CN110295685A - 新型半主动复合调谐阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制结构振动、减小风荷载和地震作用下结构响应的新型半主动复合调谐阻尼器。包括缸箱，角钢连接装置，连接钢管，耗能阻尼液，十字形金属板，球铰，伺服控制系统。本发明提出一种球铰体系，适应风和地震作用方向的随机性，可实现三级减振。第一级减振利用阻尼液调频和阻尼液与十字型金属板的摩擦力与碰撞力。第二级减振利用球铰转动，十字金属板参与摆动形成质量调谐，十字形金属板自身的惯性力提供了更大的减振作用。第三级减振利用伺服系统进行控制，作动器的单向力通过球铰体系转变成与地震的作用方向相反的力，作用于十字形金属板上，加大减振效果。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程结构消能减震技术领域，具体涉及一种控制结构振动、减小风荷载和地震作用下结构响应的新型半主动复合调谐阻尼器。
背景技术
在风荷载和地震作用下，高层高耸结构的侧向变形控制十分困难，该问题得到了相关专家的广泛重视。经过大量的实践证实，质量调谐阻尼器(TMD)是一种非常有效的减振控制装置，通过对侧向刚度、质量块及阻尼参数进行合理的设定，可以极大的减小结构的侧向振动，并能减小结构承受的水平剪力。
近年来，质量调谐阻尼器作为一种消能减振的装置得到越来越广范的应用，配置在建筑主体结构的特定部位，能够改变主体结构振动的固有周期，从而使结构避开振动的共振区域，或者施加反向作用力作用于主体结构，减小结构主体的振动。但是TMD系统需要很大的惯性质量，往往需要额外的空间，不利于结构空间的使用，且存在启动滞后的问题。
液体质量调谐阻尼器，通过地震作用下液体的质量惯性产生与结构振动方向相反的动水压力，使主体结构的振动减小，但其使用会受到工程条件的限制。
半主动控制的减震体系以被动控制为主，以主动控制为辅，施加一部分外力或者是改变结构的参数和工作状态，从而减小结构振动。半主动控制和主动控制一样也需要结构响应的实时监测和反馈，然后在根据需要由半主动控制系统来减小结构的振动反应。
发明内容:
本发明是一种工作和运行效率高、减震耗能效果好、适应性强的质量调谐与液体调谐相结合的半主动复合调谐阻尼器。
本发明采用的技术方案的特征在于：一种带伺服控制系统的质量调谐与液体调谐相结合的半主动控制复合阻尼器，包括箱体，角钢连接装置，连接钢管，耗能阻尼液，十字形金属板，球铰，伺服控制系统。
所述的十字形金属板(3)与大直径球铰(5)通过杆件连接。所述的十字形金属板(3)沿十字中心成中心对称，防止出现较大的偏心力，并且金属板有一定的厚度提供必要的质量，从而提供惯性力。所述的十字形金属板(3)带有大小均匀的蜂窝孔，蜂窝孔的形状可以是圆形、方形或多边形，蜂窝孔的分布也可以是圆形或方形，具体的形状和分布位置由计算确定，以使金属板与穿过蜂窝孔的阻尼液(2)之间有足够大的摩擦力，来增加装置的耗能能力。
所述的球铰体系如图(3),由两个球铰(4)与一个大直径球铰(5)组成。大直径球铰(5)外壳由钢管(11)固定，大直径球铰(5)内球可以沿任意方向转动。球铰由不锈钢制作，能够防止在空气中发生腐蚀。通过球铰体系将竖向主动作用力转变成转动作用力，球铰是万向球铰可以在任意方向转动，十字形金属板(3)也可以在任意方向转动。当振动发生时，振动方向可能是任意方向，十字金属板会在振动方向摆动，球铰体系会增大十字金属板的摆动但不会改变转动方向。
所述的耗能阻尼液(2)为粘滞性液体，其减振包括两个方面，其一，阻尼液(2)与蜂窝孔之间存在较大的阻尼力，具体材料由实验确定。其二，阻尼液(2)的高度超过十字型金属板上边缘，阻尼液(2)不充满整个箱体(1)，在结构振动过程中阻尼液(2)发生摆动起到调谐作用,，如图(2)。
所述的伺服控制系统可以是液压控制系统也可以是电磁控制系统，当采用液压控制系统时，控制组成为位移传感器(6)、控制器(7)、伺服阀(8)、分油器(10)、作动器(9)，伺服工作流程如图(4)、图(5)；当采用电磁控制系统时，组成为位移传感器、控制器、放大器、直线电机。液压伺服控制系统应用于该阻尼器的集中布置，一般应用于高层结构的顶楼，能够提供较大的阻尼力；电磁伺服控制系统应用于该阻尼器的分散布置，可以分布与不同楼层及不同位置，布置方式灵活。
所述的角钢连接装置如图(1)，由一块角钢加工构成。角钢一边开螺栓口用于本阻尼器与结构主体的连接，角钢连接装置与阻尼器间可通过焊接形式固定。角钢可焊接于阻尼器的侧面、顶面或底面，根据不同的安装要求将阻尼器安装于侧墙、楼板底面或顶面等位置。如图(1)、图(6)
在结构发生小位移振动时，阻尼器一方面利用阻尼液(2)的摆动，通过调谐作用减小结构振动，另一方面通过阻尼液(2)与蜂窝孔的摩擦，阻尼液(2)与蜂窝板的碰撞来消耗能量，减小结构振动。当振动位移增大，与十字形金属板(3)相连接的大直径球铰(5)所受的力变大，当大直径球铰(5)所受的力大到其极限静摩擦力时球铰转动，十字金属板(3)摆动形成质量调谐作用。当振动位移增大到设定的位移值时，伺服控制系统启动，系统根据十字金属板的振动幅度、摆动速度，以及外界输入振动加速度来自动计算作动器(9)的推力大小及速度，以实现最大限度的减振作用，如图(4)。从而实现应对不同作用状态下的三级减振模式。
本发明的优点：
本发明针对不同振动状态可实现三级减振模式。第一级减振利用阻尼液(2)调频和阻尼液(2)与十字型金属板的摩擦力与碰撞力，实现了减振作用。第二级减振为球铰转动，十字金属板(3)参与摆动形成质量调谐，十字形金属板(3)自身的惯性力提供了更大的减振作用。第三级减振，伺服控制系统启动，作动器(9)的单向力通过球铰体系转变成与地震的作用方向相反的力，作用于十字形金属板(3)上，加大了减振效果。三级调频提供了本新型阻尼器更大的调控范围。
本发明的十字形金属板(3)通过大直径球铰(5)与箱体(1)进行连接，利用球铰的万向性，实现刚性杆件随水平地震作用方向而摆动，如图(3)，具有振动方向的自适应能力。
本发明所提供的球铰体系能够实现将作动器(9)的单向作用力转化为十字型金属板的转动，且该转动方向为无级可调。
本发明结合了半主动复合调谐阻尼器、液体调谐阻尼器与质量调谐阻尼器的优点，实现了复合综合控制，能够起到更好的减振效果。
本发明可通过角钢连接装置实现水平安装与竖向安装两种方式，在高层结构可利用消防水箱安装单一大型本设计阻尼器，节省结构空间。大跨结构可分散布置多个小体本发明阻尼器通过一个控制中心进行控制，应用范围广泛，安装方式简单。
附图说明
图1:本发明的结构外形图及角钢连接装置；
图2:阻尼器内部构造详图
图3:本发明的球铰体系构造图及加载变形图；
图4:伺服控制系统图；
图5:伺服控制闭环示意图；
图6:本新型阻尼器布置形式示意图；
1-箱体、2-阻尼液、3-十字形金属板、4-球铰、5-大直径球铰、6-位移传感器、7-控制器及控制电脑、8-伺服阀、9-作动器、10-分油器及液压油源、11-钢管。
具体实施方式
本发明提出两种实施方式
实施方式一：
伺服控制系统采用液压控制系统，控制组成为位移传感器(6)、控制器(7)、伺服阀(8)、分油器(10)、作动器(9)，伺服工作流程如图(5)。系统根据十字金属板(3)的振动幅度、摆动速度，以及外界输入振动加速度来自动计算作动器(9)的推力大小及速度，以实现最大限度的减振作用。
本发明的球铰体系由两个球铰(4)与一个大直径球铰(5)组成。球铰(5)外壳由钢管(11)固定，球铰内球可以沿任意方向转动。球铰由不锈钢制作，能够防止在空气中发生腐蚀。通过球铰体系将竖向主动作用力转变成转动作用力。球铰是万向球铰可以在任意方向转动，十字形金属板(3)也可以在任意方向转动，球铰体系会增大十字金属板(3)的摆动但不会改变转动方向。
本发明的十字形金属板(3)带有大小均匀的蜂窝孔，蜂窝孔的形状可以是圆形、方形或多边形，蜂窝孔的分布也可以是圆形或方形，具体的形状和分布位置由计算确定，以使金属板与穿过蜂窝孔的液体之间有足够大的摩擦力，来增加装置的耗能能力。
本发明的阻尼液(2)为粘滞性液体，具体材料由实验确定。阻尼液(2)的高度超过十字型金属板上边缘，阻尼液(2)不充满整个箱体(1)，在结构振动过程中阻尼液(2)发生摆动起到调谐作用。
本发明的阻尼器采用液压控制系统，采用集中布置。一般应用于高层结构的顶楼，在高层结构可利用消防水箱安装单一大型本发明阻尼器如图(6)，安装可采用角钢连接或现有的水箱连接方法。
实施方式二：
本发明的伺服控制系统采用电磁控制系统，组成为位移传感器、控制器、放大器、直线电机。
球铰体系、十字形金属板(3)、阻尼液(2)形式如实施方式一。
阻尼器采用电磁控制系统，该阻尼器应用于分散布置，可以分布于不同楼层及不同位置，大跨结构可分散布置多个小体本发明阻尼器通过一个控制中心进行控制如图(6)。
以上仅是两个特例，本发明的应用不限于此。
Claims (7)
1.一种新型半主动控制复合调谐阻尼器，包括箱体、角钢连接装置、填充在箱体内部的阻尼液、固定球铰外壳的连接钢管、通过球铰与箱体进行连接的十字形金属板、互相连接组成的球铰体系及伺服控制系统。
2.根据权利要求1所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器，其特征在于：所述的伺服控制系统可以是液压控制系统也可以是电磁控制系统，当采用液压控制系统时，控制组成为位移传感器、控制器、伺服阀、分油器、作动器，伺服工作流程如图(5)。液压伺服控制系统应用于该阻尼器的集中布置，一般应用于高层结构的顶楼；当采用电磁控制系统时，组成为位移传感器、控制器、放大器、直线电机。电磁伺服控制系统应用于该阻尼器的分散布置，可以分布与不同楼层及不同位置如图(6)。
3.根据权利要求1所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器，其特征在于：所述球铰体系由两个球铰(4)与一个大直径球铰(5)组成如图(3)，球铰(5)外壳由连接钢管(11)固定，球铰内球可以沿任意方向转动。通过球铰体系将竖向主动作用力转变成转动作用力，球铰是万向球铰可以在任意方向转动，十字形金属板也可以在任意方向转动，实现刚性杆件随水平地震作用方向而摆动具有振动方向的自适应能力。
4.根据权利要求1所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器，其特征在于：所述的十字形金属板(3)沿十字中心成中心对称，防止出现较大的偏心力，并且金属板有一定的厚度提供必要的质量。所述的十字形金属板带有大小均匀的蜂窝孔，以使金属板与穿过蜂窝孔的液体之间有足够大的摩擦力，来增加装置的耗能能力。
5.根据权利要求1所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器，其特征在于：所述的阻尼液(2)为粘滞性液体，液体与蜂窝孔之间相互作用产生较大的阻尼力。阻尼液的高度超过十字型金属板上边缘，阻尼液不充满整个箱体，在结构振动过程中阻尼液发生摆动起到调谐作用。
6.根据权利要求1所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器，其特征在于：所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器针对不同振动状态可实现三级减振模式。第一级减振利用阻尼液调频和阻尼液与十字型金属板的摩擦力与碰撞力，实现了减振作用。第二级减振为球铰转动，十字金属板参与摆动形成质量调谐，十字形金属板自身的惯性力提供了更大的减振作用。第三级减振，伺服控制系统启动，作动器的单向力通过球铰体系转变成与地震的作用方向相反的力，作用于十字形金属板上，加大了减振效果。
7.根据权利要求1所述的新型半主动控制复合调谐阻尼器，其特征在于：所述的角钢连接装置如图(1)，由一块角钢加工构成。角钢一边开螺栓口用于本阻尼器与结构主体的连接，角钢连接装置与阻尼器间可通过焊接形式固定。角钢可焊接于阻尼器的侧面、顶面或底面，根据不同的安装要求将阻尼器安装于侧墙、楼板底面或顶面等位置。
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