可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器

摘要

本发明公开了可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器，包括方斗型水箱、可抽插隔板、初始双层隔板、隔板固定装置、浮板、浮板固定装置、隔板半主动控制装置。水箱的形态是方斗型，并在水箱中加入可改变孔洞大小的隔板，提高TLD系统阻尼比，增加液体能量耗散，同时通过半主动控制使隔板进行前后左右多方向移动，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，这样TLD始终能提供最大的减振力。在水箱水面施加分布式浮板，结构发生振动时，分布式浮板能很好地抑制水箱中液体过度晃荡及波浪破碎情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，最终实现多方位调谐液体减振。本发明属于土木工程抗风、抗震和耗能减震技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种，可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器，属于土木工程抗风、抗震和耗能减震技术领域。

背景技术

近年来，土木工程领域越来越重视结构振动控制技术，各种类型的阻尼器广泛应用于各种建筑结构中，用来抵抗风荷载与地震荷载对建筑物产生的不良影响。其中调谐质量阻尼器(英文名为Tuned Mass Damper，TMD)和调谐液体阻尼器(英文名为Tuned LiquidDamper，TLD)相较于其他类型的阻尼器更受人们青睐。TLD是一种有效的结构减振控制装置。它是利用固定容器(水箱)中液体在晃动过程中产生的动侧压力来提供减振力的，从能量的角度来看，它是依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量。与TMD相比，TLD装置具有造价低，易安装，维护少，自动激活性能好，容易匹配调谐频率等优点。所以，TLD在土木工程领域一经提出，便很快运用到了实际结构的减振中。一般根据TLD内液深与振动方向的尺寸之比将其分为深水TLD和浅水TLD。当液深与振动方向尺寸之比大于1/8的水箱为深水TLD，否则为浅水TLD。浅水TLD，较相同质量的深水TLD减振效果更加理想，但理论模型不成熟，用途单一，造价较高，占地空间大。在深水条件下，液体在晃动时液面振幅较小，可忽略水晃动的非线性，液体晃动符合线性假设，从而建立深水水箱内液体晃动方程。在高层建筑中，一般的生活水箱、消防水箱都符合深水理论的适用范围，所以深水理论在应用上具有明显的实际意义，并且深水理论计算并不繁琐，造价较低，既可做阻尼器又可做消防及生活用水比较适合应用于实际工程中的TLD水箱设计，但减震效果欠佳。

对于传统的TLD装置，当水箱受到外部激励时，容器内的水会发生较大幅度晃动，而激励频率与水箱自振频率接近时，水箱内水的晃动会更加剧烈，进而会影响到结构的使用功能。由于纯水提供的粘性阻尼较小，不能较好地抑制水的晃动，为克服这一缺点，可以通过在水箱内部设置障碍物如格栅、挡板、立柱等来提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散，最终达到增强TLD减振效果的目的。

基于以上原理，本专利通过将传统TLD矩形水箱的形态改造成方斗型水箱，四侧围板与箱底均非垂直正交，具有一定的倾角，可以通过改变液体深度来校准其固有频率，这使得TLD更适合半主动控制，并以更少的质量达到相同的性能水平。方斗型斜底式TLD由于水波在斜面上运动所产生的非线性效应而表现出软弹簧的特性，使用同等质量的液体，方斗型斜底式TLD所产生的液体晃动力，要比等效的普通箱型TLD大，晃动液体质量比例的增加，使方斗型斜底式TLD在受到外部激励时能耗散更多的能量，减振效率大大增加。在深水水箱中央位置布置可改变孔洞大小的隔板，隔板的作用是改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散。通过半主动控制使隔板进行上下左右多方向移动，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，让TLD始终能提供最大的减振力，同时在水箱水面施加分布式浮板，浮板较水面相比坚硬的多，它可以防止波浪破裂，即使在大振幅下，TLD中液体的动力响应也是线性的。结构发生振动时，分布式浮板能很好地抑制水箱中液体过度晃荡及波浪破碎情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，实现多方位调谐液体减振，最终深水水箱减振效果得以大大改善。可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器，是将传统调谐液体阻尼器(英文名为Tuned Liquid Damper，TLD)矩形水箱的形态改造成方斗型水箱，并在水箱中加入可改变孔洞大小的隔板，提高TLD系统阻尼比，增强液体能量耗散，同时通过半主动控制使隔板进行前后左右多方向移动，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，这样TLD始终能提供最大的减振力。在水箱水面施加分布式浮板，结构发生振动时，分布式浮板能很好地抑制水箱中液体过度晃荡及波浪破碎情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，最终实现多方位调谐液体减振。

发明内容

本发明提出可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器。该调谐液体阻尼器可以有效地减少水箱内液体晃动，显著增强TLD的减振效果。本发明是一种适用于各种建筑结构中，用来抵抗风荷载与地震荷载对建筑物产生的不良影响的新型调谐液体阻尼器，其功能在于实现半主动控制隔板多方位进行移动，且能够随时改变隔板的孔径大小，使得TLD的调谐频率始终在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，这样TLD始终能提供最大的减振力，并且隔板的加设可以提高TLD系统阻尼比，增加液体能量耗散，分布式浮板的加设可以有效减小碎波效应，使得整个阻尼器的行为呈现线性，最终使得深水水箱减振效果得以大大改善。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器，主要包括方斗型水箱1、可抽插隔板2、初始双层隔板3、隔板固定装置4、浮板5、浮板固定装置6、隔板半主动控制装置7、液体参数传感器8、终端控制器9、加载器连接线10、加载器11、控制器连接线12。方斗型水箱1中央位置设置隔板体系，该隔板体系可以随时更改其孔径大小。隔板体系与隔板半主动控制装置7相连，隔板半主动控制装置7可通过杠杆原理控制隔板体系进行前后、左右方向旋转，可有效增大该调谐液体阻尼器的阻尼比。采用深水理论，水箱中的水深与振动方向尺寸之比大于1/8。在水箱水面处设置分布式浮板，且每个浮板5都由浮板固定装置6固定在水箱箱壁，可以很好地抑制水箱中液体过度晃荡及波浪破碎情况。

可抽插隔板2与初始双层隔板3组成一个完整的隔板体系，隔板体系的整体高度控制在方斗型水箱1高度的0.5～0.8之间，初始隔板由隔板固定装置4固定在水箱中央位置，可以使隔板体系在受到液体晃动冲击情况下不发生任意偏移的情况，稳固隔板体系的位置。初始双层隔板2有初始孔，孔径大小约为双层隔板宽度的1/20，可抽插隔板2可以插入双层隔板3之间的缝隙之中，由于可抽插隔板2的孔径大小可以随意设置，因此当其孔径大小小于初始双层隔板3的孔径大小时，完整的隔板体系下孔径大小会变为可抽插隔板2的孔径大小，因此可以达到随时改变隔板体系孔径大小的效果。隔板体系由隔板半主动控制装置7进行多方向调谐控制，隔板半主动控制装置7通过加载器连接线10与加载器11相连接，加载器11通过控制器连接线12与控制器9相连接，通过液体参数传感器8将方斗型水箱1中的液体参数传给终端控制器，控制器分析TLD中液体晃动频率、激励加速度，控制加载器11让隔板半主动控制装置7依靠杠杆原理，移动该装置前端把手，使隔板体系可以达到前后、左右方向旋转的效果。由于隔板体系可以任意方向旋转且孔径大小可以随意改变，使得TLD的激频比可以有效控制在1左右，可以使水箱的线性阻尼比时刻处于最大值，增加液体能量耗能，调谐频率始终在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，TLD始终能提供最大的减振力。

水箱设置为方斗型水箱1的形态，水箱设置为方斗型，可以使水箱中大量的液体集中在倾斜的底部运动，使得其有效质量大于方形水箱，可以有效地增加能量耗散，同时方斗型水箱1的设置使得水箱内液体在受到风荷载及地震荷载影响下发生晃动的起伏高度减小，减少了碎波效应，增加液体能量耗散，更好地起到减振的效果。

本发明采用深水理论，液体深与振动方向尺寸之比大于1/8，在深水条件下，液体在晃动时液面振幅较小，可以忽略水晃动的非线性，液体晃动符合线性假设。液体可采用纯水，这样水箱既可做阻尼器又可做消防及生活用水，大大增加了TLD的利用效率，并解决了其占地空间问题。

由于采用深水理论，在风荷载及地震荷载较大的情况下，水箱中的液体可能出现飞溅、产生随波效应、液体过度晃荡的情况，因此本发明在方斗型水箱1的顶部加设四个浮板5，构成一个分布式浮板体系，浮板5的长度控制在方斗型水箱1长度的1/4～1/3，宽度控制在方斗型水箱1宽度的1/4～1/3，浮板5由浮板固定装置6固定在方斗型水箱1的四壁，使浮板5不会在水箱中发生四处飘荡的情况，分布式浮板漂浮于液体上方，可以有效地减小水波破碎的情况，促进产生液体振动的理想阻尼情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，深水水箱减振效果得以提升。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明在水箱中央位置设置可改变孔径大小的隔板体系，可增大TLD系统阻尼比，且该隔板体系可由半主动控制装置通过杠杆原理进行前后、左右旋转，使得TLD的激频比可以有效控制在1左右，可以使水箱的线性阻尼比时刻处于最大值，增加液体能量耗能，调谐频率始终在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，TLD始终能提供最大的减振力，将该TLD置于建筑结构中，可以更加有效地来抵御地震作用和特大风荷载。

2)本发明在传统矩形水箱的基础上，改为方斗型水箱，可以使水箱中大量的液体集中在倾斜的底部运动，使得其有效质量大于矩形水箱，可以有效地增加能量耗散，同时方斗型水箱1的设置使得水箱内液体在受到风荷载及地震荷载影响下发生晃动的起伏高度减小，减少了碎波效应，增加液体能量耗散，更好地起到减振的效果。

3)本发明采用深水理论，在深水条件下，液体在晃动时液面振幅较小，可以忽略水晃动的非线性，液体晃动符合线性假设。水箱内液体可采用纯净水，这样水箱既可做阻尼器又可做消防及生活用水，大大增加了TLD的利用效率，减少了TLD造价，并解决了其占地空间问题。

4)本发明在液面设置分布式浮板，可以有效地减少水波破碎的情况，并降低液体飞溅及液体过度晃荡的几率，促进产生液体振动的理想阻尼情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，让深水水箱减振效果得以提升。

附图说明

图1是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的三维效果图

图2是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的正视图

图3是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的侧视图

图4是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的俯视图

图5是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的内部剖面图

图6是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的隔板正视图

图中：图中：1-方斗型水箱、2-可抽插隔板、3-初始双层隔板、4-隔板固定装置、5-浮板、6-浮板固定装置、7-隔板半主动控制装置、8-液体参数传感器、9-终端控制器、10-加载器连接线、11-加载器、12-控制器连接线。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1，是本发明可半主动调控阻尼性态的方斗型调谐液体阻尼器的实施例，其主要包括：方斗型水箱1、可抽插隔板2、初始双层隔板3、隔板固定装置4、浮板5、浮板固定装置6、隔板半主动控制装置7、液体参数传感器8、终端控制器9、加载器连接线10、加载器11、控制器连接线12。具体实施步骤如下：

该建筑为电视塔，底部有7m高的钢筋混凝土基底，部位钢结构框架结构，总高45m，总质量200t。由于该建筑物不满足抗风隔震要求，在塔上加设TLD装置进行振动控制。共设置25个TLD，每个TLD装置中装0.05t水，25个TLD水箱中水的总质量为1.25t，占电视塔总质量的0.625％，第一振型广义质量的1.5％。

每个TLD水箱上底长0.5m，下底长0.3m，上底宽0.35m，下底宽0.3m，高0.25m，水深0.15m。TLD水箱中央设置隔板体系，隔板长0.2m，宽0.01m，高0.35m，初始孔径大小5cm，隔板体系由隔板固定装置稳固在水箱中央，不被液体晃动冲击而影响。

隔板半主动控制装置分别与隔板体系和终端控制器相连接，通过水箱内液体晃动方向箱壁上的液体参数传感器将方斗型水箱中的液体参数传给终端控制器，控制器分析TLD中液体晃动频率、激励加速度后，瞬时控制隔板半主动控制装置，依靠杠杆原理移动该装置前端把手，控制隔板体系前后、左右方向旋转，可抽插隔板随时可以更换到初始双层隔板的缝隙之中，改变孔径大小，增加水箱阻尼比，经过测量，加设TLD后电视塔的阻尼比增大5倍，由原来的1％增至4.8％，在风速为20m/s时，位移反应减小35％～50％。

水箱液体上部设置分布式浮板，浮板宽度0.1m，长度0.15m，分布在水箱液面的四周，可以有效地减少水波破碎的情况，并降低液体飞溅及液体过度晃荡的几率，促进产生液体振动的理想阻尼情况，使得整个阻尼器的行为呈现线性，让深水水箱减振效果得以提升，TLD中水的第一晃动频率与结构的基频之比可保持0.95～1.05之间，能够使水箱的线性阻尼比时刻处于最大值，增加液体能量耗能，使得TLD对结构的减振效果大大提升。

当有大风来袭，施加的TLD装置可以有效起到耗能减振作用，振动加速度指标可以满足国际住宅舒适度标准，减震效果显著，电视塔的水平位移减振率达到27.2％。

当风力较小时，TLD水箱中的水可充当生活用水或消防用水，可以有效地解决其占地空间问题，且TLD采用纯水，费用较低，此TLD完全满足低造价、高效率，该TLD不仅为电视塔从减振效果上得到了充分地提高，还在生活方面上为塔内的人们提供了水源与消防便利。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。