CN2231284Y - 建筑物震动抑制装置 - Google Patents

Abstract

一种建筑物震动抑制装置，其主要是由供主动质量承载的滑移机构及两组配合组装在滑移机构的弹簧阻尼机构所组成；滑移机构包括两支撑台、两组相互正交的线性滑轨及分别连动两支撑台的两球螺杆；其是将两支撑台依序以滑设状态组置在两组线性滑轨顶面，并使适当的主动质量承载在上层支撑台顶面上，以利用两组线性滑轨，配合两组方向相异且分别组设两支撑台及相对线性滑轨间的可调式弹簧阻尼机构，使主动质量可由交流伺服马达控制，随意前后左右四方向产生与建筑物相反方向的运动，以抑制建筑物的震动。

Description

建筑物震动抑制装置

本实用新型涉及一种建筑物防护设备，特别是一种建筑物震动抑制装置，尤指一种运用两组互为正交〔即90度〕的线性滑轨，使得承载在上层支撑台的主动质量能够在前后左右四方向随意移动的建筑物的震动抑制装置，配合组设在各支撑台与线性滑轨间的可调式弹簧阻尼机构，其为一种灵活且有效的震动抑制装置，其适用于各式超高层大楼或高塔中。

随着人口的增加及都市化的发展，现今城市中可供人们运用的土地已经日益减少，为了能充份地利用珍贵而有限的土地资源，人们往往会以增加楼层数及容积率的手段，达到提高土地的利用效率的目的，而且配合着建筑营造技术的进步及资本的集中，城市中高楼林立的现象已经是相当普遍的景观；对于此种高层大楼或高塔等类型的超高层建筑物而言，其整个建筑最重要的考虑因素莫过于结构安全性、耐用性与舒适性，特别是对于地震发生时，耐震强度更是决定建筑物结构的最主要因素，建筑物必须具备良好的耐震效果，才能提供居住的安全保障。

一般超高层建筑物基于结构的强度与施工的便利，其架构是由垂直的大柱和水平的大梁钢骨相对接合构成，这种钢骨组合形态的设计遇到较大的风力或地震，其钢骨摇摆较为柔软，故以钢骨建造的大楼遇到较大的风力或地震摇摆较为显著，因此高层建筑物往往必须加装适当的减震装置，以提高建筑结构的耐震效果；又“风力”对于高层建筑物影响亦不可以忽视，较大的风力往往会造成高层建筑物的震荡摇动，由于高层建筑物多用于办公商业大楼、饭店、旅管及住宅等用途，舒适性及安全性即为最大的考量因素，因此为了改善高层建筑物的舒适性，高层建筑物装设适当的减震装置以减少结构性的摇动振幅，实有其必要性；前述减震装置〔即震动抑制装置〕的作用原理是当大楼建筑结构物受地震或风力作用而使得大楼产生摇动时，震动抑制装置的主动质量(Active Mass)会产生与大楼相反方向的运动，以形成一种控制力，有效达到抑制大楼摇动的目的。

请参看图1、2所示，震动抑制机构90主要是组装在超高层大楼80的最顶层，其包括适当的主动质量(Active Mass)91、数个线性滑轨92及球螺杆(Ball Screw)93等构造；主动质量91是承载在具低滑动摩擦的线性滑轨92上，而且连动主动质量91的球螺杆93可由伺服马达86传动；超高层大楼80的顶层、中央及地面等多处适当位置设有数个感应器81，该感应器81可以感知高层大楼80各部位有关加速度、速度及位移的状况，当感应器81感测到高层大楼80产生摇动时，会立即送出适当讯号经过模/数转换器82转换成数字讯号，同时送入主控制单元83进行分析与控制运算，并立即送出一数字讯号，经由另一数/模转换器84转换成模拟讯号，再由马达驱动器85控制马达86转动，借以传动主动质量91产生与大楼相反方向的运动，达到抑制高层大楼80摇动的控制效果；

设在交流伺服马达86的解码器87会将讯号传回模/数转换器82，转换器82将综合各感应器81送入的感知讯号，重新送入主控制单元83进行处理，以进一步控制震动抑制装置90运作，直到高层大楼80稳定为止，整个震动抑制装置90的控制流程如图2所示。

目前发展出的现有的震动抑制装置90是为一种主动质量91以单轴式移动的运作系统，然而此种震动抑制装置90的结构设计不够完善，因此导致了许多使用实施的缺点，列举其中几点加以说明如下：

(1)、现有震动抑制装置的主动质量仅具备单轴式移动效能，使得整组震动抑制装置仅能控制大楼结构单一摇摆方向的震动抑制功能，如果想要控制大楼结构沿另一个摇摆方向的震动抑制，便必需再加装一组震动抑制装置，此举不仅浪费了高层大楼顶层的可用空间，并且大量增加震动抑制装置的购置成本，大大地降低了震动抑制装置的产业利用价值。

(2)、震动抑制装置皆会设有适当弹簧及阻尼器构造，以在震动抑制装置的动力来源或电源丧失后，利用弹簧提供与高层大楼第一个自然频率相同的频率，再通过阻尼器来逸散高层大楼摇动的能量，以提供被动式的减震效果；震动抑制装置要产生有效的减震效能，其频率必须与高层大楼的自然频率相同，然而高层大楼实际的自然频率是通过模态测试(Modal Testing)方式求得，当以实验方式求得高层大楼的自然频率时，由于现有的震动抑制装置的主动质量M和弹簧弹性系数k之间完全没有适当的调整设计，使得震动抑制装置的频率〔w＝无法灵活且正确地配合高层大楼的自然频率，造成现有震动抑制装置在实际装置使用时的许多困难，限制了震动抑制装置的实用效益。

事实上，利用减震装置产生被动式控制效果，其弹簧的k值与阻尼器的c值，在控制效率上起着重要的作用，如何选择一阻尼器来散逸大楼的摇动能量，则是发展减震装置的一大课题，应用最佳振动阻尼器的观念，美国教授Den Harton推导出最佳阻尼值： $\mathrm{\ξopt}=\sqrt{[3\mathrm{\μ}/8(1+\mathrm{\μ})}]$

μ＝(主动质量)/(大楼质量)

如何调整阻尼值而使被动控制发挥最大的效益，即是实际使用上有待克服的事。

(3)、承前所述，一般超高层大楼的自然频率皆相当低且摇动周期长，这便会造成震动抑制装置的主动质量的来回移动行程相当长，其移动行程往往会长达3～4公尺以上，相对地造成直线运动机构〔即线性滑轨〕的长度较长；如此，若只是用两条线性滑轨加以支撑，可能会因为其跨距过大，再加上主动质量的重量相当大，使得施加在线性滑块的正向压力及侧向的弯曲应力过大，如此，不仅会造成线性滑轨产生变形而无法支持〔例如：中央部位凹陷或两端翘起〕，并且不易找到适合长度的线性滑轨可供使用，实在是一种不恰当的设计。

本实用新型的主要目的在于提供一种主动质量可以向前后左右方向随意移动的建筑物震动抑制装置；其主要是运用两组互为正交的线性滑轨，并使得适当的主动质量承载在上层线性滑轨顶面的支撑台处，通过主动质量能够利用支撑台在两组线性滑轨随意产生前后左右四方向的移动，有效地提高建筑物的震动抑制效能，同时具有设备成本低及占用空间少的特点。

其中，滑移机构主要是由两组支撑台所构成；第一支撑台主要是由四支线性滑轨所支持，以提供足够的刚性来支撑巨大的主动质量运动，而不致于造成线性滑轨的过度变形；而第二支撑台主要是由二支线性滑轨所支持。

本实用新型的另一目的在于提供一种具备可调式弹簧阻尼机构的建筑物震动抑制装置；震动抑制装置的弹簧阻尼机构组设在支撑台与线性滑轨之间，该弹簧阻尼机构的连杆贯设一道长形条孔，以供支座灵活地组置支撑在连杆的适当位置，如此，通过该种可调式支座的设计，使得震动抑制装置的作用频率具有灵活调整功能，以配合高层大楼的自然频率而简便地相应调整。

为达到上述目的，本实用新型采取如下技术方案：

本实用新型的建筑物震动抑制装置，其主要由供主动质量承载的滑移机构及两组配合组装在滑移机构的弹簧阻尼机构所组成，其特征在于：

所述滑移机构包括两支撑台、两组互为正交的线性滑轨及分别连动在两支撑台的两球螺杆组成，其中：

第一支撑台可滑移地跨置在数道依序平行排列的第一组线性滑轨上方，该支撑台底面以平行所述线性滑轨方向穿设一可连动支撑台且受马达驱动的球螺杆，配合组设在支撑台与线性滑轨之间且平行于线性滑轨方向的第一组弹簧阻尼机构，以供第一支撑台沿第一组线性滑轨顺畅枢移；

数道相互平行的第二组线性滑轨以垂直于第一组线性滑轨的方向定位在第一支撑台顶面，并使第二支撑台枢设跨置在第二组线性滑轨上方，而第二支撑台底面以平行第二组线性滑轨方向穿设一可连动第二支撑台且受另一马达驱动的球螺杆，配合组设在第二支撑台与第二组线性滑轨之间且平行于第二组线性滑轨方向的第二组弹簧阻尼机构，以供第二支撑台沿第二组线性滑轨顺畅枢移；

如此，利用两组互为正交的线性滑轨，使得震动抑制装置的主动质量可以随意依前后左右四方向产生与建筑物相反方向的抑制位移运动。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述第一组线性滑轨是由四支相互平行排列的线性滑轨组成。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述第二组线性滑轨是由二支相互平行排列的线性滑轨组成。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述支撑台是利用数倒U形线性滑块平稳地跨置在线性滑轨。

所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述球螺杆通过固设在所述支撑台底面的掣块与螺套连动支撑台产生位移。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述第一支撑台顶面凹设一道垂直于第一线性滑轨方向的槽沟，以供连动所述第二支撑台的球螺杆容设其中。

所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构由定位杆、连杆、弹簧、阻尼器及可调式的支座组成，其中：

定位杆是以垂直于线性滑轨方向固设在线性滑轨上，而且定位杆另一端设有供弹簧及阻尼器接合的结合板，

连杆一端枢设在支撑台边侧对应伸设的凸耳，配合适当支座灵活地支抵在连杆板面长形条孔的适当位置，使得连杆以近乎平行于定位杆状组设在所述线性滑轨上方，而弹簧及阻尼器则以平行并靠状组置在定位杆的结合板及连杆自由端端部之间，

而由调整支座的支撑位置，灵活地变化支撑台的作用频率。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构的阻尼器可为油压式阻尼器。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构的阻尼器可为气压式阻尼器。

所述建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构的阻尼器枢框枢接在所述连杆的端部。

本实用新型具有如下效果：

(1)、本实用新型提供的主动质量可前后左右等方向顺畅移动，因此可在各方向产生减震作用；由于本实用新型的主动质量是承载在上层支撑台位置，使得主动质量可以利用上层支撑台下方相互正交的两组线性滑轨，随意且顺畅地产生前后左右各方向的移动，不仅可大大提高建筑物的震动抑制效能，并且有效降低震动抑制装置的设备成本及占用空间，大大提高震动抑制装置的产业利用价值。

(2)、本实用新型提供灵活调整震动抑制装置频率的效能；由于本实用新型的弹簧阻尼机构可以灵活调整其支座的定位位置，使得震动抑制装置的振动频率可因应高层结构物的自然频率而灵活调整，以在震动抑制装置的动力来源或电源丧失后，利用可调式的弹簧阻尼机构的创新设计，妥善地提供震动抑制装置被动式的减震效果，大幅提高震动抑制装置实际组装使用的方便性，深具实用效益。

(3)、本实用新型有效提高震动抑制装置的耐用性与可实施性；本实用新型将主动质量承载在两组互为正交的线性滑轨上方，配合两组可调式弹簧阻尼机构的灵活运用，不仅可以提供超高层大楼绝佳的震动抑制效果，并且大幅降低组装在震动抑制装置的线性滑轨的长度，以有效提高线性滑轨的耐用寿命及材料成本，而为一种绝佳的震动抑制装置设计。

以下结合附图进一步说明本实用新型的具体结构特征及目的。

附图简要说明：

图1是建筑物震动抑制装置组合配置的平面示意图；

图2是建筑物震动抑制装置的控制流程图；

图3是本实用新型较佳实施例的立体外观图；

图4是本实用新型较佳实施例的俯视平面图；

图5是本实用新型较佳实施例的仰视立体图；

图6是本实用新型可调式弹簧阻尼机构的弹簧-质量系统配置图(一)；

图7是本实用新型可调式弹簧阻尼机构的弹簧-质量系统配置图(二)；

图8是1940年EL Centro地震有关时间-加速度的频谱图；

图9是模拟大楼受1940年EL Centro的地震频谱作用的时间-位移图；

图10是模拟大楼经施以50年回归期的10分钟平均风速作用时，顶层的时间-位移图。

如图3所示，本实用新型是关于一种建筑物震动抑制装置的新型设计，其包括有供主动质量置设的滑移机构10及配合组装在滑移机构10的可调式弹簧阻尼机构20等机构；其中：

如图3、5所示，滑移机构10主要是由两支撑台11、15、两组互为正交的线性滑轨12、16及分别连动在两支撑台11、15的两球螺杆13、17所组成；第一支撑台11是为平面板体构造，并有八个倒U形线性滑块122以两两为一组的方式依序间隔定位在第一支撑台11底面，利用各线性滑块122底面凹设的嵌槽12，使得第一支撑台11可以平稳地跨置在四依序相互平行排列的第一组线性滑轨12上，提供第一支撑台11沿四线性滑轨12顺畅枢移的作用效能；

承前所述，第一支撑台11底面的四平行线性滑轨12中央穿设一球螺杆13，该球螺杆13是受伺服马达〔图中未示〕驱动，并且通过固设在支撑台11底面的掣块14及螺套142传动该支撑台11，使得该伺服马达可控制第一支撑台11在第一组线性滑轨12的滑移量；又，相对于第一组线性滑轨12的设置方向，第一支撑台10板面一侧凸设供第一组弹簧阻尼机构20枢合的凸耳112，并有一道垂直于线性滑轨12方向的槽沟114凹设在支撑台11表面，以供连动第二支撑台15的球螺杆17容设其中；

两相互平行的第二组线性滑轨16以垂直于第一组线性滑轨12的方向定位在第一支撑台11顶面，而平板形态的第二支撑台15则利用四间隔设置的线性滑块162跨置在第二组线性滑轨16上，并恰使各线性滑块162的嵌槽164嵌设枢置在线性滑轨16顶面，以提供第二支撑台15沿第二组线性滑轨16顺畅枢移的效能；

承前所述，配合第一支撑台11顶面的槽沟114，由另一伺服马达〔图中未示〕传动的球螺杆17伸设在第二组线性滑轨16间的支撑台15底面，并恰使该球螺杆17啮合穿过定位在第二支撑台15底面的掣块18与螺套182，使得该伺服马达可控制第二支撑台15沿第二组线性滑轨16顺畅地滑移；而对应于第二组线性滑轨16的定位方向，第二支撑台15板面一侧凸设供第二组弹簧阻尼机构20枢合的凸耳152，使得该第二组可调式弹簧阻尼机构20能够妥善提供滑移机构10良好的被动式减震效果。

如图3、5所示，本实用新型是设具两组弹簧阻尼机构20，分别组置在第一支撑台11与线性滑轨12之间及第二支撑台15与线性滑轨16之间，两组弹簧阻尼机构20的结构形态及作用关系完全相同，差异处仅在组置于滑移机构10的位置及方向不同；为便于说明起见，下文以组置在第一支撑台11与第一组线性滑轨12间的第一组弹簧阻尼机构20为例加以说明：

弹簧阻尼机构20主要是由定位杆21、连杆22、弹簧23、阻尼器24及可调式的支座25组成；定位杆21是为L形态的杆体构造，其一端以垂直于第一组线性滑轨12方向固设在线性滑轨12底面，而定位杆21另端则垂直上伸且有一结合板212固设在定位杆21的端部一侧，以供弹簧23及阻尼器24组设其上；又，连杆22是板面开设一道长形条孔222的板片形杆体构造，其一端枢设在第一支撑台11伸设的凸耳112，配合支座25以其朝上伸设的伸柱252穿设在前述条孔222的支撑作用，使得连杆22以近乎平行于定位杆21的水平形态组设在第一组线性滑轨12上方，而且连杆22另端的端部恰与定位杆21的结合板212相对应，以供弹簧23及阻尼器24以平行并靠形态组置在结合板212与连杆22之间；

其中，前述阻尼器24可为油压式或气压式的阻尼器构造，并且其对应端是利用形枢框224枢接在连杆22端部，如此，通过变化支座25穿设支撑在连杆22的位置，便可灵活地变化第一支撑台11的振动频率，至于可调式弹簧阻尼机构20的频率调整原理容后再述；又，第二组弹簧阻尼机构20的定位杆21及连杆22是以垂直于线性滑轨16方向，分别组设在第二组线性滑轨16与第二支撑台15之间，以达到调整第二支撑台15振动频率的目的。

如图6、7所示，对可调式弹簧阻尼机构20的作用原理说明如下：

如图6所示的弹簧-质量系统，其运动方程式是为：

mX＋〔k1＋k2(b/a)〕X＝0

通过调整a与b的比例〔即支点P的位置〕，使得弹性系数k2能有平方倍的放大或缩小，进而达到调整弹簧阻尼机构20振动频率的目的。

同理可适用于图7所示的弹簧-质量系统，其运动方程式是为：

mX＋(b/a)kX＝0

通过调整a与b的比例〔即支点P的位置〕来达到调整弹性系数k的功能，有效地调整弹簧阻尼机构20振动频率的目的。

如图3、4、5所示，本实用新型是组装在超高层大楼或高塔的顶部，并将适当的主动质量承载在上层支撑台15位置，如此，当高层结构物产生摇动时，依序连接的感应器、模/数转换器、控制单元及马达驱动器〔图中未示〕的分析运算与控制，得以控制两组伺服马达〔图中未示〕分别传动球螺杆13、17，使得承载在第二支撑台15顶面的主动质量产生与大楼相反方向的运动，以达到超高层大楼震动抑制的控制效果，直到超高层大楼稳定不再摇摆震动为止。

再请参看图8、9、10所示，举一个本实用新型实际运用的应用实例加以说明：以一栋45层的超高层大楼而言，其重约47000吨，长、宽、高分别为57m×21m×162m；经结构动力分析，该大楼第一个自然频率为0.29Hz，相当摆动周期为3.44秒，经施以50年回归期的10分钟平均风速，计算其最顶层的位移会达到29cm，当运用本实用新型进行震动抑制控制时，可以有效地让大楼很快地稳定下来。

又若模拟大楼受1940年EL Centro的地震频谱作用时〔如图8所示〕，地表最大的加速度为310gal〔约芮式规模(Richter magnitude)6·7级〕，相当于我国震度分级中的六级烈震，该大楼的反应行为如图9所示的实线所示，最大的位移量会达到25cm；如果加上本实用新型的震动抑制装置来控制大楼的位移，如图9的虚线所示，该大楼将很快地稳定下来，由此可清楚获知本实用新型震动抑制装置的高度实用效益。

Claims (10)

1、一种建筑物震动抑制装置，其主要是由供主动质量承载的滑移机构及两组配合组装在滑移机构的弹簧阻尼机构所组成，其特征在于：

滑移机构包括两支撑台、两组互为正交的线性滑轨及分别连动在两支撑台的两球螺杆，其中：

第一支撑台是以可滑移地跨置在数道依序平行排列的第一组线性滑轨上方，该支撑台底面以平行所述线性滑轨方向穿设一可连动支撑台且受马达驱动的球螺杆，配合组设在支撑台与线性滑轨之间且平行于线性滑轨方向的第一组弹簧阻尼机构，以供第一支撑台沿第一组线性滑轨顺畅枢移；

数道相互平行的第二组线性滑轨以垂直于第一组线性滑轨的方向定位在第一支撑台顶面，并使第二支撑台枢设跨置在第二组线性滑轨上方，第二支撑台底面以平行第二组线性滑轨方向穿设一可连动第二支撑台且受另一马达驱动的球螺杆，配合组设在第二支撑台与第二组线性滑轨之间且平行于第二组线性滑轨方向的第二组弹簧阻尼机构，供第二支撑台沿第二组线性滑轨顺畅枢移。

2、根据权利要求1所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述第一组线性滑轨由四支相互平行排列的线性滑轨组成。

3、根据权利要求1所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述第二组线性滑轨由二支相互平行排列的线性滑轨组成。

4、根据权利要求1所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述支撑台利用数个倒U形线性滑块平稳地跨置在所述线性滑轨上。

5、根据权利要求1所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述球螺杆通过固设在所述支撑台底面的掣块与螺套连动支撑台位移。

6、根据权利要求1所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所式第一支撑台顶面凹设一道垂直于第一线性滑轨方向的槽沟，以供连动所述第二支撑台的球螺杆容设其中。

7、根据权利要求1所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构由定位杆、连杆、弹簧、阻尼器及可调式的支座组成，其中：

定位杆以垂直于所述线性滑轨方向固设在线性滑轨上，定位杆另一端设有供弹簧及阻尼器接合的结合板；

连杆一端枢设在所述支撑台边侧对应伸设的凸耳，配合支座支抵在连杆板面长形条孔位置，使得连杆以近乎平行定位杆状组设在线性滑轨上方，弹簧及阻尼器以平行并靠状组置在定位杆的结合板及连杆自由端端部之间；

由调整支座的支撑位置，调整支撑台的作用频率。

8、根据权利要求7所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构的阻尼器为油压式阻尼器。

9、根据权利要求7所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构的阻尼器为气压式阻尼器。

10、根据权利要求7所述的建筑物震动抑制装置，其特征在于：所述弹簧阻尼机构的阻尼器枢接在所述连杆的端部。

Images