CN112761401B - 一种多层圆环形调谐液柱阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层圆环形调谐液柱阻尼器，包括多个共轴且由内至外层叠放置但不接触的圆柱形壳体，各圆柱形壳体的顶部均开敞且位于同一水平面上、底部封闭且位于不同的水平面上，各相邻的两个圆柱形壳体分别形成一腔体；各相邻的两圆柱形壳体之间均分别设有圆周均布的多个L型隔板，使得各腔体内分别形成连通的多个子腔体，各L型隔板固接于与其接触的圆柱形壳体上，各腔体内分别填充有液体；各隔板底部可设置具体特定开孔面积的孔洞。本发明在现有单向调谐液柱阻尼器的基础上，实现了多向减振消能，能扩大调谐频带宽度以同时控制结构的多阶振型，或增加阻尼器中液体的质量以提高某一阶振型的控制效率。

Description

一种多层圆环形调谐液柱阻尼器

技术领域

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

背景技术

对于高层建筑结构，如摩天大楼、电视塔、风力发电塔等，其在地震或风荷载作用下的动力响应一直是土木结构设计的重要考虑因素。因此，各种振动控制技术在实际工程结构中得到了广泛的应用。调谐液柱减振器(Tuned Liquid Column Damper，TLCD)是一种相对经济、简单的结构控制装置，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，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。大量的实验、数值模拟和工程实践证明TLCD在振动控制方面具有广阔的应用前景。

一个特定体型的TLCD对应一个自振频率，因此其调谐频带控制的范围十分有限。通过设置多组不同体型的TLCD，可以扩大TLCD的调谐频带宽度，提高控制稳定性，同时控制结构的多阶振型。

一般的TLCD只能控制结构单一方向的振动响应，而对高层建筑结构影响最主要的风振荷载和地震荷载的输入方向具有不确定性，因此无法实现结构水平多向的减振耗能，对于不确定方向的振动荷载而言，减振效果并不理想。

发明内容

为克服现有的调谐液柱阻尼器(TLCD)只能控制结构单一方向的振动响应的局限性，同时扩大阻尼器的调谐频带宽度，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圆环形调谐液柱阻尼器，在传统调谐液柱阻尼器(TLCD)的基础上，通过圆柱体内壳、外壳、分区壳和隔板的设置，实现在较宽的调谐频带上高效地对结构多向减振耗能的效果。

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圆环形调谐液柱阻尼器，其特征在于，为整体呈圆柱体形状的箱体，该箱体包括M+2个共轴且由内至外层叠放置但不接触的圆柱形壳体，各圆柱形壳体的顶部均开敞且位于同一水平面上、底部封闭且位于不同的水平面上，各相邻的两个圆柱形壳体分别形成一腔体；各相邻的两圆柱形壳体之间均分别设有圆周均布的N个L型隔板，使得各腔体内分别形成连通的N个子腔体，各L型隔板固接于与其接触的圆柱形壳体上，各腔体内分别填充有液体；

对于第i个腔体，i＝1，2，...，M+1，沿受控结构的激励方向构建n_i条平行的分隔线，且各分隔线的两端位于相应的一个子腔体的竖直段液柱形心上，按照各分隔线的长度由大到小依次对第i个腔体内的各竖直段液柱进行分组编号，记为1，2，…，n_i，且除第一组中含有两个竖直段液柱外，其余分组中均分别含有四个竖直段液柱，则第i个腔体内的液体自振圆频率ω_fi通过下式计算得到：

α_ij＝H_ij/H_i1

η_i＝A_Vi/A_Hi

A_Vi＝π(R_i1 ²-R_i2 ²)/N

A_Hi＝2R_i1B_i/(2n_i-1)

式中，V_i为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器中第i个腔体单侧竖直段液体的长度；H_ij为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器的第i个腔体中第j条分隔线的长度；η_i为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器中第i个腔体内液体的竖直段和水平段的等效横截面面积比；A_Vi和A_Hi分别为第i个腔体的等效竖直段、水平段横截面面积；α_ij为第i个腔体内第j条分隔线的长度H_ij与第一条分隔线的长度H_i1的比值；R_i1和R_i2分别为组成第i个腔体的相邻两圆柱形壳体的半径，且R_i1＞R_i2；B_i为组成第i个腔体的相邻两圆柱形壳体沿阻尼器轴向的长度之差，即相邻两个圆柱形壳体底部的高度之差；g为重力加速度；α_i ^*为修正系数；n_i，α_i ^*的取值如下表所示：

N	n<sub>i</sub>	α<sub>i</sub><sup>*</sup>
			6	2	0.833333
8	2	0.853553
			10	3	0.847214
12	3	0.849679。

本发明的特点及有益效果：

1、本发明利用圆环形在水平各方向上的对称性，通过圆柱体外壳、分区壳、内壳和隔板的设置，使得被控结构在受到某一水平方向的外界振动激励时，该方向上阻尼器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。隔板底部水平段的孔洞可以使得阻尼器中液体沿激励方向更为充分地来回振动、流动，以实现更好的减振消能效果；另一方面，通过改变孔洞的开孔面积占底部水平段总面积的比例可以调整液体的阻尼比，以适应不同形式的结构减振。通常风振荷载和地震荷载的输入方向具有不确定性，而阻尼器液柱的对称性则较好地保证了结构具有较好的多向减振效果。

2、本发明利用圆柱体分区壳对阻尼器中的液体进行分区，具体而言，M个分区壳将液体分成(M+1)个区域。液体分区后的阻尼器可以应用于以下2种场景：(1)(M+1)个区域的液体均对应某一特定的自振频率，充分利用了圆环形调谐液柱阻尼器的圆环几何形状，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)(M+1)个区域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。另一方面，由于阻尼器呈现圆环形，具有对称性，因此阻尼器在各个方向上的调谐频带均得到了拓宽，各个方向上的控制效率均得到了提高。

3、本发明提出的多层圆环形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。

4、在结构顶部安装多层圆环形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圆环形调谐液柱阻尼器的结构示意图。

图2为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器的剖视图。

图3为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器的俯视图。

图4为图1所示阻尼器中某1个隔板的结构示意图。

图5的(a1)～(a4)为本发明具有不同隔板数量阻尼器的中横截面示意图，隔板数量N分别为6、8、10和12。

图6为本发明实施例中提供的液体自振频率计算公式与试验测量值的对比结果。

图7的(a)、(b)、(c)分别为试验实施例1的Taft，Kobe，El Centro地震波荷载实验下的被控结构傅里叶频谱图。

图8的(a)、(b)、(c)分别为试验实施例1的Taft，Kobe，El Centro地震波荷载实验下的被控结构均方根、峰值位移衰减率与激励角度的关系图。

图9的(a)、(b)、(c)分别为试验实施例2的Taft，Kobe，El Centro地震波荷载实验下的被控结构傅里叶频谱图。

图10的(a)、(b)、(c)分别为试验实施例2的Taft，Kobe，El Centro地震波荷载实验下的被控结构第二层的均方根、峰值位移衰减率与激励角度的关系图。

图中标号：

1—圆柱体外壳；2—圆柱体分区壳；3—圆柱体内壳；4—隔板；41—孔洞；5—液体。

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圆环形调谐液柱阻尼器，在外观上整体呈现为圆柱体形状的箱体，包括(M+2)个共轴且由内至外层叠放置但不接触的圆柱形壳体，各圆柱形壳体的顶部均开敞且位于同一水平面上、底部封闭且位于不同的水平面上，即由内至外各圆柱形壳体的高度和半径均依次增大，各相邻的两个圆柱形壳体分别形成一腔体；其中最外侧和最内侧的圆柱形壳体分别作为本阻尼器的外壳1和内壳3，外壳1和内壳3之间的M个圆柱形壳体作为分区壳2；各相邻的两圆柱形壳体之间均分别设有圆周均布的N个L型隔板4，共计[(M+1)×N]个L型隔板4，不同的相邻两圆柱形壳体内的L型隔板可以对其设置或者交错设置，各L型隔板4竖直段的内外侧分别与相应圆柱形壳体的侧壁紧密接触并固接，各L型隔板4水平段的上下侧分别与相应圆柱形壳体的底壁紧密接触并固接，且各L型隔板4水平段的长度小于其顶部圆柱形壳体的半径，即各腔体通过内部的N个L型隔板4将相应的腔体划分为连通的N个子腔体，各腔体内分别填充有液体5。

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，外壳1、分区壳2、内壳3和各L型隔板4可采用钢、玻璃或塑料制成。

各L型隔板4的竖直段顶部与各圆柱形壳体的顶部齐平，各L型隔板4的水平段在靠近本阻尼器中轴线的一端不接触，各圆柱形壳体圆周方向的侧壁壁厚以及底板壁厚是相应圆柱形壳体外直径的1％～20％，远小于圆柱体的外直径。通过各隔板4将相邻的两个圆柱形壳体固定连接，在相邻的两个圆柱形壳体之间形成容纳液体5的腔体且该腔体在相邻圆柱形壳体底部形成的通道中连通；各圆柱形壳体的顶部均开敞，各圆柱形壳体和各隔板4的上表面均位于同一水平高度，横截面圆心位于同一点。内壳3和各分区壳2的底部由相应的隔板4支撑。本实施例中共含有5个圆柱形壳体，相邻的两圆柱型壳体之间均分别设有8个隔板4，共计24个隔板，各隔板4围绕圆柱形壳体的轴线互成45°角发散布置，均匀地分布于相邻的两圆柱形壳体之间。将本多层圆环形调谐液柱阻尼器安装于被控结构的顶部，在相邻的两个圆柱形壳体之间的腔体内盛入液体5(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，可以实现结构在水平多方向的调谐减振。

进一步地，参见图4，各L形隔板4的水平段设有均布的多个孔洞41，其开孔面积为相应L型隔板4水平段面积的0％～100％。

本阻尼器安装于被调控的建筑结构顶部，从阻尼器顶部两个相邻的圆柱形壳体间注入液体5，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。每两个相邻的圆柱形壳体之间盛入的液柱高度对应一个自振频率，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在多方向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多方向实现振动控制。

本阻尼器尺寸选择的原则是：阻尼器与被控结构的质量比为1％～20％。

本发明可以看成是多层的由多个对称布置的U型调谐液柱阻尼器共同构成的整体呈圆环状的调谐液柱阻尼器，由于圆环形阻尼器在水平各方向上具有对称性，使得被控结构在受到某一水平方向的外界振动激励时，该方向上阻尼器的液体晃荡运动并与箱壁摩擦作用产生阻尼效应，实现结构在该方向的调谐减振。L型隔板底部水平段的孔洞可以使得阻尼器中液体沿激励方向更为充分地来回振动、流动，以实现更好的减振消能效果；另一方面，通过改变孔洞的开孔面积占所在L型隔板底部水平段总面积的比例可以调整液体的阻尼比，以适应不同形式的结构减振。由圆柱体分区壳分割出的不同液体区域有以下2种应用场景：(1)所有液体区域均对应某一设定的自振频率，充分利用了圆环形调谐液柱阻尼器的圆环几何形状，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)不同液体区域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。通常风振荷载和地震荷载的输入方向具有不确定性，而本发明提出的阻尼器具有较好的多向减振效果和较强的鲁棒性，可以高效地抑制结构振动。

参见图5，对于阻尼器内的第i个(i＝1，2，...，M+1)腔体，沿受控结构的激励方向构建n_i条平行的分隔线，且各分隔线的两端位于相应的一个子腔体的竖直段液柱形心上，按照各分隔线的长度由大到小依次对第i个(i＝1，2，...，M+1)腔体内的各竖直段液柱进行分组编号，记为1，2，…，n_i，且除第一组中含有两个竖直段液柱外，其余分组中均分别含有四个竖直段液柱，则第i个腔体内的液体自振圆频率(ω_fi通过下式计算得到：

α_ij＝H_ij/H_i1

η_i＝A_Vi/A_Hi

A_Vi＝π(R_i1 ²-R_i2 ²)/N

A_Hi＝2R_i1B_i/(2n_i-1)

式中，V_i为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器中第f个腔体单侧竖直段液体的长度；H_ij为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器的第i个腔体中第j条分隔线的长度；η_i为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器中第i个腔体内液体的竖直段和水平段的等效横截面面积比；A_Vi和A_Hi分别为第i个腔体的等效竖直段、水平段横截面面积；α_ij为第i个腔体内第j条分隔线的长度H_ij与第一条分隔线的长度H_i1的比值；R_i1和R_i2分别为组成第i个腔体的相邻两圆柱形壳体的半径，且R_i1＞R_i2；B_i为组成第i个腔体的相邻两圆柱形壳体沿阻尼器轴向的长度之差，即相邻两个圆柱形壳体底部的高度之差；g为重力加速度；α_i ^*为修正系数。n_i，α_i ^*的取值参考下表：

N	n<sub>i</sub>	α<sub>i</sub><sup>*</sup>
			6	2	0.833333
8	2	0.853553
			10	3	0.847214
12	3	0.849679

通过对N＝8情况下的不同初始深度的液体自振频率进行测量，验证了上述自振圆频率ω_fi计算公式具有可靠的精度，如图6所示。

为验证以上2种应用场景中多层圆环形调谐液柱阻尼器的控制效果，基于真实的物理模型试验对有效性进行验证。试验实施例的阻尼器模型中，外壳1(数量为1)、分区壳2(数量为2)、内壳3(数量为1)和各L型隔板4(数量24)均采用玻璃制成。其中，外壳1的外直径为320mm，轴向长度450mm，分区壳2的外直径分别为260mm和200mm，轴向长度分别为424mm和393mm，内壳3的外直径为140mm，轴向长度362mm，由外至内各层L型隔板4的尺寸分别为25mm×424mm(数量为8)、25mm×393mm(数量为8)和25mm×362mm(数量为8)，所有零件的壁厚均为5mm。L型隔板4底部的开孔面积为所在L型隔板底部水平段面积的100％，此时，L型隔板4仅剩竖直段。将本圆环形调谐液柱阻尼器安装于被控结构的顶部，在两个圆柱形壳体之间的腔体内盛入纯净水。

试验实例1：受控结构的为1自由度系统，其质量450[kg]，阻尼56.5487[Ns/m]，刚度17765.2879[N/m]。所有液体区域均控制结构的一阶振型。如图7、8所示，被动结构分别在Taft，Kobe，El Centro地震波荷载下，相比于未安装阻尼器的情况，安装阻尼器后结构的动力响应有明显的降低，并且在0～90°的外荷载激励方向上被控结构的峰值位移衰减率、均方根位移衰减率基本一致，说明了阻尼器的性能与激励方向无关，并且可以将不同液体区域的频率都调谐至同一值，抑制结构某一特定的振型。

试验实例2：受控结构的为2自由度系统，其质量M_s[kg]，阻尼C_s[Ns/m]，刚度K_s[N/m]矩阵分别写作：

与外壳1相邻的液体区域控制结构的一阶振型；其余液体区域控制结构的2阶振型。如图9、10所示，被动结构分别在Taft，Kobe，El Centro地震波荷载下，相比于未安装阻尼器的情况，安装阻尼器后结构的2个自由度的动力响应均有明显的降低，并且在0～90°的外荷载激励方向上被控结构的峰值位移衰减率、均方根位移衰减率基本一致，说明了阻尼器在多个方向都有较好的减振效果，拓宽调谐频带，同时控制结构的多阶振型。

Claims (4)

1.一种多层圆环形调谐液柱阻尼器，其特征在于，为整体呈圆柱体形状的箱体，该箱体包括M+2个共轴且由内至外层叠放置但不接触的圆柱形壳体，M为正整数，且1≤M≤6，各圆柱形壳体的顶部均开敞且位于同一水平面上、底部封闭且位于不同的水平面上，各相邻的两个圆柱形壳体分别形成一腔体；各相邻的两圆柱形壳体之间均分别设有圆周均布的N个L型隔板，使得各腔体内分别形成连通的N个子腔体，各L型隔板固接于与其接触的圆柱形壳体上，各腔体内分别填充有液体；

对于第i个腔体，i＝1，2，...，M+1，沿受控结构的激励方向构建n_i条平行的分隔线，且各分隔线的两端位于相应的一个子腔体的竖直段液柱形心上，按照各分隔线的长度由大到小依次对第i个腔体内的各竖直段液柱进行分组编号，记为1，2，…，n_i，且除第一组中含有两个竖直段液柱外，其余分组中均分别含有四个竖直段液柱，则第i个腔体内的液体自振圆频率ω_fi通过下式计算得到：

α_ij＝H_ij/H_i1

η_i＝A_Vi/A_Hi

A_Vi＝π(R_i1 ²-R_i2 ²)/N

A_Hi＝2R_i1B_i/(2n_i-1)

式中，V_i为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器中第i个腔体单侧竖直段液体的长度；H_ij为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器的第i个腔体中第j条分隔线的长度；η_i为所述多层圆环形调谐液柱阻尼器中第i个腔体内液体的竖直段和水平段的等效横截面面积比；A_Vi和A_Hi分别为第i个腔体的等效竖直段、水平段横截面面积；α_ij为第i个腔体内第j条分隔线的长度H_ij与第一条分隔线的长度H_i1的比值；R_i1和R_i2分别为组成第i个腔体的相邻两圆柱形壳体的半径，且R_i1＞R_i2；B_i为组成第i个腔体的相邻两圆柱形壳体沿阻尼器轴向的长度之差，即相邻两个圆柱形壳体底部的高度之差；g为重力加速度；α_i ^*为修正系数；n_i，α_i ^*的取值如下表所示：

N n_i α_i^* 6 2 0.833333 8 2 0.853553 10 3 0.847214 12 3 0.849679。

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

3.根据权利要求1或2所述的多层圆环形调谐液柱阻尼器，其特征在于，各L形隔板底部分别设有均布的多个孔洞，其开孔面积为相应L型隔板底部水平段面积的0％～100％。

4.根据权利要求1或2所述的多层圆环形调谐液柱阻尼器，其特征在于，各圆柱形壳体圆周方向的侧壁壁厚以及底板壁厚是相应圆柱形壳体外直径的1％～20％。

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