一种结构物的三向振动控制方法及三向振动控制器

摘要

本发明提供了一种结构物的三向振动控制方法，具体是利用安装在结构物上的三向振动控制器，从竖向、横向及扭转方向控制结构物的振动。本发明还提供了三向振动控制器，其结构是：包括质量块(2)，其侧部装有与结构物相连的阻尼(4)和第二弹簧(5)，其底部装有与结构物相连的阻尼(4)和第一弹簧(3)。本发明可弥补现有TMD、MTMD不能同时具有抗水平、竖向以及空间扭转振动的缺陷，最大限度地保护结构物，并且结构简单、使用可靠和应用前景好。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域，特别是涉及一种结构物的三向振动控制方法及三向振动控制器，其主要用于房屋建筑和桥梁工程中大跨度梁的振动控制。

背景技术

20世纪，世界桥梁工程取得巨大成就，大跨桥梁如雨后春笋般诞生。如连通本州一四国的日本明石大桥(悬索桥)，单跨1990m；我国的润扬长江大桥(悬索桥)，跨度1490m。桥梁的大跨、轻质及柔性的趋势越来越强势，但随之而产生的桥梁结构的安全性、风振稳定性等难题显著增大。

进入21世纪，世界桥梁工程将进入跨海联岛的桥梁建设新时期。我国桥梁工程的崛起，全世界瞩目，大跨度悬索桥及斜拉桥的建设水平跃居世界先进行列。我国已大力组织规划跨海工程，如珠江口的伶仃洋通道，舟山联岛工程。项海帆院士预计“21世纪的中国将在桥梁建设中做出辉煌的成就，屹立于世界桥梁强国之列”(见文献[1])。

桥梁建设的发展需以桥梁理论的发展为基础。所以，桥梁风振理论、计算流体动力学理论、气动参数识别的改造及超大跨桥梁的抗风措施(如桥梁振动控制措施)等方面的研究尤显重要。

实际上，国内外学者已就桥梁振动理论及桥梁振动控制作了大量的研究工作。

1972年，姚浩平(J.T.P.Yao)教授首次提出“结构控制”理论，从而开创了结构控制研究的新时期。结构控制分三大部分：结构特性的自感知、结构使用性能的自诊断、结构响应的自动控制。

结构特性的自感知和结构性能的自诊断，即为结构特性的自动监测和自动诊断。为此，欧进萍院士等人对黑龙江呼兰河大桥采用光纤光栅智能监测技术^[2]及李惠教授等人采用集成技术对大型桥梁进行智能健康监测^[3]。这些监测技术，对快速准确地监测桥梁的应变、温度变形等性能大显特效，对桥梁健康诊断提供可靠依据。

结构响应的自动控制研究已有30多年的历程。顾明教授等对大跨桥梁的颤动及抖振控制^[4]作了很好的综述，并分别采用空气动力学措施和机械阻尼装置等措施控制桥梁颤振、抖振，并提出“抖振选型”的概念。文献[5]通过数值方法和试验证明了调频质量阻尼器(Tuned Mass Dampers，简称TMD)提高桥梁颤振临界风速的有效性。文献[6]用TMD控制桥梁涡激共振，推出TMD最优参数公式，通过算例证明：TMD使桥梁涡激振动的位移减小46％。TMD的结构如图5所示：由一个质量块6、一个弹簧7、一个阻尼8及若干滚轮9(钢球或叠层橡胶等)组成；由此4种物件构造的体系连于结构物10上。与结构物间产生相对位移、速度，从而产生弹簧力和阻尼力，这两种力可减少风或地震的部分作用。此设备已在美国、日本、新西兰等国应用。TMD的最大缺陷是仅能减小来自某一单方面的例如单向或双向振动的问题。

文献[7，8，9]采用多重TMD((Multi-Tuned Mass Dampers，以后简称MTMD)及杠杆式TMD对扬浦大桥进行抖振控制。所谓多重TMD即为多个TMD；所谓杠杆式TMD即在TMD中加入刚性杆，此可克服传统悬吊式TMD占用空间大的缺点，它较方便安装于箱梁等不充分的空间内，文中设计了对应不同质量比的7种TMD系统，研究表明：MTMD系统比单个TMD系统的控制效果要好。

以上研究主要反映了TMD、MTMD等控制器及其控制理论的进展，但不能解决多功能控制结构物例如桥梁的三方向振动控制，所谓三方向是指上下、左右和扭转方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构物的三向振动控制方法及三向振动控制器，以便解决结构物的三方向的振动控制问题，从而保护包括房屋建筑、桥梁等结构物不受损伤之目的。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的三向振动控制的方法是：利用安装在结构物上的三向振动控制器，从竖向、横向及扭转方向控制结构物的振动。

本发明提供的三向振动控制器，其结构是：包括质量块，其侧部装有与结构物相连的阻尼和第二弹簧，其底部装有与结构物相连的阻尼和第一弹簧。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点：

其一.由于采用了水平及竖直方向的阻尼和弹簧，故可减小结构物例如大跨桥梁在风振及车辆作用下造成的桥梁在竖向和横向的振动，甚至扭转。这是TMD、MTMD所不能实现的。

其二.从三方向减小结构物的振动，可最大限度地保护结构物。

其三.控制效果好，尤其对大跨桥梁的扭转振动控制极为显著。

其四.结构简单，安装简便，利于推广，应用前景好。

总之，本发明的出现，可弥补现有TMD、MTMD不能同时具有抗水平、竖向以及空间扭转振动的缺陷，最大限度地保护结构物，并且结构简单、使用可靠和应用前景好。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

图2是本发明的主视图。

图3是图2的B-B剖视图。

图4是图2的A-A剖视图。

图5是现有TMD的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的三向振动控制的方法是：利用安装在结构物上的三向振动控制器，从竖向、横向及扭转方向控制结构物的振动。

本发明提供的三向振动控制器，其结构如图2至图4所示：包括质量块2，其侧部装有与结构物相连的阻尼4和第二弹簧5，其底部装有与结构物相连的阻尼4和第一弹簧3。

上述的结构物是指房屋建筑、桥梁或其它需要控制振动的结构。所述质量块2为材质致密型物块，例如钢筋混凝土块、钢块、混凝土框与人工处理成型的土体的组合体；其外形为长方体、正方体、球体或椭球体等。

本发明提供的三向振动控制器，可装在结构物的顶部和振动较为敏感的薄弱部位。

例如，三向振动控制器装在桥梁的箱梁1上时(见图1)，其中：与质量块2侧部相连的阻尼4和第二弹簧5，在水平方向与箱梁1的侧部(如箱壁或竖杆)相连；与质量块2底部相连的阻尼4和第一弹簧3，在竖直方向，由两排弹簧(靠近质量块两端)与桥梁底部(如箱梁底)联结。

下面结合附图简述本发明三向振动控制器在桥梁中的工作过程：

当桥梁发生横向振动时，第二弹簧5和阻尼器4发生作用，耗能减振；当桥梁发生竖向振动时，第一弹簧3和阻尼器4发生作用，耗能减振；当桥梁发生扭转时，第一弹簧3、第二弹簧5和阻尼器4均发生作用，耗能减振，减少结构空间的扭转振动。

参考文献：

[1]项海帆.进入21世纪的桥梁风工程研究.同济大学学报，2002，30(5)：529-532

[2]欧进萍，周智，武湛君.黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能检测技术.土木工程学报，2004，37(1)：45-49

[3]李惠，周文松，欧进萍.大型桥梁结构智能健康检测系统集成技术研究.土木工程学报，2006，39(2)：46-52

[4]顾明，项海帆.大跨桥梁的颤振及抖振控制.中国科学基金，1998，(3)：129-132

[5]Gu M，Chang C C，Wu W et al.Increase of flutter critical wind speed usingtuned mass dampers of long-span bridges.J.of Wind Eng.&Indust.Aerodyn.1998，73：111-123.

[6]项海帆，陈艾荣，顾明.调质阻尼器(TMD)对桥梁涡激共振的抑制.同济大学学报，1994，22(2)：159-164

[7]顾明，陈人，项海帆.用于杨浦大桥抖振控制的MTMD研究.振动工程学报，1998，11(11)：1-8

[8]Jianzhong Li；Mubiao Su；and Lichu Fan.Vibration Control of RailwayBridges under High Speed Trains Using Multiple Tuned Mass Dampers.Journal ofbridge engineering，2005；10(3)：312-320

[9]C.C.Chang，M.ASCEl；M.Gu；and K.H.Tang.Tuned Mass Dampers forDual-Mode Buffeting Control of Bridges.Journal of bridge engineering，2003；8(4)：237-240