用于结构模型减振试验的调谐质量阻尼器及设计方法

摘要

本发明公开了一种用于结构模型减振试验的调谐质量阻尼器（TMD），包括质量块、弹性元件、耗能元件及其支撑角钢；质量块采用圆环永磁铁及吸附其上的小铁块，弹性元件采用水平铝棒悬臂梁结构，耗能元件采用电磁阻尼，当质量块水平或竖向振动时，安装在支撑角钢上的铜板和铜管将切割运动永磁铁产生的磁感线，结构振动能量逐渐转化为热能消耗掉。本发明独特的结构设计使得TMD能够同时满足结构模型水平与竖向两个方向的减振试验要求；耗能元件所需的永磁铁直接作为TMD的质量块，结构紧凑；TMD的阻尼与频率参数完全分离，且可以做到定量化调节，实现结构模型横向或竖向减振试验TMD最优阻尼参数的精确模拟。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程结构试验技术领域，具体涉及一种用于结构模型减振试验的调谐质 量阻尼器及设计方法。

背景技术

大型建筑物(大跨度桥梁、高耸结构等)的调谐质量阻尼器(TMD)减振设计往往需要开 展结构模型的减振试验，以进行TMD参数的优化选取与减振效果验证。结构模型减振试验所 需的TMD特点是频率高(一般在6～15Hz之间，主要与结构模型的几何缩尺比有关)、质量小 (一般在0.2～3Kg之间，主要与结构模型的几何缩尺比以及TMD减振设计的质量比有关)，虽 然TMD减振技术目前已广泛应用于实际工程，但市场上的现有产品主要适用于实际工程应用， 结构模型减振试验所需的高频率、小质量TMD仍旧比较缺失。

公开文献《上海电视塔用TMD进行结构风振控制的风洞试验研究》(特种结构，1994年， 第3期，王肇民、李宇明、罗烈、朱照容著，14-17页)中，电视塔模型减振试验用水平TMD 的刚度系统采用竖向细钢丝模拟，阻尼系统采用运动塑料片与固定不动平台之间的摩擦提供；

《江阴500kV大跨越输电塔线体系模型风振控制试验研究》(山东建筑工程学院学报， 2002，第3期，苏速、邓洪洲著，7-12页)中，输电塔线体系模型减振试验用水平TMD的刚度 和阻尼系统采用康铜丝悬挂的小水箱模拟；

《基于TMD的斜拉桥钢塔涡振控制研究》(西南交通大学，2006，周友权)中，斜拉桥 桥塔模型减振试验用水平TMD的刚度系统采用小钢片模拟，阻尼系统采用小油盒提供，通过 调整油盒中油量的多少来调节TMD的阻尼大小；

《竖弯涡振控制的调谐质量阻尼器TMD参数优化设计》(浙江大学学报(工学版)，2012， 第1期，8-13页，郭增伟、葛耀君、卢安平著)中，主梁节段模型风洞试验减振用竖向TMD 的刚度系统采用竖向拉簧模拟，阻尼系统采用水箱模拟，通过调整有机玻璃盒内水的多少以 及中间隔板上孔隙的大小来改变TMD阻尼的大小；

以上结构模型减振试验用水平TMD的刚度系统主要采用悬臂梁结构，竖向TMD的刚度 系统主要采用弹簧模拟，只能实现TMD的单向运动，即水平向或竖向；阻尼系统主要采用油 盒、水箱的近似粘滞阻尼或摩擦阻尼提供，无法完成TMD减振试验所需的最优阻尼参数调整， 这就导致了结构模型TMD减振试验往往只能起到TMD减振效果的定性演示，无法真正为 TMD的减振优化设计提供定量决策。

专利号为94237943.8的“一种质量调谐质量阻尼器”实用新型专利公开了一种抑制桥梁 等杆式和塔状式建筑物的TMD减振装置，采用弹簧钢片悬臂结构作为TMD的刚度系统，在附 加质量块与盒体侧面沿振动方向设置橡胶阻尼构件作为阻尼系统，该发明已成功应用于我国 九江长江大桥刚性吊杆的风致振动控制。但应用该发明进行结构模型减振试验时，仍将存在 阻尼参数难以调整、精确模拟的问题，且TMD的刚度与阻尼未能完全分离。

专利号为201010022003.7的“永磁式电涡流调谐质量阻尼器”发明专利公开了一种适用 于桥梁刚性吊杆的与输电塔高耸结构的风致水平振动控制，采用圆柱拉伸弹簧作为TMD的弹 性元件，并通过摩擦较小的直线轴承导向，采用电涡流作为阻尼元件，很好地实现了TMD刚 度元件与阻尼元件的有效分离。从理论上，其可以适用于结构模型的水平减振试验用，但根 据汪志昊、陈政清与王建辉在《钢拱桥刚性细长吊杆减振用调谐质量阻尼器的试验研究》(科 学技术与工程，2013，第19期，5555-5560页)论文中的试验结果，该类TMD由轴承产生的摩 擦阻尼比高达7～10％，基本无需附加电涡流阻尼，TMD的阻尼比已大于7％左右的目标设计值， 而且无法模拟实际TMD的线性粘滞阻尼，从而无法实现结构模型减振试验TMD最优阻尼参数 的精确模拟。

专利号为201010136256.7的“控制建筑结构三维平动及水平扭转的调谐质量阻尼器及其 制作方法”发明专利与专利号为201220679425.6的“双向水平可调式调谐质量阻尼器”实用 新型专利根据结构多维减振的需要，从不同角度提出了多向TMD的构造及其实现方法，但这 两项专利中TMD多个方向的运动均需单独设置独立的阻尼元件与刚度元件，仅共享了质量 块，系统仍较为复杂。

发明内容

本发明针对现有结构模型减振试验用TMD难以完成TMD减振试验所需最优阻尼参数的 精确调整，导致结构模型TMD减振试验只能起到TMD减振效果的定性演示，无法真正为TMD 的减振优化设计提供定量决策参考，以及竖向与水平向TMD需要单独进行制作等问题，提供 一种阻尼参数简单可调，阻尼与刚度参数完全分离，且同时满足结构模型水平或竖向减振试 验需要的调谐质量阻尼器装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于结构模型双向减振试验的调谐 质量阻尼器，包括底板、竖板、质量块、弹性元件、耗能元件以及用来固定耗能元件的支撑 装置，其特征在于：竖板固定在底板一端，底板另一端固定有支撑装置，弹性元件采用悬臂 梁，悬臂梁固定端水平固定在竖板上，自由端端部安装有质量块，质量块由永磁铁及附着在 其上的铁块组成，耗能元件由竖直固定在支撑装置上的铜板、以及水平固定在铜板上的铜管 组成。

基上所述，悬臂梁采用实心圆形铝棒制作，铝棒固定端设有圆形底座。

基上所述，支撑装置采用角钢，铜管外包裹有铁片，铁片通过螺栓螺母将导体铜管束紧。

基上所述，角钢底部开有两个腰型孔，角钢通过沉头螺栓螺母与底板相连，实现角钢在 底板上的水平移动。

基上所述，永磁铁为轴向充磁的圆环形永磁铁。

基上所述，导体铜管相对永磁铁的外伸轴向长度大于永磁铁厚度的2倍，导体铜管与永 磁铁的水平、竖向净距分别大于水平、竖向TMD的设计位移振幅，导体铜板与永磁铁的轴向 净距控制在3～5mm。

本发明还提供了上述结构模型双向减振试验的调谐质量阻尼器的设计方法，主要包括如 下步骤：

1)首先确定减振试验调谐质量阻尼器质量m_TMD、频率f_TMD、阻尼比ξ_TMD；

2)确定铝棒的尺寸(长度l、直径D)，铝棒刚度系数为而 k＝k_TMD＝m_TMD(2πf_TMD)²，因此有$\frac{D^4}{l^3}=\frac{64m_{\mathrm{TMD}}{\left(2\pi f_{\mathrm{TMD}}\right)}^2}{3\mathrm{\pi E}}···\left(1\right)$

其中，k为铝棒刚度系数，EI表示铝棒的抗弯惯性矩，E为铝棒材的弹性模量，I是材 料横截面对弯曲中性轴的惯性矩，根据式(1)，通过试算D的尺寸来确定l的长度，在试算的 同时验算铝棒的应力与变形是否满足结构安全与正常使用状态要求；

3)确定耗能元件的材料与尺寸，根据TMD的目标阻尼参数c_TMD＝2m_TMD(2πf_TMD)ξ_TMD， 以及电磁阻尼系数简化计算公式c＝σδSB²(σ与δ分别表示导体的导电系数、厚度，S表 示永磁铁在导体板上的投影面积，B表示永磁铁主磁感应强度的大小)与c＝c_TMD，即可通 过试算确定TMD耗能元件相关构件的尺寸；

4)确定质量块配重，根据步骤3)确定的永磁铁尺寸计算单块永磁铁的质量m，如果 m≤m_TMD，则在永磁铁上附加一个质量为m_TMD-m的铁块；

5)确定剩余构件的尺寸与细节连接。

本发明的有益效果是：

1、TMD的刚度元件选用圆柱体形状的铝棒，水平与竖向截面惯性矩相同，当结构模型 水平或竖向振动时，铝棒上的质量块也随之水平或竖向振动，从而单台TMD装置就能满足 结构模型水平或竖向减振试验的需要，且铝材弹性模量仅为钢材的1/3，对应给定的TMD设 计频率，铝材截面尺寸相对较大，长度相对较小，便于TMD设计、制作与安装，以很好地 适应模型试验的小尺寸要求；

2、永磁铁在导体铜管外侧的铁片、导体铜板外侧的角钢共同包围下，使得更多的磁感线 可以穿过导体，减少了磁路损耗，从而提高了TMD电磁阻尼的工作效率；

3、通过沉头螺栓螺母与底板相连的角钢底部开有两个腰型孔，可实现角钢在底板上的水 平移动，继而很方便地实现TMD阻尼参数的调整，另外，TMD阻尼参数的调节还可通过调 整磁路中磁感应强度的大小实现，如增加或减小永磁铁的外径(内径保持不变)，增加或减小 永磁铁的数量，改变永磁铁的标号(即磁性强弱)等实现，TMD刚度参数的调整，则可通过 调整永磁铁在带座铝棒的安装位置、增加或减小永磁铁的数量、增加或减小附加在永磁铁的 配重铁块实现；

4、结构系统无摩擦阻尼，即固有阻尼很小，为电磁阻尼的调节设定了极低的下限，此外 还实现了TMD阻尼与刚度的完全分离。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是图1中A-A截面结构简图；

图3是图1中B-B截面结构简图。

图中标号的具体含义为：1、竖板，2、螺栓螺母，3、悬臂梁，4、圆环永磁铁，5、铜管， 6、铁片，7、角钢，8、铜板，9、沉头螺栓螺母，10、螺栓螺母，11、沉头螺栓螺母，12、 底板，13、螺栓螺母。

具体实施方式

下面结合附图就较佳实施例对本发明作进一步详细说明：

参见图1，图2，图3，一种用于结构模型双向减振试验的调谐质量阻尼器，包括底板12、 竖板1、质量块、弹性元件、耗能元件以及用来固定耗能元件的支撑装置，竖板1固定在底 板12一端，底板12另一端固定有支撑装置，支撑装置采用角钢7，角钢7底部开有两个腰 型孔，通过沉头螺栓螺母11与底板相连，实现角钢在底板上的水平移动，弹性元件采用悬臂 梁3，悬臂梁3由弹性模量较小的实心铝棒制成，悬臂梁3固定端水平固定在竖板1上，自 由端固设有质量块，质量块采用圆环永磁铁4，圆环永磁铁4套接在悬臂梁3自由端，并用 结构胶固定，耗能元件由竖直固定在角钢上的铜板8、以及水平固定在铜板8上的铜管5组 成，铜板8通过通过沉头螺栓螺母9固定在角钢7上，铜管5外侧设有铁皮6，铁皮通过螺 栓螺母10固定在角钢7上，并通过螺栓螺母13将导体铜管5束紧。通过试验结果分析，铜 管相对永磁铁的外伸轴向长度大于永磁铁厚度的2倍，铜管与永磁铁的水平、竖向净距分别 大于水平、竖向TMD的设计位移振幅，铜板与永磁铁的轴向净距控制在3～5mm较佳。

本发明的工作原理如下：进行结构模型减振试验时，将TMD的底板12固定于模型上， 当模型产生水平振动时，引起固定在悬臂梁3上质量块的水平振动，铜管5主要切割竖向磁 感线，铜板8主要切割轴向磁感线，在铜板8形成的电涡流及电磁阻尼起控制作用；当模型 产生竖向振动时，引起固定在悬臂梁3上质量块的竖向振动，铜管5主要切割水平向磁感线， 铜板8主要切割轴向磁感线，在铜板8形成的电涡流及电磁阻尼仍起控制作用，根据实际测 试的TMD阻尼参数大小情况，当阻尼小于目标设计值时，调节角钢7在底板12的位置使其 靠近永磁铁，从而增大TMD的阻尼；当阻尼大于目标设计值时，调节角钢7在底板12的位 置使其远离永磁铁，从而减小TMD的阻尼。

下面就具体实施例来进一步阐述本发明的设计方案：某人行桥模型减振试验所需的水平 与竖向TMD，质量m_TMD为0.45kg，频率f_TMD为10Hz，阻尼比ξ_TMD为6.09％。设计步骤如下： (1)确定弹性元件-铝棒的尺寸(长度l、直径D)。铝棒刚度系数为(EI表示铝棒 的抗弯惯性矩，其中，E为铝棒材的弹性模量，I是材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩， E＝72GPa，)，则有k＝k_TMD＝m_TMD(2πf_TMD)²＝1774.73N/m；通过试算D 的尺寸来确定l的长度(同时验算铝棒的应力与变形是否满足结构安全与正常使用状态要求)； 通过查铝棒规格表，选取直径D＝6mm的铝棒，此时TMD计算长度为19.77cm，铝棒端部挠 度为2.48mm，2.48/197.7＝0.012(变形完全在可接受范围内)；最终铝棒长度、直径分别确定 为20cm、0.6cm，能满足模型减振试验的小尺寸要求。

(2)确定耗能元件的材料与尺寸。根据TMD的目标阻尼参数 c_TMD＝2m_TMD(2πf_TMD)ξ_TMD＝3.44Ns/m，以及电磁阻尼系数简化计算公式c＝σδSB²(σ与δ分 别表示导体的导电系数、厚度，S表示永磁铁在铜板上的投影面积，B表示永磁铁主磁感应 强度的大小)与c＝c_TMD，即可确定TMD耗能元件相关构件的尺寸；通过试算，永磁铁选 用钕铁锰N52型，B取0.5T，铜板8厚度δ取1cm，则计算得到永磁铁充磁面积S为24.57cm²， 当永磁铁参数外径取3cm，内径取0.3cm(与铝棒半径相同)，此时截面积为27.97cm²，考虑 到理论计算(忽略了磁场泄露与趋肤效应)稍大的永磁铁面积可以更好地满足设计要求；最 终永磁铁的外径、内径与长度分别为3cm、0.3cm与2cm，导体铜板的厚度为1cm，铜管厚度 取较薄的3mm即可(理论计算时忽略其对TMD耗能的贡献)。

(3)确定质量块配重。根据第(2)步确定的永磁铁尺寸，计算得到单块永磁铁的质量 为0.42kg，因此相对TMD的设计质量0.45kg，在永磁铁上仍需附加吸附0.03kg的小铁块。

(4)确定剩余构件的尺寸与细节连接。

最后应当说明的是：上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案 的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。