔(6)，所述步进电机(12)通过顶杆(11)与活动横隔板(10)相连，所述步进电机(12)外设置固定支架(13)。
4.根据权利要求3所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述步进电机(12)内部有位移调节系统。
5.根据权利要求4所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述位移调节系统包括信号接收器(14)、步进电机芯片(15)、位移控制器(16)和电机电源(17)，所述信号接收器(14)将控制指令传输至步进电机芯片(15)，步进电机芯片(15)通过处理控制指令得到位移控制值并传输至位移控制器(16)，位移控制器(16)根据位移控制值驱动步进电机(12)。
6.根据权利要求1所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述第一U型管状水箱(1)、第二U型管状水箱(2)、第一直线型管状水箱(3)、第二直线型管状水箱(4)中的任一水平段顶部外侧设有振动监控系统(18)。
7.根据权利要求6所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述振动监控系统(18)包括振动监测子系统和阻尼控制子系统。
8.根据权利要求7所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述振动监测子系统包括二维加速度传感器(19)、阈值开关(20)、电源开关(21)、信号开关(22)和监控电源(23)，所述二维加速度传感器(19)用于实时测量超高层建筑两个主轴方向的振动并传输至阈值开关(20)，所述阈值开关(20)控制电源开关(21)、信号开关(22)的打开和关闭，所述监控电源(23)为阻尼控制子系统供电。
9.根据权利要求7所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述阻尼控制子系统包括低通滤波器(24)、增益放大器(25)、A/D转换器(26)、数据存储器(27)、微处理器(28)和信号发射器(29)，低通滤波器(24)将振动模拟信号去除高频噪声后传输至增益放大器(25)，增益放大器(25)将模拟信号放大并传输至A/D转换器(26)，A/D转换器(26)将模拟信号转换为数字信号，并传输至数据存储器(27)，数据存储器(27)将数字信号和预设的阻尼控制程序传输至微处理器(28)，微处理器(28)根据阻尼控制程序进行计算并输出控制指令至信号发射器(29)，信号发射器(28)将控制指令发送至位移调节系统。
10.根据权利要求1所述的一种自动调节阻尼的二维调谐液柱阻尼器，其特征在于：所述第一U型管状水箱(1)的竖直段液面位置设置能够上下活动的第一格栅(30)、第二格栅(31)，第二U型管状水箱(2)的竖直段液面位置设置能够上下活动的第三格栅(32)、第四格栅(33)。
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