CN205557887U - 一种受控结构上竖向流固耦合调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种受控结构上竖向流固耦合调谐质量阻尼器，涉及结构振动控制领域，包括阻尼箱，阻尼箱内装设有阻尼油，阻尼油内浸有固体质量块，预备多个固体质量块，每一固体质量块均设有主体部及由主体部向四周或两侧延伸的翼板，且每一固体质量块的翼板沿翼板延伸方向的截面面积不同，多个固体质量块择一且可更换的设于阻尼箱中，翼板上的设有弹簧，且翼板浸设于阻尼油中。本实用新型利用在阻尼箱内装阻尼油，将固体质量块浸入阻尼油中，固体质量块运动时，阻尼油内部的粘滞阻尼作用为体系提供稳定的附加阻尼。
Description
技术领域
本实用新型涉及结构振动控制领域，具体涉及一种受控结构上竖向流固耦合调谐质量阻尼器。
背景技术
随着结构工程技术的发展和人们对结构及桥梁景观的要求，大量轻型结构和桥梁应运而生。这些结构和桥梁多采用轻质高强材料，具有刚度小、阻尼小的特点，在交通、风荷载等外界动荷载作用下容易发生较大的振动。为了避免土木结构由于频繁振动引起的疲劳损伤甚至动力失稳破坏的问题，外加阻尼器是一种行之有效的手段，其中比较典型的调谐式阻尼器，包括主动式(AMD)和被动式(TMD)两种，主动式阻尼器内部的阻尼参数可根据外界响应的反馈进行调节，以更好的适应结构的振动，其减振效率高于被动式。但是由于土木结构的实际运营环境较为恶劣，主动式内部的反馈元件及阻尼调节元件容易损坏，耐久性较差，后期的维护成本较高，而被动式的减振效率虽低于对应的AMD，但其减振效率在满足工程要求的同时，维护成本很低，经过精心调校的TMD基本可以做到免维护，因此在土木结构振动控制中被动式的TMD应用非常广泛。
TMD控制结构的振动原理为：利用阻尼器的调谐作用，将受控结构的振动转化为活动质量的振动，一般活动质量的振动幅值是受控结构振动幅值的D倍(D为动力放大倍数)，实现了振动能量的转移，并利用阻尼器内部的阻尼耗能器，将转移至活动质量的振动能量耗散，以达到控制结构振动的目的。TMD的关键元件在于阻尼耗能器，一旦阻尼器失效，TMD失去耗能作用，巨大的集中质量将在受控结构振幅最大部位作大幅度的往复振动，将成为结构安全的巨大隐患。
目前，TMD常用的阻尼耗能元件较多，如CN 103334509A中提到的小孔节流型阻尼器、黏滞阻尼器、摩擦阻尼器等阻尼器。由于TMD对振动过程中的摩擦很敏感，摩擦阻尼器会影响阻尼器的工作状态；而小孔节流型阻尼器和黏滞阻尼器内部动密封元件存在着一定的摩擦，会一定程度上影响阻尼器的工作状态，最重要的是TMD在长期往复运动作用下，上述阻尼器的动密封元件容易发热、老化，进而导致阻尼油泄漏，其耐久性存在问题。使用以上阻尼器不仅效率低下，而且耐久性很差。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种受控结构上竖向流固耦合调谐质量阻尼器，该竖向流固耦合调谐质量阻尼器减振效率高、耐久性好。
为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，包括：
阻尼箱(1)，所述阻尼箱(1)内装设有阻尼油(2)；
多个固体质量块(6)，每一所述固体质量块(6)均设有主体部(60)及由所述主体部(60)向四周或两侧延伸的翼板(61)，且每一所述固体质量块(6)的翼板(61)沿所述翼板(61)延伸方向的截面面积不同，多个所述固体质量块(6)择一且可更换的设于所述阻尼箱(1)中，所述翼板(61)上的设有弹簧(4)，且所述翼板(61)浸设于所述阻尼油(2)中。
在上述技术方案的基础上，所述翼板(61)为由所述主体部(60)向四周延伸形成的圆环或方环。
在上述技术方案的基础上，所述翼板(61)为由所述主体部(60)向两侧延伸的板。
在上述技术方案的基础上，所述翼板(61)下端面设有下层弹簧(42)，所述下层弹簧(42)下端面设有底板(3)，所述下层弹簧(42)一端抵持于所述翼板(61)，另一端抵持于所述底板(3)。
在上述技术方案的基础上，所述翼板(61)上端面设有上层弹簧(41)，所述上层弹簧(41)上端面设有顶板(8)，所述上层弹簧(41)一端抵持于所述翼板(61)，另一端抵触于所述顶板(8)。
在上述技术方案的基础上，所述顶板(8)安装在所述阻尼箱(1)上端，所述顶板(8)和所述阻尼箱(1)之间设有密封元件(10)。
在上述技术方案的基础上，所述顶板(8)和所述底板(3)上设有弹簧固定件(5)，所述翼板(61)的上端面和下端面都设有凸起，所述弹簧固定件(5)和翼板上的所述凸起限制所述弹簧(4)水平方向的位移。
在上述技术方案的基础上，所述顶板(8)和所述底板(3)间设有收紧螺杆(9)，所述收紧螺杆(9)从上往下依次穿过顶板(8)、顶板上的弹簧固定件(5)、上层弹簧(41)、翼板(61)、下层弹簧(42)、底板上的弹簧固定件(5)、底板(3)。
在上述技术方案的基础上，上下左右相邻的所述弹簧(4)的旋向均相反。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
(1)本实用新型的竖向流固耦合调谐质量阻尼器利用在阻尼箱内装阻尼油，将固体质量块浸入阻尼油中，固体质量块运动时，阻尼油内部的粘滞阻尼作用为体系提供稳定的附加阻尼。
(2)本实用新型的竖向流固耦合调谐质量阻尼器内的阻尼油可为阻尼器提供高于自身质量的附加惯性质量，同样质量比下可以提高阻尼器的减振效率。
(3)本实用新型的竖向流固耦合调谐质量阻尼器内的阻尼油在不增加弹簧的静力压缩量的同时，能有效的降低TLMD阻尼器的频率，在低频TLMD阻尼器的设计中具有很大优势。
(4)本实用新型的竖向流固耦合调谐质量阻尼器上下左右相邻弹簧均采取不同旋向，在弹簧刚度和压缩量相同的情况下，保证固体质量块在上下运动过程中不发生横向摆动。
附图说明
图1为本实用新型竖向流固耦合调谐质量阻尼器的结构示意图；
图2为本实用新型竖向流固耦合调谐质量阻尼器的主体部向两侧延伸的翼板为矩形；
图3为本实用新型竖向流固耦合调谐质量阻尼器的主体部向两侧延伸的翼板为环形；
图4为本实用新型竖向流固耦合调谐质量阻尼器的主体部向四周延伸的翼板为矩形；
图5为本实用新型竖向流固耦合调谐质量阻尼器的主体部向四周延伸的翼板为圆形；
图中：1-阻尼箱，2-阻尼油，3-底板，4-弹簧，41-上层弹簧，42-下层弹簧，5-弹簧固定件，6-固定质量块，60-主体部，61-翼板，，7-防护盖，8-顶板，9-收紧螺杆，10-密封元件。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。
最新发明的调谐液体质量阻尼器(TLMD，Tuned Liquid MassDamper)，其设计思路主要基于以下方面：(1)利用在阻尼箱内装阻尼油，将固体质量块浸入阻尼油中，固体质量块运动时，阻尼油内部的粘滞阻尼作用为体系提供稳定的附加阻尼；(2)阻尼油可为阻尼器提供高于自身质量的附加惯性质量，同样质量比下可以提高阻尼器的减振效率；(3)阻尼油在不增加弹簧的静力压缩量的同时，能有效的降低TLMD阻尼器的频率，在低频TLMD阻尼器的设计中具有很大优势。
如图1所示，一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器包括：
阻尼箱1、阻尼油2和固体质量块6；有多个固体质量块6备用，每一固体质量块6均设有主体部60及由主体部60向四周或两侧延伸的翼板61，如图4和图5所述，如果主体部60向四周延伸的翼板61则为圆环或方环，如图2和图3所述，如果主体部60向两侧延伸的翼板61则为矩形或环形，且每一固体质量块6的翼板61沿翼板61延伸方向的截面面积不同，多个固体质量块6选择一个设于阻尼箱1中，并且固定质量块6是可拆卸、可更换的，翼板61上的设有弹簧4，且翼板61浸设于阻尼油2中。
翼板61下端面设有下层弹簧42，下层弹簧42下端面设有底板3，下层弹簧42一端抵持于翼板61，另一端抵持于底板3，翼板61上端面设有上层弹簧41，上层弹簧41上端面设有顶板8，上层弹簧41一端抵持于翼板61，另一端抵触于顶板8，上下左右相邻的弹簧4的旋向均相反，上下两层弹簧保持相同的预压量，保证阻尼器工作过程中，活动质量不发生横向摆动，且刚度保持稳定。
顶板8安装在阻尼箱1上端，顶板8和阻尼箱1之间设有密封元件10，以保证阻尼器内的阻尼油2不会外泄。
顶板8和底板3上设有弹簧固定件5，翼板61的上端面和下端面都设有凸起，弹簧固定件5和翼板上的凸起限制弹簧4水平方向的位移。
顶板8和底板3间设有收紧螺杆9，收紧螺杆9从上往下依次穿过顶板8、顶板上的弹簧固定件5、上层弹簧41、翼板61、下层弹簧42、底板上的弹簧固定件5、底板3，弹簧固定件5上设有螺母，收紧螺杆9一端通过螺母固定在顶板8的上端面，另一端通过螺母固定在底板3的下端面，连接成为一个装配体，通过收紧螺杆9和螺母来调节弹簧4的预压缩量。
最后将防护盖7固定在顶板8上，防止雨水和外界杂物进入阻尼器，保证阻尼器的耐久性。
本实用新型的竖向流固耦合调谐质量阻尼器安装在受控结构上对受控结构实现有效地减振，受控结构指特定的建筑物。
本实用新型还提供一种受控结构上竖向流固耦合调谐质量阻尼器的参数调校方法：
S1、预估竖向流固耦合调谐质量阻尼器的质量比μ预、受控结构所需竖向流固耦合调谐质量阻尼器个数n和受控构件上竖向流固耦合调谐质量阻尼器和相应的附属构件允许的总质量m总附加允，其中相应的附属构件为安装固定阻尼器的相应构件，并计算目标频率比αopt预和目标阻尼比ξopt预；已知受控结构的模态质量为M，受控结构频率为f受控；根据受控结构的受力运算，预估受控结构允许附加的总质量m总附加允；根据竖向流固耦合调谐质量阻尼器和相应附属构件通常的质量占比估算竖向流固耦合调谐质量阻尼器的总的活动质量md总预＝m总附加允×70％，并预估竖向流固耦合调谐质量阻尼器的质量比根据质量比μ预和受控结构所受的激励载荷类型(此处激励载荷类型指受控结构承受的外部载荷类型，例如切应力、拉应力、压应力等)，计算目标频率比αopt预和目标阻尼比ξopt预，由于此计算公式为相关领域公知常识，参见相应技术资料，此处不再赘述，预估单个竖向流固耦合调谐质量阻尼器的质量m预，即可确定阻尼器的个数
S2、计算竖向流固耦合调谐质量阻尼器的目标频率f预、目标活动质量md预和弹簧的目标弹簧刚度k预；竖向流固耦合调谐质量阻尼器的目标频率f预＝αopt预·f受控，单个竖向流固耦合调谐质量阻尼器的目标活动质量弹簧3的目标弹簧刚度k预＝(2π·f预)2·md预；其中αopt预为目标频率比，f受控为受控结构的频率，md总预为竖向流固耦合调谐质量阻尼器的总的活动质量，π为圆周率。
S3、调整竖向流固耦合调谐质量阻尼器的阻尼比ξopt，使阻尼比ξopt趋近于目标阻尼比ξopt预；预先确定固体质量块的质量为m1预，固定质量块与阻尼箱内壁的间隙为d预，逐渐往阻尼箱中添加阻尼油，测试竖向流固耦合调谐质量阻尼器的阻尼比ξopt，当阻尼比ξopt随着阻尼油的增加趋于稳定时，停止加入阻尼油，记录加入的阻尼油的质量m油，将阻尼比ξopt与目标阻尼比ξopt预对比。如果ξopt＜ξopt预，通过更换固定质量块，来改变固定质量块与阻尼箱内壁的间隙d预或改变固体质量块的外形来改变阻尼比ξopt，增大阻尼比ξopt，直至阻尼比ξopt与目标阻尼比ξopt预基本一致；如果ξopt＞ξopt预，通过改变固定质量块与阻尼箱内壁的间隙d预或改变固体质量块的外形来改变阻尼比ξopt，减小阻尼比ξopt，直至阻尼比ξopt与目标阻尼比ξopt预基本一致。
S4、通过调整固定质量块的质量m1来调整竖向流固耦合调谐质量阻尼器的频率f，使频率f趋近于目标频率f预；竖向流固耦合调谐质量阻尼器的频率其中，k为弹簧的刚度，且k＝k预；md为活动质量，且md＝m1+ν·m油，其中m油为阻尼箱内阻尼油的质量，m1为固体质量块的质量，ν为阻尼油的等效惯性质量比，且ν的取值范围为2～2.2。
S5、重新测量竖向流固耦合调谐质量阻尼器的阻尼比ξopt，比较竖向流固耦合调谐质量阻尼器的阻尼比ξopt和竖向流固耦合调谐质量阻尼器的目标阻尼比ξopt预；如果ξopt在ξopt预的误差范围内，则完成步骤S5，进行步骤S6；如果ξopt超出ξopt预的误差范围，则返回步骤S3；
S6、重新计算竖向流固耦合调谐质量阻尼器和相应的附属构件的总质量m总附加，比较竖向流固耦合调谐质量阻尼器和相应附属构件的总质量m总附加与受控构件上竖向流固耦合调谐质量阻尼器和相应的附属构件允许的总质量m总附加允；如果m总附加＜m总附加允，则竖向流固耦合调谐质量阻尼器的参数调校完成；如果m总附加＞m总附加允，则调低m总附加，重复步骤S1～S6，直至m总附加＜m总附加允。竖向流固耦合调谐质量阻尼器和相应的附属构件的总质量为m总附加＝(m箱+m油+m弹+m1+m附构)·n，其中m箱为阻尼箱的质量，m油为阻尼油的质量、m弹为弹簧的质量，m1为固体质量块的质量，m附构为附属构件的质量，其中相应的附属构件为安装固定阻尼器的相应构件，n为阻尼器个数。
下面通过具体实施例来进行详细说明。
本实施例为本实用新型在高频调谐阻尼器方面的应用。
实施例：某轻型钢结构梁，已知此受控结构的模态质量为M＝20t，受控结构的频率为f受控＝18Hz，经过计算允许附加的总质量为m总附加允＝2.5t，通过阻尼器参数的初步选定，共设24个小型竖向流固耦合调谐质量阻尼器，单个竖向流固耦合调谐质量阻尼器的目标频率f预＝17.6Hz，目标阻尼比ξopt预＝10％，目标活动质量md预＝50kg，采用本实用新型的竖向流固耦合调谐质量阻尼器，最后确定固体质量块m1＝30kg，ν＝2通过试验确定，阻尼油质量为m油＝10kg，实测阻尼比为ξopt＝9.7％～10.3％，随着主结构的振幅增大而缓慢变大，竖向流固耦合调谐质量阻尼器的阻尼特性具有很好的稳定性和鲁棒性，振动过程中不会发生动力失稳问题。
本实用新型不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于，包括：
阻尼箱(1)，所述阻尼箱(1)内装设有阻尼油(2)；
多个固体质量块(6)，每一所述固体质量块(6)均设有主体部(60)及由所述主体部(60)向四周或两侧延伸的翼板(61)，且每一所述固体质量块(6)的翼板(61)沿所述翼板(61)延伸方向的截面面积不同，多个所述固体质量块(6)择一且可更换的设于所述阻尼箱(1)中，所述翼板(61)上设有弹簧(4)，且所述翼板(61)浸设于所述阻尼油(2)中。
2.如权利要求1所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述翼板(61)为由所述主体部(60)向四周延伸形成的圆环或方环。
3.如权利要求1所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述翼板(61)为由所述主体部(60)向两侧延伸的板。
4.如权利要求1所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述翼板(61)下端面设有下层弹簧(42)，所述下层弹簧(42)下端面设有底板(3)，所述下层弹簧(42)一端抵持于所述翼板(61)，另一端抵持于所述底板(3)。
5.如权利要求4所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述翼板(61)上端面设有上层弹簧(41)，所述上层弹簧(41)上端面设有顶板(8)，所述上层弹簧(41)一端抵持于所述翼板(61)，另一端抵触于所述顶板(8)。
6.如权利要求5所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述顶板(8)安装在所述阻尼箱(1)上端，所述顶板(8)和所述阻尼箱(1)之间设有密封元件(10)。
7.如权利要求5所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述顶板(8)和所述底板(3)上设有弹簧固定件(5)，所述翼板(61)的上端面和下端面都设有凸起，所述弹簧固定件(5)和翼板上的所述凸起限制所述弹簧(4)水平方向的位移。
8.如权利要求7所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：所述顶板(8)和所述底板(3)间设有收紧螺杆(9)，所述收紧螺杆(9)从上往下依次穿过顶板(8)、顶板上的弹簧固定件(5)、上层弹簧(41)、翼板(61)、下层弹簧(42)、底板上的弹簧固定件(5)、底板(3)。
9.如权利要求1所述的一种竖向流固耦合调谐质量阻尼器，其特征在于：上下左右相邻的所述弹簧(4)的旋向均相反。
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