CN112663815A

CN112663815A - 一种多层单向调谐液柱阻尼器

Info

Publication number: CN112663815A
Application number: CN202110040876.9A
Authority: CN
Inventors: 王进廷; 丁昊; 潘坚文
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2041-01-13
Also published as: CN112663815B

Abstract

本发明涉及一种多层单向调谐液柱阻尼器，该阻尼器为整体呈U型的箱体，该箱体由多个由内至外层叠放置但不接触的U型板和位于所有U型板两侧的U型端板围合而成；各U型板的水平段处分别设有挡板，各相邻的两U型板和两侧端板分别形成一U型腔体，各U型腔体内分别填充有液体形成液柱，各U型腔体之间彼此独立；各U型腔体的顶部开敞且位于同一水平面上。本发明在现有的单向调谐液柱阻尼器的基础上，通过层叠设置U型板的方式，实现了阻尼效果的提升，能扩大调谐频带宽度以同时控制结构的多阶振型，也可以增加阻尼器中液体的质量以提高某一阶振型的控制效率；本单向调谐液柱阻尼器的自振频率易于调节，也便于安装维护。

Description

一种多层单向调谐液柱阻尼器

技术领域

本发明属于土木结构振动控制装置技术领域，特别涉及一种多层单向调谐液柱阻尼器。

背景技术

调谐液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper，TLCD)于1989年被Sakai所提出，是一种经济、简单的结构振动控制装置，其在结构控制领域受到了广泛的关注和研究。TLCD通常为U型的矩形水箱，水箱中盛满液体，通过调节液体长度使得TLCD频率接近建筑结构的频率(TLCD的液体频率取决于水平段和竖直段的液体的总长度，一般通过调节液体的竖直段的长度来调节TLCD的自振频率)，振动时依靠液体运动和边界层中的粘性作用导致的液体水头损失而实现消能。TLCD具有控制效率高、安装便捷、维护费用低的特点，同时其中用于耗能的液体还可以充当建筑结构的防火用水和生活用水，具有很高的实用性。大量的实验、数值模拟和工程实践证明TLCD在结构振动控制方面具有广阔的应用前景，它可以适用于减轻由风荷载、地震荷载、波浪荷载、冰荷载等诱导的结构振动，并且对常见的桥梁结构、高层钢筋混凝土结构、高层钢结构、风力发电机组等都具有较好的控制性能。

目前，普通的单层TLCD的液体只对应于一个自振频率。当受控制的建筑结构的自振频率和TLCD的自振频率相互接近的时候，TLCD有很好的控制性能。但是当TLCD的自振频率偏离了结构的自振频率较远的情况下，控制性能将无法保证。TLCD的频率偏离建筑结构的自振频率可能是以下原因造成的：(1)结构的设计自振频率在长期结构使用过程中可能会发生改变；(2)地震情况下结构受到了损伤，自振频率忽然发生变化。而TLCD的自振频率仅取决于其内液体的深度。当结构频率因为外界条件发生变化，而TLCD频率不变的时候，那么TLCD频率会偏离结构自振频率，导致控制性能下降。因此，单层TLCD的控制性能对频率十分敏感。

发明内容

为克服现有的单向调谐液柱阻尼器(TLCD)只能调谐至某一特定频率的局限性，同时在不占用额外空间的前提下增加阻尼器中液体的质量以提高控制效率，本发明的目的在于提供一种多层单向调谐液柱阻尼器，在传统调谐液柱阻尼器(TLCD)的基础上，通过多个层叠放置的U型管和相应挡板的设置，实现在较宽的调谐频带上高效地对结构减振耗能的效果，能够提高控制稳定性，同时控制结构的多阶振型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出的一种多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述多层单向调谐液柱阻尼器为整体呈U型的箱体，该箱体由(n+1)个由内至外层叠放置但不接触的U型板和位于所有U型板两侧的U型端板围合而成；各U型板的水平段处分别设有挡板，各相邻的两U型板和两侧端板分别形成一U型腔体，各U型腔体内分别填充有液体形成液柱，各U型腔体之间彼此独立；各U型腔体的项部开敞且位于同一水平面上；

第i个U型腔体内的液体自振圆频率ω_fi通过下式计算得到：

式中，H_i和V_i分别为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段液体的长度；η_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的竖直段和水平段的横截面面积比；g为重力加速度。

进一步地，将所述多层单向调谐液柱阻尼器放置于具有N层结构层的受控结构项层，则所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的运动方程表示为：

式中，m_1i为第一等效液体质量，m_2i为第二等效液体质量；

为受控结构第N层的水平加速度；

y_i分别为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的加速度，速度和位移；c_fi为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的阻尼；k_fi为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体的内液体刚度；

为地震动加速度；g为重力加速度；A_Hi和Z_Vi分别为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段的横截面积，H_i和V_i分别为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段液体的长度，ρ_wi为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的密度，η_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的竖直段和水平段的横截面面积比；δ_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内的水头损失系数；ψ_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内挡板面积占相应U型板水平段横截面积的百分比；

受控结构第N层的运动方程表示为：

式中，m_f，total为所述多层单向调谐液柱阻尼器内液体的总质量；m_sN，c_sN，k_sN分别是受控结构第N层的质量，阻尼和刚度，

x_N-1分别是受控结构第(N-1)层的水平向速度和位移。

进一步地，所述多层单向调谐液柱阻尼器的质量为被控结构质量的1％～20％。

进一步地，各相邻两U型板的间距设置为相同或者不同，各U型板的水平段和竖直段的壁厚是最外层U型板水平段长度的1～10％。

进一步地，U型板的个数为3～7个。

进一步地，各挡板的面积为相应U型板水平段横截面积的0％～95％；各挡板的厚度是相应U型板的壁厚的50～150％。

本发明的特点及有益效果：

1、本发明利用U型板几何上的特性，通过在各U型板两侧竖直段和底部水平段之间的部分层叠设置几何尺寸更小的U型板，在不占用额外空间的前提下增加阻尼器中液体的质量以提高控制效率；当结构在阻尼器的振动控制方向上发生运动时，阻尼器内的液体运动产生阻尼效应，实现建筑结构在该方向的调谐减振。

2、本发明可以应用于以下2种场景：(1)多个U型腔体内的液体均对应某一特定的自振频率，充分利用TLCD的U型的几何形状，在一定的阻尼器占地面积的情况下增加了阻尼器中液体的质量，提高了阻尼器对某一阶振型的控制效率；(2)多个U型腔体内的液体分别对应多个不同的自振频率，这极大拓宽了阻尼器的调谐频带，使得阻尼器的控制更具有稳定性，也具有同时控制结构的多阶振型的应用前景。

3、本发明中不同U型腔体内挡板的面积可以设置成各不相同的，以实现不同U型管的液体阻尼比各不相同，从而提高装置整体的鲁棒性。

4、本发明提出的多层单向调谐液柱阻尼器中的液体对应多个不同的自振频率或某一特定的自振频率，这些自振频率通过改变对应区域内的水深即可改变，方便易行。

5、在结构顶部安装多层单向调谐液柱阻尼器是减轻动态激励振动效应的一种可行、简便、有效的方法。

附图说明

图1为本发明实施例的一种多层单向调谐液柱阻尼器(U型板数量为3)的结构示意图。

图2为图1所述多层单向调谐液柱阻尼器的俯视图。

图3为图2所述多层单向调谐液柱阻尼器的A-A截面剖视图。

图中标号：

1-U型板；2-挡板；3-液体；4-U型端板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1～3所示，本发明提出的一种多层单向调谐液柱阻尼器，在外观上整体呈现为U型的箱体，该U型箱体由多个由内至外层叠放置但不接触的U型板1和位于所有U型板两侧的U型端板4围合而成，各U型板1的水平段处分别设有挡板2，各相邻的两U型板1和两侧端板4分别形成一U型腔体，各U型腔体内分别填充有液体3形成液柱，各U型腔体之间彼此独立，以避免液体3在不同U型腔体之间的流动；各U型腔体的顶部开敞且位于同一水平面上；最外层U型板1的水平段位置最低且长度最长，两侧竖直段的长度最长；最内层U型管1的水平段位置最高且长度最短，两侧竖直段的长度最短；各U型管1的水平段设置有挡板2，各挡板2固接于与其接触的U型管1壁面上；进一步地，各挡板2的面积可以根据具体的应用场景进行设置。各U型管1内填充有特定质量的液体3，以形成特定高度的液柱。

本发明实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：

本实施例的阻尼器中，U型板1、挡板2和U型端板4可采用钢、玻璃或塑料制成。各部件的设计细节如下：各相邻两U型板1的间距可设置为相同或者不同，各U型板1的水平段和竖直段的壁厚是最外层U型板1水平段长度的1～10％，以保证U型板1具有足够的刚度以承担来自液体3的静水或动水压力，各U型板1的顶部开敞且位于同一水平面上，U型板1的个数优选为3～7个，以保证充分利用最外侧U型板的内部空间，同时合理控制液体的总质量，避免给受控建筑结构增加过多的额外重量；各挡板2的厚度是相应U型板1的壁厚的50～150％，以保证挡板2具有足够的刚度；通过设置挡板2来改变TLCD装置的水头损失系数，不同面积的挡板对应不同的水头损失系数，各挡板2的面积为相应U型板1水平段横截面积的0％～95％，以保证阻尼器具有适当的水头损失系数，各挡板2可以设置于相应U型板1水平段的任何一处位置。本实施例中共有3个层叠的U型管1组成单向多层调谐液柱阻尼器，各挡板2设置于相应U型板1水平段的正中央；阻尼器与被控结构的质量比为1％～20％，振动控制方向(受控方向)为平行于各U型板1水平段的方向。

对于一个N层建筑结构，将具有(n+1)个U型板1的阻尼器(该阻尼器内共含有n个U型腔体)放置于结构项层，则阻尼器中第i个U型腔体内液体的运动方程表示为：

式中，m_1i为第一等效液体质量，m_2i为第二等效液体质量；

为受控结构第N层(即项层)的水平加速度；

y_i分别为阻尼器中第i个U型腔体内液体的加速度，速度和位移；c_fi为阻尼器中第i个U型腔体内液体的阻尼；k_fi为阻尼器中第i个U型腔体的内液体刚度；

为地震动加速度；g为重力加速度；A_Hi和A_Vi分别为阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段的横截面积，H_i和V_i分别为阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段液体的长度，ρ_wi为阻尼器中第i个U型腔体内液体的密度，η_i为阻尼器中第i个U型腔体内液体的竖直段和水平段的横截面面积比；δ_i为阻尼器中第i个U型腔体内的水头损失系数(其计算公式具体参见：《Handbook of hydraulic resistance》中的水头损失系数的经验预测公式，作者Idelchik IE，出版社CRC Press，年份1994年)，ψ_i为阻尼器中第i个U型腔体的挡板闭度(即挡板的面积占相应U型板1水平段横截面积的百分比)，适当的水头损失系数可以提高阻尼器的控制性能。

受控结构第N层的运动方程可以表示为：

式中，m_f，total为阻尼器内液体的总质量；m_sN，c_sN，k_sN分别是受控结构第N层的质量，阻尼和刚度，

x_N-1分别是受控结构第(N-1)层的水平向速度和位移。

(一般而言，通过Newmark-β时域逐步积分方法(参见《结构动力学》，刘晶波、杜修力主编，机械工业出版社，年份2005年)对以上两个运动方程在离散时间域内进行求解。)

第i个U型腔体内的液体自振圆频率ω_fi[rad/s]可以通过下式快速计算：

本阻尼器的使用过程如下：

将本多层单向调谐液柱阻尼器安装于被控结构的顶部，在各U型腔体内盛入液体3(液体可以采用纯净水，也可以采用粘性液体，如油、甘油等)。当被控结构受到外界振动激励时，阻尼器通过内部液体3运动和边界层中的粘性作用导致的液体水头损失而产生阻尼效应，可以实现结构在受控方向(平行于各U型板水平段的方向)的调谐减振。在本阻尼器工作过程中通过调节阻尼器中的液柱高度，使阻尼器液体的自振频率接近被控结构的自振频率。每个U型腔体内的液体对应一个自振频率，本实施例中的阻尼器可以调节出3个不同或相同的液体自振频率。3个不同的液体自振频率的情况下，较宽的调谐频带确保阻尼器能够实现鲁棒性更高的振动控制，也可以应用于同时控制结构的多阶振型；3个相同的液体自振频率的情况下，可以高效地对结构的某一阶振型在受控方向实现振动控制。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述多层单向调谐液柱阻尼器为整体呈U型的箱体，该箱体由(n+1)个由内至外层叠放置但不接触的U型板(1)和位于所有U型板两侧的U型端板(4)围合而成；各U型板(1)的水平段处分别设有挡板(2)，各相邻的两U型板(1)和两侧端板(4)分别形成一U型腔体，各U型腔体内分别填充有液体(3)形成液柱，各U型腔体之间彼此独立；各U型腔体的顶部开敞且位于同一水平面上；

第i个U型腔体内的液体自振圆频率ω_fi通过下式计算得到：

2.根据权利要求1所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，将所述多层单向调谐液柱阻尼器放置于具有N层结构层的受控结构顶层，则所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的运动方程表示为：

式中，m_1i为第一等效液体质量，m_2i为第二等效液体质量；

为受控结构第N层的水平加速度；

为地震动加速度；g为重力加速度；A_Hi和A_Vi分别为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段的横截面积，H_i和V_i分别为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体水平段和单侧竖直段液体的长度，p_wi为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的密度，η_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内液体的竖直段和水平段的横截面面积比；δ_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内的水头损失系数；ψ_i为所述多层单向调谐液柱阻尼器中第i个U型腔体内挡板面积占相应U型板水平段横截面积的百分比；

受控结构第N层的运动方程表示为：

x_N-1分别是受控结构第(N-1)层的水平向速度和位移。

3.根据权利要求1或2所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述多层单向调谐液柱阻尼器的质量为被控结构质量的1％～20％。

4.根据权利要求1或2所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，各相邻两U型板(1)的间距设置为相同或者不同，各U型板(1)的水平段和竖直段的壁厚是最外层U型板(1)水平段长度的1～10％。

5.根据权利要求1或2所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述U型板(1)的个数为3～7个。

6.根据权利要求1或2所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，各挡板(2)的面积为相应U型板(1)水平段横截面积的0％～95％；各挡板(2)的厚度是相应U型板(1)的壁厚的50～150％。

7.根据权利要求1或2所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，所述挡板(2)设置于相应U型板(1)水平段的任何一处位置。

8.根据权利要求1或2所述的多层单向调谐液柱阻尼器，其特征在于，振动控制方向为平行于各U型板(1)水平段的方向。