CN88102212A - 遏制建筑物振动的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

一种振动遏制结构，包括一对限定内部空间的墙构件，多个将内部空间分隔小室的分隔墙以及在小室具有自由面的液体。建筑振动时，小室内的液体晃动。建筑的振动能传给液体引起晃动。当液体晃动的固有频率与建筑的固有频率一致时，振动被更有效地遏制。建筑和液体组成单一的振荡系统，该系统的基本振动模式是一种液体晃动与建筑位移一起发生的模式。遏制建筑振动的方法包括将上述结构放置在建筑的模态位移显著的位置上。

Description

本发明涉及一种遏制建筑物振动的方法和结构。

建筑物和民用建筑由于地震、刮风、交通运输和其他振源等而引起振动。另一方面，大多数现代建筑物和结构由于在现代结构件和精密制造技术方面富于适应性，因此和传统的建筑物相比具有更大的挠性和更少的减振能力。但是，由于现代建筑允许有比过去更大的位移，现代建筑的振动就会比传统建筑的振动更大。这样，就会产生过大的振动，在建筑物内导致各种麻烦和问题，例如建筑物非结构件的破坏、安装在建筑物内的各种实施的误动作以及住户受到不舒适的运动感觉等等。建筑物的结构件自然还要求减小振动。

为解决这些麻烦，本发明人在日本专利申请62-241045的图1中曾提出一种建筑用振动遏制装置。该专利申请所公开的一种振动遏制装置，包括液箱和保持在液箱内的液体，该装置安装在建筑物的屋面。当建筑物振动时，建筑物的振动能传递给液体，该液体的晃动固有频率与建筑物的固有频率一致，液体就以和建筑物谐振的方式晃动。因此，建筑物的振动由失去振动能向被遏制。保持在液箱内的液体重量最好大于建筑物重量的1%，以便有效地遏制建筑物的振动。

前述的遏制建筑物振动的传统装置和方法存在一个问题在于，该装置需要很大的安装空间，从而安装该装置的空间只能是在建筑物顶部。

传统装置和方法存在的另一个问题在于，必须安装许多这样的液箱，这是因为液箱尺寸的确定应使其液面晃动频率等于建筑物的频率，液箱通常较小，而总重量为建筑物重量1%的液体必须全部保持在液箱内的缘故。

存在的下一个问题在于，当液箱安装在建筑物顶部时，合乎逻辑的结果是该装置只有有效遏制建筑物的第一振动模式。

本发明的目的在于提供一种遏制建筑物振动的方法和结构，其中设置一种节省空间墙状结构，可保持液体于其内并调节液体的晃动频率，使之与建筑物的固有频率一致。

为使本发明可实际应用，振动遏制结构可包括一对限定其间的内部空间的墙构件，多个将内部空间分隔成小室的分隔墙，以及保持在小室内具有自由液面的液体。

建筑物振动时，保持在小室内的液体随之晃动。建筑物的振动能传递给液体使其晃动。结果，建筑物的振动被遏制。当液面晃动的固有频率与建筑物的固有频率一致时，可以更有效地遏制建筑物的振动。换句话说，建筑物和液体组成了单一的振荡系统，该系统的基频振动模式是一种液面晃动和建筑物位移一起发生的模式。只要液体的有效质量远小于建筑物的质量，并且液面晃动的固有频率与建筑物的固有频率一致，限定在复合空间内的振荡系统的本征模式，其所包括的液面晃动的位移相对于建筑物的位移移相90度。在单一振荡系统的基频模式中，建筑物的位移要比不带有液体的建筑物的位移小。因此，当建筑物装设有振动遏制结构时，振动变得小得多。

本发明的其它目的和优点，从下文的叙述中就会更加清楚。

附图图面说明如下：

图1显示一种应用于五层建筑物的传统的振动遏制结构;

图2显示两个自由度振动系统的振动特性;

图3是本发明的振动遏制结构的一种实施方案的纵向剖视图;

图4是图3所示实施方案的横剖视图;

图5是本发明的振动遏制结构的另一种实施方案的纵向剖视图;

图6是图5所示实施方案的横剖视图;

图7是本发明的又一种实施方案的透视简图;

图8显示本发明的又一种实施方案的套筒和内管;

图9显示本发明的又一种实施方案的套筒和内管所形成的内槽;

图10（A）和10（B）分别显示和带有本发明的振动遏制结构的建筑的位移一时间关系曲线图。

下面参照附图详述本发明的最佳实施方案。

图3和图4显示本发明的最佳实施方案。图3显示该实施方案的纵向剖视图，具有平行六面体外形的振动遏制结构1设置在建筑物的结构件架所限定的空间内。该建筑物是由一对支柱2、楼板3和梁构件4组成的。振动所制结构1包括由下面接触梁构件4的顶板10，由楼板3支撑的底板11，及与一对支柱2相接触的一对侧板12。振动遏制结构1还包括一对垂直于底板11及侧板12的外墙构件14（见图4），它们限定了结构1的内部空间。在结构1的内部空间，设置了内墙构件5（见图5），内墙构件5平行于外墙构件14并与顶板10、底板11及一对侧板12接界;沿水平方向设置了多个水平隔墙6，它们与墙构件及侧板12接界;还沿垂直方向设置了多个垂直分隔墙7，它们与墙构件、顶板及底板接界。有多个小室R，由成对的相邻水平分隔墙6、成对的相邻垂直分隔墙7、内墙构件5及外墙构件14构成。水平分隔墙6之间及垂直分隔墙7之间是等距离配置的。因此，小室R有相同形状。在垂直分隔墙7上靠近其各个下水平分隔墙6的位置形成有连通孔9，因此在垂直分隔墙7两侧上的小室R可通过连通孔9互相连通。在界定各小室R的内墙构件5上，与垂直分隔墙7的各连通孔9等高的位置也可以形成有连通孔。因此，同一高度上的各小室R通过连通9互相连通。具有自由面13的液体8保持在各小室R内。借助于连通孔9，在同一水平线上的水室R的自由液面13的高度是相同的。

界定小室R的墙或其表面最好有波纹形状，而液体8最好是粘滞性液体，以便保证液体8晃动时的阻尼特性。振动遏制构件1的结构件，即其非液体构件可以用诸如塑料或不锈钢之类的耐蚀材料制成，以便避免由于腐蚀所引起的麻烦。可以用低挥发性的液体来作为液体8以确保结构1有长期的耐用性。外墙构件14可以设有成比例的窗口以方便检查液体8的液量。结构件的材料和液体8并不限于上述的实例，还可以从实际上或结构上的着眼点来进行选择。

图4所示为本实施方案的横剖视图。顶板10、底板11和一对外墙构件14限定了振动遏制结构1的界限。内墙构件5位于一对外墙构件14之间的中间平面上。借助于在内墙构件5上所形成的连通孔（图中未示），保持在由内墙构件5所隔开的小室内的液体8的液面13的高度是相同的。

液体8的有效总重量应等于或大于建筑物的有效重量的1%，最好是等于或小于建筑物有效总重量的2%，以便有效地遏制建筑物的振动。下文用术语有效重量或有效质量来表示液体或建筑的模态质量（modal.mass），模态质量对所涉及模式的振动具有重要意义。

下文说明本实施方案的工作情况。

图2中筒单模拟了建筑物和振动遏制结构。下文将参照图2中的模型，即所谓的两个自由度振荡系统来讨论振动特性。质量-弹簧-消振器系统26示意表示了某和型式建筑物的振动特性。质量20、弹簧21和消振器22分别表示该型式建筑物的有效质量、有效倔强性（stiffness）有效阻尼，它们由建筑物的结构性质所确定。质量-弹簧-消振器系统27表示某种模式的振动遏制结构，更具地说是表示振动遏制结构中的液体的晃动特性。质量23和弹簧24是由晃动的有效质量和有效弹性（effect    spring）来确定的，而有效质量和有效弹性是保持液体的小室的几何特性、液体深度及液体材料的函数。由于这些数值在所有的小室中是相等的，所有小室的晃动效果可用单个质量-弹性-消振器系统27来表示。消振器25的性质主要是由液体的粘滞性来确定。

只要液体的有效重量低于建筑的有效重量的2%，建筑和液体晃动之间的耦合作用就可忽略不计。因此，当建筑的固有频率与液体晃动的固有频率相一致时，耦合的双自由度系统的固有频率也和液体晃动的固有频率一致，

液体晃动的固有频率Fs由下式确定：

$\mathrm{F\; s\; =}\sqrt{\mathrm{K\; s\; .\; g\; .\; t\; a\; n\; h\; (K\; s\; .\; h\; )}}\mathrm{/\; 2\; .\; P\; i}$

其中-Ks：（2n-1）pi/2a

n：涉及的模式的序数（order）

pi：周长对其直径之比

2a：液箱在振荡方向上的宽度

g：重力

h：水深度

建筑物的固有频率Fb由下式确定：

$\mathrm{F\; b\; n\; =}\sqrt{\mathrm{K\; n\; /\; M\; n}}\mathrm{/\; 2·P\; i}$

其中-Kn：建筑物的模似刚度（modal    stiffness）

Mn：建筑物的模拟质量

因此，根据上述两等式，就有可能使液体晃动的固有频率或最低的液体晃动固有频率与建筑的固有频率相等。

当建筑物由于地震等等而引起振动时，因为液体晃动与建筑物的振动共振，借助于振动遏制结构就可使建筑物的振幅减小。

在上面的说明中，建筑物的振动特性是以第一模式来表示，振动遏制结构的作用是在为简化说明的基础上来叙述的。但是，振动遏制结构的应用并不限于第一模式，还可应用于遏制任何其它模式，在这些情况下，振动遏制结构最好被安装在需要减小振动模式的建筑物位移大的位置上。因此，振动遏制结构被安装在一层或多层中间楼板上。

图5和图6所示为本发明的另一种实施方案。在支柱2和侧板12之间，沿着支柱2的垂直方向设有供水管20。在小室R的上部有进水嘴21将供水管20与小室R连通。供水管20的底端封闭，而其另一端与供水装置（图中未示）连接。结构1的另一侧，在支柱2和侧壁12之间设有排水管22。各小室R的予定高度处连接有溢流咀23，溢流咀23将小室R与排水管22连通。

该实施方案便利振动遏制结构填水，这在下文中说明。

通过供水管20和进水咀21将水引进与供水管20相邻的小室R内。水再通过连通孔9流入相邻的小室R。当水面13到达溢流咀23的高度时，水由溢流咀23溢出、集中在排水管22内而被排出。

这种结构只需要通过供水管20供水。接着小室就会填充予定量的水。可以在结构1被安装在建筑之后再供水，因此结构的制造变得简单和快速。

图7、8和9显示本发明的又一种实施方案。在该方案中，排水管22包括圆柱形套筒30和内管31。内管31可在圆柱形套筒30内绕其轴线转动。圆柱形套筒30上制成有螺旋槽32，而内管31上制成有槽33。直槽33和螺旋槽32互相重叠的地方形成孔34，当内管31转动时，孔34沿着螺旋槽32改变其高度。

借助于上述结构，小室R内的水流溢出的孔34的高度可被调节。因此，靠转动内管就有可能调节小室中的水深度。这样，就易于调节液体晃动的固有频率，这在细调固有频率时可能是实用的。

圆柱形套筒30的内表面可以形成内螺纹，而内管31的外表面可以形成外螺纹，使它们互相啮合，并使内管相对套筒螺旋运动。

建筑物的固有频率当然随建筑物的型式而不同。因此，确定保持液体的小室的几何形状，使其液体晃动的固有频率和所涉及形式的建筑物的固有频率相等。

另外，本发明的振动遏制结构很紧凑，因此结构可以被安装在建筑物的任何楼板上。建筑物的墙可以被振动遏制结构所取代，以节省更多空间。

由于振动遏制结构包含有大量液体，结构还可以用作隔声墙和防火墙。

本发明的振动遏制结构的安装不一定要代替建筑物墙，而是可以安装在建筑物顶上或建筑物外侧。

下面介绍实例：

本发明的振动遏制结构的效果，已经对带有或不带有振动遏制结构作地震响应分析得以证实。供分析用的结构如图1所示那样，是五层建筑模型，其顶上放置振动遏制结构。建筑模型每层的质量为400Kg。建筑的第一因有周期（第一固有频率的倒数）为0.41秒。液体的有效总重量为52Kg，其第一晃动周期为0.41秒。

图10（A）所示为不带有振动遏制结构的建筑物从底层向上第四层处对E1    Centro（NS）地震记录仪起反应所测得的位移一时间关系曲线。图10（B）所示为带有振动遏制结构的建筑的相应的位移一时间关系曲线。对两个地震响应的比较表明，建筑物的响应位移由于振动遏制结构而被减小了，并且，当建筑物带有振动遏制结构时，振动迅速稳定。

进一步分析研究表明，当液体晃动的有效质量大于建筑的有效质量的0.5%时，振动遏制结构的效果很显著。分析研究还表明，当液体晃动的有效质量超过建筑的有效质量的2%时，耦合系统的固有频率变得与未耦合的结构的不同，从而振动遏制效果减弱。在这些情况下，就需要计及结构的耦合作用来调节液体晃动频率。当精确调节好液体晃动的固有频率之后，这些情况同样可以获得遏制振动的效果。

Claims (11)

1、一种建筑物用的振动遏制结构，其特征在于该结构包括：

(a).互相平行配置的第一和第二墙构件，它们之间限定了内部空间；

(b).配置在所述内部空间内的分隔墙，将内部空间分隔成多个小室；

(c).保持在所述小室内的液体，在每个小室内具有自由液面。

2、根据权利要求1所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于所述分隔墙至少包括一个垂直放置在所述内部空间内的垂直分隔墙，至少包括一个设置在所述液体的所述自由面以下的连通孔，将相邻小室连通。

3、根据权利要求1所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于所述小室的几何形状和保持在小室中的液体深度在所有小室中都是相同的，其确定应使液体的晃动固有频率与所述建筑物的固有频率一致。

4、根据权利要求3所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于最低的液体晃动固有频率与所述建筑的固有频率相一致，而建筑物的相应振动模式形状在放置振动遏制结构的位置有显著的位移。

5、根据权利要求1所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于该结构还包括供液体给所述小室的供液装置和从小室排液的排液装置。

6、根据权利要求5所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于所述供液装置的排液装置之一包括：

（a）.邻近所述小室垂直设置的圆柱形套筒;

（b）.配合在套筒内的内管，内管可绕其轴线转动;

其中，套管和内管之一上面沿垂直方向形成有垂直槽，而套筒和内管之另一个上面沿螺旋方向形成有螺旋槽，内管和套筒的槽互相重叠的地方形成一个孔，孔的高度可随内管的转动而变化。

7、根据权利要求6所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于所述套筒的内表面形成有内螺纹，而所述内管的外表面形成有外螺纹，用以将套筒和内管互相啮合，并用以将内管相对套筒作螺旋运动。

8、根据权利要求1所述的建筑物用振动遏制结构，其特征在于同一高度的小室设有将液体供给小室的进液咀，并设有将液体从小室排出的排液咀。

9、一种对建筑物装设振动遏制结构从遏制建套物振动的方法，包括（a）装设内墙构件和外墙构件，以在它们之间限定一个内部空间;（b）在所述内部空间配置分隔墙，将内部空间分隔成多个小室;（c）将液体保持在所述小室内，使各小室具有自由液面。

10、根据权利要求9所述的遏制建套物振动的方法，其特征在于将所述振动遏制结构装设在建筑的振动模式有显著位移的位置上，调节液体的晃动固有频率使之与振动模式的固有频率一致。

11、根据权利要求9所述的遏制建筑物用振动的方法，其特征在于将多个所述振动遏制结构装设在建筑的各振动模式有显著位移的各位置上，调节液体的晃动固有频率使之与各振动模式的固有频率一致。

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