專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，尤其適用于抑制土木工程高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)作用下的振動(dòng)反應(yīng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)災(zāi)是人類(lèi)社會(huì)面臨的幾種主要自然災(zāi)害之一，毎年都會(huì)給人類(lèi)造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。全球毎年由于風(fēng)災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)百億美元，在我國(guó)毎年平均約有7-8個(gè)臺(tái)風(fēng)或強(qiáng)熱帶風(fēng)暴登陸，風(fēng)災(zāi)給我國(guó)造成了嚴(yán)重的各項(xiàng)損失。土木工程結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的損害是風(fēng)災(zāi)帶來(lái)?yè)p失的重要組成部分。高聳結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載有結(jié)構(gòu)自重、檢修活荷載、風(fēng)荷載和地震作用；由于高聳結(jié)構(gòu)的剛度較小，容易產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷或破壞，降低結(jié)構(gòu)的安全可靠度，所以風(fēng)荷載通常是此類(lèi)結(jié)構(gòu)的水平控制荷載，高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)控制問(wèn) 題備受關(guān)注。風(fēng)荷載對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的作用有靜カ和動(dòng)カ兩個(gè)方面靜カ方面主要表現(xiàn)為使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平側(cè)移；動(dòng)カ方面則表現(xiàn)為不僅會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平側(cè)移還會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，即風(fēng)振。對(duì)于風(fēng)致振動(dòng)的減振控制措施包括空氣動(dòng)力學(xué)措施和安裝減振裝置。在許多高聳結(jié)構(gòu)中，空氣動(dòng)力學(xué)措施只能起到一定程度的減振作用，并不能完全滿(mǎn)足工程的需求，在此情況下，減振裝置TMD與TLD被應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。TMD是結(jié)構(gòu)被動(dòng)減振控制體系的ー種，由主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中子結(jié)構(gòu)包括固體質(zhì)量、彈簧減振器和阻尼器等幾部分，它具有質(zhì)量、剛度和阻尼，可以通過(guò)改變質(zhì)量或剛度來(lái)調(diào)節(jié)子結(jié)構(gòu)的自振頻率，以使子結(jié)構(gòu)的自振頻率接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率，當(dāng)主結(jié)構(gòu)受到激勵(lì)振動(dòng)時(shí)，子結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生ー個(gè)與主結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反的慣性力作用在主結(jié)構(gòu)上，使主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)衰減，以達(dá)到振動(dòng)控制的作用。TLD是利用固定水箱中的液體在晃動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)側(cè)壓力來(lái)提供減振カ的，在激振カ的作用下，TLD中的液體產(chǎn)生晃動(dòng)，并在液體表面形成波浪，晃動(dòng)的液體和波浪對(duì)TLD的箱壁產(chǎn)生動(dòng)壓カ差，同時(shí)液體運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生慣性力，二者共同形成了 TLD的減振作用。近年來(lái)TMD和TLD的研究取得了較大進(jìn)展，在高層結(jié)構(gòu)或高聳結(jié)構(gòu)中有許多成功應(yīng)用案例；但在振動(dòng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)固有頻率的偏移對(duì)TMD或TLD的減振效果造成影響，由此提出利用MTMD解決問(wèn)題卻使得每個(gè)質(zhì)量塊的有效性無(wú)法得到充分的發(fā)揮，造成了減振裝置的浪費(fèi)。相關(guān)學(xué)者提出了將TMD與TLD結(jié)合進(jìn)行被動(dòng)減振控制的理論，但沒(méi)有涉及到高聳結(jié)構(gòu)在風(fēng)致振動(dòng)下的減振問(wèn)題，并且都將TMD與TLD作為獨(dú)立裝置進(jìn)行結(jié)合。本發(fā)明提出了一種高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，將TLD與TMD從理論與裝置兩方面結(jié)合起來(lái)，共同發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使裝置發(fā)揮最大的減振作用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明裝置中球型底槽及槽中自由空心鋼球組成TMD減振部分，在槽中填充飲用水組成TLD減振部分，提出了一種結(jié)合TLD與TMD的綜合控制裝置，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖I。該控制裝置能對(duì)高聳結(jié)構(gòu)提供水平各個(gè)方向的阻尼耗能作用和輸出控制力以被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；同時(shí)，該控制裝置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)需要調(diào)整控制力的大小以及裝置中組件的比例尺寸，以達(dá)到最佳的減振控制效果。技術(shù)方案本專(zhuān)利所發(fā)明的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置如圖2所示，其中包括頂板、頂板預(yù)留孔洞、圓柱形箱壁、防撞緩沖層、空心鋼球、球冠型底槽、錨固螺栓孔、裝置底盤(pán)、液體、鋼球中心圓孔、鋼球表面的摩擦層、結(jié)構(gòu)物、浮子；圓柱形箱壁的上端與頂板了連接，圓柱形箱壁的下端裝置底盤(pán)(見(jiàn)圖3)與連接，球冠型底槽的周邊與圓柱形箱壁的周邊連接，在圓柱形箱壁的內(nèi)壁與球冠型底槽交接線以上附著耐水的防撞緩沖層，空心鋼球(見(jiàn)附圖4)位于頂板、頂板預(yù)留孔洞、圓柱形箱壁所構(gòu)成的容器內(nèi)，在該容器內(nèi)注有液體?？招匿撉騼?nèi)部分填充砂石或不易揮發(fā)的液體?？招匿撉?、球冠型底槽的表面為凹、凸面。

空心鋼球、球冠型底槽的表面設(shè)有摩擦層。在頂板、頂板預(yù)留孔洞、圓柱形箱壁所構(gòu)成的容器內(nèi)安裝水浮子(13)，用來(lái)測(cè)量圓柱形箱中液體的高度，時(shí)刻保持液體在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。在所述的頂板預(yù)留孔洞可封閉。有益效果在控制高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)方面，該發(fā)明裝置減振效果較TMD或TLD要好，其中盛放的液體有助于調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率使TMD減振效果得以充分發(fā)揮，同時(shí)空心鋼球中部分填充更增加了減振輸出。該發(fā)明裝置控制高聳結(jié)構(gòu)的多階振型反應(yīng)，其效果較單ー控制結(jié)構(gòu)第一振型要好，且占用空間較小，安裝方便，成本較低，易于檢修。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和我國(guó)城市化建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，高層建筑必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，為本裝置的工程應(yīng)用提供了廣闊的發(fā)展空間。


圖I是減振裝置計(jì)算模型示意圖，圖2是本發(fā)明減振裝置結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)造示意圖，圖3是本發(fā)明減振裝置的固定底盤(pán)，圖4是圖2中擺動(dòng)的鋼球，圖5是本發(fā)明具體實(shí)施示意圖。圖中有頂板I ;頂板預(yù)留孔洞2 ;圓柱形箱壁3 ;防撞緩沖層4 ;空心鋼球5 ;球型槽6 ;錨固螺栓孔7 ;裝置底盤(pán)8 ;飲用水9 ;鋼球中心圓孔10 ;鋼球表面的摩擦層11 ;結(jié)構(gòu)物12 ;浮子13。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的裝置包括頂板I、頂板預(yù)留孔洞2、圓柱形箱壁3、防撞緩沖層4、空心鋼球5、球冠型底槽6、錨固螺栓孔7、裝置底盤(pán)8、液體9、鋼球中心圓孔10、鋼球表面的摩擦層11、結(jié)構(gòu)物12、浮子13 ;圓柱形箱壁3的上端與頂板I 了連接，圓柱形箱壁3的下端裝置底盤(pán)8與連接，球冠型底槽6的周邊與圓柱形箱壁3的周邊連接，在圓柱形箱壁3的內(nèi)壁與球冠型底槽6交接線以上附著耐水的防撞緩沖層4，空心鋼球5位于頂板I、頂板預(yù)留孔洞2、圓柱形箱壁3所構(gòu)成的容器內(nèi)，在該容器內(nèi)注有液體。對(duì)于空心鋼球在計(jì)算時(shí)可以簡(jiǎn)化成普通TMD裝置。根據(jù)相關(guān)研究，TMD減振系統(tǒng)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制能產(chǎn)生最優(yōu)控制效果吋，TMD系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的最優(yōu)取值范圍為a d=[O. 005，O. 02]，TMD系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼比的取值范圍為Id = [O. 03，O. 08]，TMD系統(tǒng)最優(yōu)阻尼比與最優(yōu)質(zhì)量比之間的關(guān)系公式為ξ d = 2. 5 a d+0. 005 (I)當(dāng)TMD的最優(yōu)阻尼比ξ d確定之后，即可求出TMD系統(tǒng)的阻尼系數(shù)cd。TLD可認(rèn)為是特殊的TMD裝置，因?yàn)樗鼈冇兄嗨频臏p振控制機(jī)理依據(jù)Housner方法可以確定出液體的等效晃動(dòng)質(zhì)量與彈簧剛度，同時(shí)TLD裝置中的液體(除邊界層)可認(rèn)為是無(wú)旋的，伯努利方程成立，可以得到圓柱形容器中液體提供的減振カ(略去邊界層的粘滯力)。本發(fā)明裝置中柱形箱的底面是球面，計(jì)算有一定的特殊性，在此簡(jiǎn)化成底面為平面的進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)結(jié)構(gòu)物沿y向的水平加速度為蟫，水箱底半徑為α，靜水深為h，基于 微幅波減振與流體力學(xué)的相關(guān)原理，可得TLD中水運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)函數(shù)Φ (r，Θ，z，t)為
-cosh(又 ^'-)成
Φ(Γ,θ,ζ, ) = α5 ηθ- ~ + —⑵
"=1cosh(^ ) a由上式可求得圓柱形TLD對(duì)結(jié)構(gòu)的控制カ為
Pu mUdjMit)⑶其中^+の=-辱(4)o)2Tn =—Sn tanh(^ -)(5)
ga mT = P 3i a2h dn == — tanh(^ -)(6)
Sn -I hSna式⑷中ωτη是TLD中水晃動(dòng)第η振型的頻率，ξ Τη是第η振型的阻尼比。TMD與TLD組成的綜合控制裝置，近似認(rèn)為其減振效果為兩者的疊加，井根據(jù)結(jié)構(gòu)控制的頻率段來(lái)調(diào)節(jié)TLD的振蕩頻率和TMD的自振頻率，同時(shí)，TLD還有助于調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的頻率以使結(jié)構(gòu)的頻率在TMD的減振頻段之內(nèi)，以達(dá)到最佳的減振效果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，該裝置中技術(shù)參數(shù)與材料屬性等按照以下要點(diǎn)來(lái)確定I)球型底面的曲率半徑R2、鋼球外徑R1、內(nèi)徑r及鋼球材料的最佳參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果確定；2)鋼球的表面和球型底面的接觸部位都涂有摩擦層，増加耗能，同時(shí)鋼球內(nèi)孔中可填充砂石或不易揮發(fā)的液體，但切勿裝實(shí)；3)水箱的底盤(pán)半徑R3、水箱的高度以及實(shí)際裝水的高度的最佳參數(shù)根據(jù)不同エ程項(xiàng)目由試驗(yàn)及有限元結(jié)果確定；4)為了防止鋼球2來(lái)回?cái)[動(dòng)幅度過(guò)大對(duì)箱壁3造成撞擊，故于箱壁3內(nèi)側(cè)附著緩沖材料層4 ；
5)為方便檢修，頂板I上預(yù)留孔洞2 (為了安全起見(jiàn)，該孔洞平時(shí)封閉)，同時(shí)為方便裝置與結(jié)構(gòu)物連接，預(yù)留螺栓孔洞6 ；6)增加水浮子，用于測(cè)定水箱水位并自帶預(yù)警補(bǔ)水功能。其合理水位由試驗(yàn)及有限元結(jié)果確定，但必須小于箱壁高度，防止結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)水充實(shí)而不能晃動(dòng)。 如圖5所示在制作安裝過(guò)程中本發(fā)明裝置可以分為I、II、III三部分，可以將三部分分別加工制作然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝焊接· I包括裝置底盤(pán)8、球型底槽6以及部分圓柱形箱壁3。這3個(gè)組件可以分別加エ然后進(jìn)行焊接，球型底槽8在I組裝完成后再涂上摩擦層材料，裝置底盤(pán)8上的錨固螺栓孔7的數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行確定；· II包括頂板I、頂板預(yù)留孔洞2、部分圓柱形箱壁3、防撞緩沖層4、浮子13。各個(gè)組件分別加工完成以后先將防撞緩沖層4固定在圓柱形箱壁3上，然后將帶有預(yù)留孔洞2的頂板I與圓柱形箱壁3焊接，在焊接前后安裝上浮子均可； · III只包括空心鋼球5。空心鋼球5可以采用整體澆鑄，澆鑄完成后首先表面就行處理，保證鋼球表面平滑，沒(méi)有多余的棱角，然后鋼球表面涂抹摩擦層材料，或者是在鋼球的澆鑄時(shí)模具經(jīng)過(guò)特殊處理以使?jié)茶T完成的鋼球表面有細(xì)微規(guī)則的凸凹。在I、II、III三部分分別組裝完成以后，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大拼裝以組合成本發(fā)明裝置。在任何一部分的組裝過(guò)程中焊縫都要進(jìn)行檢查，保證焊縫處不會(huì)發(fā)生漏水、滲水。
權(quán)利要求
1.一種高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，其特征是該減震控制裝置包括頂板(I)、頂板預(yù)留孔洞(2)、圓柱形箱壁(3)、防撞緩沖層(4)、空心鋼球(5)、球冠型底槽(6)、錨固螺栓孔(7)、裝置底盤(pán)(8)、液體(9)、鋼球中心圓孔(10)、鋼球表面的摩擦層(11)、結(jié)構(gòu)物(12)、浮子(13);圓柱形箱壁(3)的上端與頂板(I)連接，圓柱形箱壁(3)的下端與裝置底盤(pán)(8)連接，球冠型底槽(6)的周邊與圓柱形箱壁(3)的周邊連接，在圓柱形箱壁(3)的內(nèi)壁與球冠型底槽(6)交接線以上附著耐水的防撞緩沖層(4)，空心鋼球(5)位于頂板(I)、頂板預(yù)留孔洞(2)、圓柱形箱壁(3)所構(gòu)成的容器內(nèi)，在該容器內(nèi)注有液體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，其特征是空心鋼球(5)內(nèi)部分填充砂石或不易揮發(fā)的液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，其特征是空心鋼球(5)、球冠型底槽(6)的表面為凹、凸面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，其特征是空心鋼球(5)、球冠型底槽(6)的表面設(shè)有摩擦層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，其特征是在頂板(I)、頂板預(yù)留孔洞(2)、圓柱形箱壁(3)所構(gòu)成的容器內(nèi)安裝水浮子(13)，用來(lái)測(cè)量圓柱形箱中液體的高度，時(shí)刻保持液體高度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的綜合控制裝置，其特征是在所述的頂板預(yù)留孔洞(2)可封閉。
全文摘要
由于高聳結(jié)構(gòu)的剛度較小，在風(fēng)荷載作用下容易產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷或破壞，結(jié)構(gòu)的安全可靠度降低。本發(fā)明針對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)的綜合控制裝置。該裝置將TLD與TMD從理論與裝置兩方面結(jié)合起來(lái)，共同發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，能最大限度地為高聳結(jié)構(gòu)提供阻尼耗能作用和輸出控制力以減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)；同時(shí)，該減振裝置制作方便、可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要調(diào)整控制力的大小，并且可以通過(guò)調(diào)整鋼球與液體的比例來(lái)達(dá)到最佳的減振效果。另外該發(fā)明裝置占用空間較小，安裝方便，成本較低，且易于檢修。
文檔編號(hào)E04B1/98GK102677792SQ20111045789
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者于志國(guó), 劉海紅, 張新斌, 王作軍, 王浩 申請(qǐng)人:東南大學(xué), 中國(guó)江蘇國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作公司