一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系

摘要

本发明公开了一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系，是将调谐液体阻尼器与调谐质量阻尼器上下重叠放置组成复合型阻尼器，施工钢平台放置于双重阻尼器上方，通过调节TLD中隔板孔径大小、水箱内液面高低，以及调节摩擦支座边上的弹簧刚度和调整钢平台顶部材料的质量，实现整个钢平台体系达到复合调谐减震的效果。根据实际风荷载和地震荷载的需求，TLD与TMD选择串联组合或并联组合，降低施工钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。水箱中的水与隔板可以随时更换，控制TLD的调谐频率始终在合理范围之内，TMD中弹簧的刚度可调，控制整个施工钢平台系统的第一阶频率，可以使TLD、TMD提供更大的减振力。本发明属于土木工程抗风、抗震和减震技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系，属于土木工程抗风、抗震和减震技术领域。

背景技术

近年来超高层建筑的减震方法研究已经日臻成熟和完善，例如台北101大厦安装的TMD、南京电视塔安装的TLD等，都能够有效的控制结构的振动。但是在施工过程中，关于整体顶升施工钢平台体系的减震措施还有待研究。整体顶升施工钢平台体系的整体刚度较大，在多遇地震作用下，钢平台各杆件或许能满足安全需要，应力值在弹性范围内。但是在罕遇地震作用下，钢平台的部分杆件开始进入塑性阶段，直至破坏。因此若在施工过程中遭遇到地震作用，结构安全性很难保证。由于其恶劣的施工环境和封闭的操作空间，逃生通道也尚未建成，正在高空施工作业的建筑工人多达数百人，单不考虑其经济损失，就工作人员的生命安全造成了巨大的威胁。目前针对施工过程中结构减震控制的研究和应用均较少，因此亟需重视施工过程中施工钢平台体系遭遇地震或强风时的减振问题和技术研发。

调谐液体阻尼器(TLD)是结构被动控制的一种装置，是利用结构上的固定容器中液体的惯性力和粘性耗能来减小结构振动响应。 TLD不仅具有构造相对简单、造价低、安装方便、而且自动激活性能好、使用周期长和维护费用少等优点，还可兼作供水水箱或者消防水箱使用，在振动控制中得到了越来越多的实际应用，并取得了显著的控制效果。在日本和新西兰等国家，TLD的研究已经持续了很长时间，在建筑物中也得到了大量的应用，历次地震表明TLD减震系统对结构的控制起到了很好的效果。

调谐质量阻尼器(TMD)是利用附加在主体结构上的小质量弹簧体系来吸收主体结构的振动能量，从而达到减振的目的。TMD系统是将弹簧、阻尼器和质量块组成的振动控制系统，安装在建筑结构的某个部位。大量的研究表明，当调谐质量阻尼器的自振频率与结构某一振型自振频率一致时，对此振型的振动反应控制效果最佳，调谐质量阻尼器可以有效的控制结构的振动响应，并且可以大大降低结构的成本。目前，在高耸结构的抗风和抗震方面的应用前景非常广泛。随着TMD的广泛应用，在实际工程中人们发现TMD具有明显的优越性。

但是对于传统的TLD装置，当水箱受到较大的外部激励时，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。对于传统的调谐质量阻尼器存在着对主结构的固有频率摄动十分敏感的缺点。为了改善TLD稳定性，众多学者提出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，为了改善TMD稳定性，众多学者提出并研究了具有分布频率的多重调谐质量阻尼器。也有部分研究者建议将TLD与TMD上下串联形成复合型调谐阻尼器。改进之后的复合型阻尼器减振性能和稳定性都得到了提高。

基于以上原理，本专利通过将TLD与TMD通过刚垫板相连接，上下重叠放置组成复合型阻尼器，实现整个钢平台体系达到复合调谐减震的效果，可以更加有效地降低钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。复合型阻尼器上端通过刚垫板与施工钢平台相连接，其中 TMD上方施工钢平台的物料堆放区，可充当TMD系统中的质量块，可以通过增减施工材料来增减质量，灵活多变，提高了材料利用率。根据实际风荷载和地震的需求，TLD与TMD可以灵活的选择串联组合或并联组合，可以更加有效地降低施工钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。TLD水箱两侧箱壁开多个长条空隙，可插入隔板，且随时可以更换，隔板可改善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。TLD中的水还可充当生活用水或消防用水，可解决施工过程中水源短缺的问题，且可以有效解决水源占地空间问题。

当发生地震或风荷载较大时，TLD水箱中液体开始晃动，液体经过隔板，改善液体晃动，提供很高的附加阻尼，增加液体能量耗散，从而更好地减小结构振动响应。与TLD上下相连接的TMD，通过其内部弹簧、阻尼器和施工材料所充当的质量块组成振动控制系统，其运作机理是：TMD中间层的滑块由高强材料构成。在地震或强风作用下，下部滑块的圆弧形滑动面发生位移，由于上部结构的重力以及滑动面的圆弧形设计，总能产生向心的回复力，并且能通过地震动滑移过程中滑块和滑动面之间的摩擦来耗散能量。TLD与TMD二者相结合，组成一个复合型调谐减震阻尼器，对振动的控制效果要比普通的调谐质量阻尼器效果更佳。此外，在减震过程中作为复合型阻尼器上端相连的钢平台体系的振动幅值得到有效控制，具有足够的安全性和舒适性，因此完全可以利用改造后的TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系来抵御施工工程中突发的地震作用和强风，尽可能的减少人员伤亡和经济损失。

发明内容

本发明提出一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系。该施工钢平台体系可以有效的降低钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。本发明采用TLD与TMD复合调谐减震，当施工钢平台受到风荷载或地震荷载作用时，TLD中的液体会在水箱中晃动，其设置的可抽插式隔板，可以改善液体晃动，提供很高的附加阻尼，增加液体能量耗散，从而更好地减小结构振动响应。TLD做成分布式，并与刚垫板相连接，刚垫板上端设置分布式TMD，TMD中设置弹簧，根据调谐减震原理和设计要求，通过改变摩擦摆支座上下板连接的弹簧刚度从而改变钢平台与建筑结构的连接刚度来使钢平台的自振频率与建筑结构的第一阶自振频率接近。TMD上端与刚垫板相连接，刚垫板再与施工钢平台相连接，最终组成一套完整的施工钢平台体系。此时，整个施工钢平台体系相当于复合型调谐减震阻尼器，并且其频率接近结构的自振频率，将最大限度的吸收振动的能量，来减少结构的振动。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系，主要包括水箱1、TMD外板2、施工钢平台3、刚垫板4、排水进水口5、隔板6、隔板抽插口7、连接螺栓8、弹簧9、摩擦滑块10、钢平台与TLD连接支撑11、TMD与底部结构连接支撑12、摩擦支座上板 13、摩擦支座下板14、TMD内板15。其中TLD由水箱1与可抽插隔板6、排水进水口5组成。TMD则由TMD外板2、弹簧9、摩擦滑块10、摩擦支座上板13、摩擦支座下板14、TMD内板15组成。 TLD与TMD可以根据结构对风荷载与地震荷载的需求，选择串联或并联的形式组合，形成完整的复合调谐减震的施工钢平台体系，灵活多变，可以更加有效地降低施工钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。

水箱1与可抽插隔板6、排水进水口5组成完整的TLD，隔板的整体高度控制在水箱1高度的0.5～0.8之间，隔板抽插口设有止水带，防止插入隔板，往水箱中注水后，出现漏水的情况。隔板可随意调换，隔板上设孔，孔径大小约为双层隔板宽度的1/20～1/30，按实际情况进行设定。施工钢平台体系下的TLD分布式放置，组成分布式TLD 系统，可以在多个方位对施工钢平台进行减震，更大限度的吸收各个方位振动的能量。

分布式TLD系统上方设置一层刚垫板4，用连接螺栓8与分布式TMD系统相连接，刚垫板4的平面面积为单个TLD平面面积的5 倍以上，分布式TMD系统上方设置同样规格的刚垫板4，用连接螺栓8固定在一起。两层刚垫板4之间均匀分布安置多个TMD，组成分布式TMD系统。TMD由TMD外板2、弹簧9、摩擦滑块10、摩擦支座上板13、摩擦支座下板14、TMD内板15组成。上层刚垫板 4可通过摩擦摆支座上板13沿分布式TMD系统水平滑动。在上层刚垫板4上放置大型施工钢平台3，这样施工钢平台体系可以在刚垫板 4上水平滑动，实现调谐质量减振功能。

施工钢平台3顶部划分不同的功能分区，部分区域可充当材料堆放区，只在材料堆放区下安置TMD，材料堆放区建筑材料的质量可充当分布式TMD系统的质量块，因此在不同的施工阶段，可以采用增减建筑材料质量的方式来进一步调节施工钢平台系统的第一阶频率，灵活实现调谐功能。在摩擦摆支座上板13的下面和摩擦支座下板14的顶面之间设置环形摩擦滑块10，其厚度可取摩擦支座下板14 厚度的1～1.5倍。摩擦摆支座上板13、摩擦支座下板14和环形摩擦滑块10组成一个阻尼系统，将该阻尼系统设置成上下对称的两个，组成TMD的阻尼部分。摩擦滑块10的材料应为高强钢、高强合金等，弹性模量应大于3.2×10

由于在实际风荷载和地震荷载作用下，楼层结构会产生很多不定因素，因此根据风荷载与地震荷载的需求，TLD与TMD可以灵活的选择串联组合或并联组合，当TMD与TLD上下叠合，不用任何支撑相连，仅通过刚垫板4连接，则为串联形式，由于风荷载的频谱比较广，串联的形式会拓宽减振频谱范围，因此该模式会带来很好的减振效果。当需要选择TMD与TLD并联组合时，可将施工钢平台3 通过钢平台与TLD连接支撑11与TLD相连接，将TMD通过TMD 与底部结构连接支撑12与TLD下的底部结构相连接，组成并联式复合调谐减震的形式。钢平台与TLD连接支撑11与TMD与底部结构连接支撑12可以灵活拆卸，让TLD与TMD可以灵活的进行串、并联的形式调换，更好的实现了施工钢平台体系的减振控制。

由此，先经过分布式TLD内液体晃动将地震荷载活风荷载带来的振动能量吸收一部分，再通过其上部分布式TMD系统的弹簧与摩擦滑块的摩擦滑动进一步吸收振动能量，TLD与TMD组成复合型调谐减震阻尼器，最大程度上控制施工钢平台体系的振动响应。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明将TLD与TMD上下重叠放置，得到复合型调谐减震阻尼器，提高阻尼器减振性能和稳定性，实现整个钢平台体系达到复合调谐减震的效果，可以更加有效地降低钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。

2)本发明在原有的方形水箱TLD基础上，液体晃动方向两侧箱壁设多个隔板抽插孔，隔板抽插口设有止水带，防止插入隔板，往水箱中注水后，出现漏水的情况。隔板可随意调换，可改善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。TLD中的水还可充当生活用水或消防用水，可解决施工过程中水源短缺的问题，且可以有效解决水源占地空间问题。

3)本发明在钢平台顶部划分不同的功能分区，在材料堆放区下安置TMD，其他功能区域仅有一层钢盖板铺垫。这样可以通过材料堆放区和其他功能分区质量分配，来调整材料堆放区域的建筑材料质量，即调整TMD质量块的质量。因此通过调节摩擦支座边上的弹簧刚度和调整钢平台顶部材料的质量可使调谐质量阻尼器发挥到最佳的效果。

4)本发明可以根据实际风荷载和地震荷载的需求，TLD与TMD 可以灵活的选择串联组合或并联组合，可以更加有效地降低施工钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。

附图说明

图1是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的串联型三维效果图

图2是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的并联型三维效果图

图3是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的串联型正视图

图4是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的并联型正视图

图5是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的串联型侧视图

图6是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的并联型侧视图

图7是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的内部剖面图

图8是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系中TLD的三维效果图

图9是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系中TLD的正视图

图10是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系中TMD的三维效果图

图11是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系中TMD的内部剖面图

图12是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系中TMD的俯视图

图中：图中：1-水箱、2-TMD外板、3-施工钢平台、4-刚垫板、 5-排水进水口、6-隔板、7-隔板抽插口、8-连接螺栓、9-弹簧、10-摩擦滑块、11-钢平台与TLD连接支撑、12-TMD与底部结构连接支撑、 13-摩擦支座上板、14-摩擦支座下板、15-TMD内板。

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，是本发明一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系的实施例，其主要包括水箱1、TMD外板2、施工钢平台3、刚垫板4、排水进水口5、隔板6、隔板抽插口7、连接螺栓8、弹簧9、摩擦滑块10、钢平台与TLD连接支撑11、TMD与底部结构连接支撑12、摩擦支座上板13、摩擦支座下板14、TMD内板15。具体实施步骤如下：

该建筑是一栋高层框架核心筒商务办公楼，建筑共40层，层高均为38m，总高度为152m。根据核心筒的平面面积确定好钢平台体系各部件的规格，满足技术方案中的要求。然后将具有TLD与TMD 复合调谐减震的施工钢平台体系攀附在核心筒上来进行施工。

每个TLD水箱长1.5m，宽0.8m，高0.7m，水深0.5m，可根据施工状况随时通过注水排水口进行更换液体。TLD中可抽插隔板随时可以通过隔板抽插口更换，改变孔径大小，隔板长0.3m，宽0.01m，高0.35m，水箱中的液体经过隔板阻隔后，可增加水箱阻尼比，使得 TLD对施工钢平台的减振效果大大提升。经过测量，加设TLD后施工钢平台的阻尼比增大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％。

每个TMD长1m，宽0.6m，高0.5m。TMD与TLD上下重叠，之间通过螺栓与刚垫板相连接，组成复合型调谐减震阻尼器。TMD 主要通过调节摩擦支座边上的弹簧刚度和调整钢平台顶部材料的质量可使调谐质量阻尼器发挥到最佳的效果。

每当核心筒新建5层，测量结构主体的第一阶自振频率，施工过程中整个钢平台及上部设备和建筑材料的质量保持恒定，需调控TLD 水箱中液体的液面高度以及隔板的孔径大小，TMD中弹簧刚度以及材料堆放区物料质量即可改变整个钢平台相对于核心筒的自振频率。假定当核心筒施工到25层时发生地震，此时核心筒第一阶自振频率是2.70Hz，经过自振频率公式计算可得到所有TMD中弹簧刚度之和应为6400kN/m，由于整个大平台由4个TMD分布放置，每个TMD 有24可变刚度弹簧，因此整个大平台与TMD之间由96根弹簧并联，因此每根弹簧的刚度应该更换为66.67kN/m，此时整个钢平台的自振频率为2.4Hz。

当有风来袭，施加的TLD与TMD组成的复合调谐减震阻尼器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，钢平台体系的复合调谐作用对施工中的核心筒的振动起到了很好的控制效果，吸收了振动能量，使核心筒在暴风作用下顶部的位移得到了很好的控制，加速度峰值较不进行减振下降了 16.7％，施工钢平台的水平位移减振率达到27.2％，保护了建筑和人员的安全。

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，为施工人员提供了水源与消防便利。钢平台顶部划分不同的功能分区，其中TMD上方的区域划分为材料堆放区，该区域可根据施工具体情况放置建筑材料，该建筑材料可充当TMD质量块，帮助TMD调谐质量减震，同时根据实际风荷载和地震荷载的需求，TLD与TMD可以灵活的选择串联组合或并联组合，可以更加有效地降低施工钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动，设计非常合理。

一种采用TLD与TMD复合调谐减震的施工钢平台体系，是将调谐液体阻尼器(英文名为Tuned Liquid Damper，TLD)与调谐质量阻尼器(英文名为Tuned Mass Damper，TMD)上下重叠放置组成复合型阻尼器，施工钢平台放置于双重阻尼器上方，通过调节TLD中隔板孔径大小、水箱内液面高低，以及调节摩擦支座边上的弹簧刚度和调整钢平台顶部材料的质量，实现整个钢平台体系达到复合调谐减震的效果。根据实际风荷载和地震荷载的需求，TLD与TMD可以灵活的选择串联组合或并联组合，可以更加有效地降低施工钢平台体系在风荷载或地震荷载下的振动。水箱中的水与隔板可以随时更换，控制 TLD的调谐频率始终在合理范围之内，TMD中弹簧的刚度可调，控制整个施工钢平台系统的第一阶频率，可以使TLD、TMD提供更大的减振力。

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。