專利名稱：一種高聳結構風致振動的綜合控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高聳結構風致振動的綜合控制裝置，尤其適用于抑制土木工程高聳結構風作用下的振動反應。
背景技術：
風災是人類社會面臨的幾種主要自然災害之一，毎年都會給人類造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。全球毎年由于風災造成的直接經(jīng)濟損失可達數(shù)百億美元，在我國毎年平均約有7-8個臺風或強熱帶風暴登陸，風災給我國造成了嚴重的各項損失。土木工程結構在風作用下的損害是風災帶來損失的重要組成部分。高聳結構所承受的主要荷載有結構自重、檢修活荷載、風荷載和地震作用；由于高聳結構的剛度較小，容易產(chǎn)生較大幅度的振動，從而導致結構的疲勞損傷或破壞，降低結構的安全可靠度，所以風荷載通常是此類結構的水平控制荷載，高聳結構的風致振動控制問 題備受關注。風荷載對高聳結構的作用有靜カ和動カ兩個方面靜カ方面主要表現(xiàn)為使結構產(chǎn)生較大的水平側移；動カ方面則表現(xiàn)為不僅會使結構產(chǎn)生水平側移還會使結構產(chǎn)生振動，即風振。對于風致振動的減振控制措施包括空氣動力學措施和安裝減振裝置。在許多高聳結構中，空氣動力學措施只能起到一定程度的減振作用，并不能完全滿足工程的需求，在此情況下，減振裝置TMD與TLD被應用于建筑結構中。TMD是結構被動減振控制體系的ー種，由主結構和子結構兩部分組成，其中子結構包括固體質(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，可以通過改變質(zhì)量或剛度來調(diào)節(jié)子結構的自振頻率，以使子結構的自振頻率接近主結構的基本頻率或激振頻率，當主結構受到激勵振動時，子結構會產(chǎn)生ー個與主結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上，使主結構的振動反應衰減，以達到振動控制的作用。TLD是利用固定水箱中的液體在晃動過程中產(chǎn)生的動側壓力來提供減振カ的，在激振カ的作用下，TLD中的液體產(chǎn)生晃動，并在液體表面形成波浪，晃動的液體和波浪對TLD的箱壁產(chǎn)生動壓カ差，同時液體運動也產(chǎn)生慣性力，二者共同形成了 TLD的減振作用。近年來TMD和TLD的研究取得了較大進展，在高層結構或高聳結構中有許多成功應用案例；但在振動過程中，結構固有頻率的偏移對TMD或TLD的減振效果造成影響，由此提出利用MTMD解決問題卻使得每個質(zhì)量塊的有效性無法得到充分的發(fā)揮，造成了減振裝置的浪費。相關學者提出了將TMD與TLD結合進行被動減振控制的理論，但沒有涉及到高聳結構在風致振動下的減振問題，并且都將TMD與TLD作為獨立裝置進行結合。本發(fā)明提出了一種高聳結構風致振動的綜合控制裝置，將TLD與TMD從理論與裝置兩方面結合起來，共同發(fā)揮二者的優(yōu)勢，取長補短，使裝置發(fā)揮最大的減振作用。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(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，提出了一種結合TLD與TMD的綜合控制裝置，其計算簡圖見圖I。該控制裝置能對高聳結構提供水平各個方向的阻尼耗能作用和輸出控制力以被動控制結構的振動；同時，該控制裝置可以根據(jù)結構需要調(diào)整控制力的大小以及裝置中組件的比例尺寸，以達到最佳的減振控制效果。技術方案本專利所發(fā)明的高聳結構風致振動的綜合控制裝置如圖2所示，其中包括頂板、頂板預留孔洞、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、液體、鋼球中心圓孔、鋼球表面的摩擦層、結構物、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(見圖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(見附圖4)位于頂板、頂板預留孔洞、圓柱形箱壁所構成的容器內(nèi)，在該容器內(nèi)注有液體。空心鋼球內(nèi)部分填充砂石或不易揮發(fā)的液體。空心鋼球、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有摩擦層。在頂板、頂板預留孔洞、圓柱形箱壁所構成的容器內(nèi)安裝水浮子(13)，用來測量圓柱形箱中液體的高度，時刻保持液體在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。在所述的頂板預留孔洞可封閉。有益效果在控制高聳結構風致振動方面，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)結構的振動頻率使TMD減振效果得以充分發(fā)揮，同時空心鋼球中部分填充更增加了減振輸出。該發(fā)明裝置控制高聳結構的多階振型反應，其效果較單ー控制結構第一振型要好，且占用空間較小，安裝方便，成本較低，易于檢修。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和我國城市化建設的進一步推進，高層建筑必將得到越來越廣泛的應用，為本裝置的工程應用提供了廣闊的發(fā)展空間。


圖I是減振裝置計算模型示意圖，圖2是本發(fā)明減振裝置結構的整體構造示意圖，圖3是本發(fā)明減振裝置的固定底盤，圖4是圖2中擺動的鋼球，圖5是本發(fā)明具體實施示意圖。圖中有頂板I ;頂板預留孔洞2 ;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8 ;飲用水9 ;鋼球中心圓孔10 ;鋼球表面的摩擦層11 ;結構物12 ;浮子13。
具體實施例方式本發(fā)明的裝置包括頂板I、頂板預留孔洞2、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8、液體9、鋼球中心圓孔10、鋼球表面的摩擦層11、結構物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、頂板預留孔洞2、圓柱形箱壁3所構成的容器內(nèi)，在該容器內(nèi)注有液體。對于空心鋼球在計算時可以簡化成普通TMD裝置。根據(jù)相關研究，TMD減振系統(tǒng)對高聳結構風振控制能產(chǎn)生最優(yōu)控制效果吋，TMD系統(tǒng)與結構質(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)量比之間的關系公式為ξ d = 2. 5 a d+0. 005 (I)當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可認為是特殊的TMD裝置，因為它們有著相似的減振控制機理依據(jù)Housner方法可以確定出液體的等效晃動質(zhì)量與彈簧剛度，同時TLD裝置中的液體(除邊界層)可認為是無旋的，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，計算有一定的特殊性，在此簡化成底面為平面的進行計算。假設結構物沿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的相關原理，可得TLD中水運動的速度勢函數(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對結構的控制カ為
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，近似認為其減振效果為兩者的疊加，井根據(jù)結構控制的頻率段來調(diào)節(jié)TLD的振蕩頻率和TMD的自振頻率，同時，TLD還有助于調(diào)節(jié)結構的頻率以使結構的頻率在TMD的減振頻段之內(nèi)，以達到最佳的減振效果。在實際工程應用中，該裝置中技術參數(shù)與材料屬性等按照以下要點來確定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)試驗及有限元分析結果確定；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；3)水箱的底盤半徑R3、水箱的高度以及實際裝水的高度的最佳參數(shù)根據(jù)不同エ程項目由試驗及有限元結果確定；4)為了防止鋼球2來回擺動幅度過大對箱壁3造成撞擊，故于箱壁3內(nèi)側附著緩沖材料層4 ；
5)為方便檢修，頂板I上預留孔洞2 (為了安全起見，該孔洞平時封閉)，同時為方便裝置與結構物連接，預留螺栓孔洞6 ；6)增加水浮子，用于測定水箱水位并自帶預警補水功能。其合理水位由試驗及有限元結果確定，但必須小于箱壁高度，防止結構振動時水充實而不能晃動。 如圖5所示在制作安裝過程中本發(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)場進行組裝焊接· I包括裝置底盤8、球型底槽6以及部分圓柱形箱壁3。這3個組件可以分別加エ然后進行焊接，球型底槽8在I組裝完成后再涂上摩擦層材料，裝置底盤8上的錨固螺栓孔7的數(shù)目可以根據(jù)實際需要進行確定；· II包括頂板I、頂板預留孔洞2、部分圓柱形箱壁3、防撞緩沖層4、浮子13。各個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?？招匿撉?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模具經(jīng)過特殊處理以使?jié)茶T完成的鋼球表面有細微規(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)場進行大拼裝以組合成本發(fā)明裝置。在任何一部分的組裝過程中焊縫都要進行檢查，保證焊縫處不會發(fā)生漏水、滲水。
權利要求
1.一種高聳結構風致振動的綜合控制裝置，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(8)、液體(9)、鋼球中心圓孔(10)、鋼球表面的摩擦層(11)、結構物(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(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)、頂板預留孔洞(2)、圓柱形箱壁(3)所構成的容器內(nèi)，在該容器內(nèi)注有液體。
2.根據(jù)權利要求I所述的高聳結構風致振動的綜合控制裝置，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)權利要求I所述的高聳結構風致振動的綜合控制裝置，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)權利要求I所述的高聳結構風致振動的綜合控制裝置，其特征是空心鋼球(5)、球冠型底槽(6)的表面設有摩擦層。
5.根據(jù)權利要求I所述的高聳結構風致振動的綜合控制裝置，其特征是在頂板(I)、頂板預留孔洞(2)、圓柱形箱壁(3)所構成的容器內(nèi)安裝水浮子(13)，用來測量圓柱形箱中液體的高度，時刻保持液體高度在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。
6.根據(jù)權利要求I所述的高聳結構風致振動的綜合控制裝置，其特征是在所述的頂板預留孔洞(2)可封閉。
全文摘要
由于高聳結構的剛度較小，在風荷載作用下容易產(chǎn)生較大幅度的振動，從而導致結構的疲勞損傷或破壞，結構的安全可靠度降低。本發(fā)明針對高聳結構的風致振動問題，開發(fā)了一種抑制結構振動的綜合控制裝置。該裝置將TLD與TMD從理論與裝置兩方面結合起來，共同發(fā)揮優(yōu)勢，取長補短，能最大限度地為高聳結構提供阻尼耗能作用和輸出控制力以減少結構振動；同時，該減振裝置制作方便、可根據(jù)結構需要調(diào)整控制力的大小，并且可以通過調(diào)整鋼球與液體的比例來達到最佳的減振效果。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E04B1/98GK102677792SQ20111045789
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權日2011年12月30日
發(fā)明者于志國, 劉海紅, 張新斌, 王作軍, 王浩 申請人:東南大學, 中國江蘇國際經(jīng)濟技術合作公司