本发明涉及抑制由风或地震所引起的塔式结构振动的减振装置。 塔式结构如高层建筑，吊桥或悬索桥的塔因风或地震会引起振动。近来，依据动态减振器原理提出了各种减振装置以作为抑制这种振动的技术。
一般来说，动态减振器原理就是通过提供一调谐到结构自然频率的自然频率，同时提供一适当的减振机构的方式来吸收结构的振动能量。这一原理已有各种实施形式。
其中一种典型的形式是综合采用一质量，一弹簧和一减振器。但是这种动态减振装置有以下问题：
（1）自然频率难于调整;
（2）弹簧和减振器等长期使用后性能会恶化，这需要加以维护和保养;
（3）结构和机制复杂;
（4）容纳减振装置的空间受到局限。
近来，作为解决上述问题的装置之一，在日本专利公开号62-101764，62-292943以及63-172092中公开了一种动态减振装置，它所利用的是载液缸中自由液面的波动。在这种动态减振装置中，将自由液面波动的自然频率调谐至结构的自然频率，其减振机制是靠液体中的多孔件或等同物作为液体运动的障碍而形成地。但是，这种动态减振装置具有以下问题：
（1）响应于很大振幅的波动，自由液面波动作用十分复杂，因而难于根据自然频率和减振性能来计算减振效果;
（2）多孔件或等同物的减振性能是不确定的，因而难于计算;
（3）由于载液缸尺寸等因素，这种减振装置的安装空间受到局限。
本发明的一个目的是提供一种可以精确显示所要求减振性能并增加在结构中安装空间自由度的减振装置。
按照本发明的塔式结构的减振装置具有一液柱管，该液柱管有任意的形状并有两个相对的升起端部，在其中形成液面，在该液柱管中部还具有一个小孔，该液柱管安装于所述塔式结构上。
当塔式结构受到振动时，液柱管中的液体沿管的纵向振荡从而引起液面的垂直振动。此时，这种液体振荡受到小孔的阻尼从而抑制结构的振动。由于这种液体运动是一维的，因而可以自由控制减振系数。
参照以下附图进行的详细描述有助于充分理解本发明的其它目的和特征。
图1是本发明减振装置的示意图;
图2是表明塔式结构响应放大率和输入与自然频率比之间关系的图表;
图3是表明液柱响应值RD和减振装置的减振系数hD之间关系的图表;
图4a是表明结构的响应值Rs和减振装置的减振系数hD之间关系的图表;
图4b是表明减振装置的响应值RD和减振装置的减振系数hD之间关系的图表;
图5是按照本发明将减振装置应用于结构的示意图;
图6是减振装置的立体图，其中液柱管是分路式的;
图7a是按照本发明将减振装置的一推荐实施例应用于一球形结构的正视图;
图7b是图7a的俯视图;
图8是对图7a和图7b所示实施例加以改进后的另一实施例的正视图;
图9是将减振装置应用于在建结构的又一推荐实施例;
图10是将减振装置应用于履带式起重机的又一推荐实施例;
图11是将减振装置的又一实施例应用于观察塔的正视图;
图12a是按照本发明的可变小孔的正剖视图;
图12b图12a的侧剖视图;
图13a是可变小孔另一实施例的正剖视图;
图13b是图13a的侧剖视图;
图14和15是可变小孔又一实施例剖视图;
图16a是综合两液柱管使其呈T形布置的立体图;
图17是按照本发明的环形密闭液柱管的立体图;
图18是具有可变长度液柱管的减振装置的一推荐实施例的正视图。
现在参照附图描述本发明的一些推荐实施例。
图1表示本发明的一推荐实施例，标号A代表塔式结构（以下简称结构）的减振装置（未画出）。减振装置A由以下部件组成：一液柱管1位于结构的因振动而位移较大的部位，盛放在液柱管1中的液体2以及固定地设置于液柱管1中的一小孔3。液体2的两个液面2a存在于液柱管1的两个相对的升起的端部。液柱管1的截面形状可以是任意的，如圆形或矩形（方形，椭圆形等）。另外，液柱管1在其纵向上可以任意弯曲。
当结构受到图1中双头箭头S所示方向的振动时，液面2a以双头箭头B的垂向振荡。虽然液体垂向运动被本身有阻尼能力的液体2所阻尼，但是主要是由小孔3阻尼。
结构的振动能由在液柱管1中液体2的振荡运动所吸收从而使结构减振。适当地调整小孔的阻尼系数有助于提高振动能的吸收效率。可以设置一组小孔3。
下面将这种减振装置称为TLCD（调谐液柱减振器）。
令结构和液面2a的位移分别为S和B，则构成这种减振装置的液柱管内的液体2的运动方程可表示为：
式中ρ为液体密度;g为重力加速度;A为液柱管1的横截面积;L为一液面2a沿液柱管1至另一液面2a的长度;C为两液面2a之间的水平距离;K为取决于小孔3的开度比的一个系数（压力损失系数）;是B相对于时间的一阶导数;分别是B和S相对于时间的二阶导数。
在上式中，右侧代表使液体2振动的项，该项也可作为抑制塔式结构振动的反应。上式左侧的第一和第三项分别代表质量效应和弹性效应。根据这两项，可按下式求出液柱管的自然振动周期：
T=2πL/2g]]>
前一个方程的左侧第二项代表设在液柱管1中的小孔3对液体2的减振性质。这一减振性质在使结构减振的工作中发挥重要作用。也就是说，为了显示借助液柱振动的足够的阻尼效应从而使结构减振，上述减振性质必须定量地限定为一个最佳值。在具有多孔件或等同物的现有技术的减振装置中，这种减振性质难于定量地限定。与此相反，本发明的减振装置由于采用了小孔，而且压力损失系数K为一已知常量，所以这种减振性质的定量限定可以很容易，很可靠地实现。因此，按照本发明，通过设置液柱管中的小孔可以容易、可靠地计算阻尼效应并设计TLCD（调谐液柱减振器）。
图2表示出响应曲线计算的一个实例，它表明塔式结构的振动因设置了TLCD而受到阻尼。在该图中纵坐标轴表示塔式结构的响应放大率，而横坐标轴表示输入与自然频率的比，该比值为（外力频率）/（塔式结构的自然频率）。
这样就可以简单而可靠地定量限定运动方程。因此，作为减振装置的TLCD可以下述方式简单地进行设计。
下面描述一种TLCD的简单设计方法。如上所述，求出液柱管振动的自然周期T。另一方面按照结构的设计数据可以求出结构的自然频率。相应地，在决定长度L时，要使结构自然频率和TLCD即液柱管的自然频率的比，即调谐比大约为1。
图3是表明响应值RD（由纵坐标表示）和减振装置的减振系数HD（由横坐标表示）之间关系的图表，响应值RD表示液柱因振动而发生的位移。这种关系随小孔的开度比α的变化而改变。如图所示，开度比α1大于开度比α2，而开度比α2又大于开度比α3。从图中显然可见，RD基本上与HD成正比，开度比越小，则直线的斜度越小，即减振系数越大。
图4a是表明结构响应值Rs和减振装置的减振系数HD之间关系的图表。在该图中，μ（μ1＜μ2＜μ3）代表（减振装置的有效质量）/（结构的总质量）。从图中清楚可见，响应值Rs随减振系数HD的增加而减少直至某一定限度，然而从该限度开始，随著减振系数Hd的进一步增加而增加。Rsl代表结构振幅的允许极限，位于允许极限Rsl且平行于横坐标轴的一条虚线可以和某些曲线相交。根据这种情况下的μ值，就可以决定减振装置的有效质量，即减振装置的尺寸。当μ＝μ2时，虚线与μ2的曲线相交于两点Hda和Hdb。因此，如果减振系数Hd落在Hda和Hdb之间的范围内，那么就可使结构的值不大于允许极限Rsl。减振系数Hd的最佳值由Hd opt代表，存在于Hda和Hdb之间的中点上。
图4b是表示减振装置因振动而产生的响应值Rd（由纵坐标轴表示）和减振装置的减振系数Hd（由横坐标轴表示）之间关系的图表。从图中清楚可见，这种关系随μ值的变化而改变。可以看到，减振系数Hd越大，则响应值Rd越小，以及减振系数Hd越小，则响应值Rd迅速增大。Rdl代表液柱响应值的允许极限，它取决于液面2a的运动范围，该范围也取决于减振装置的间隙。Rdo代表在μ2的情况下，液柱在最佳减振系数Hd opt时的响应值，该值被调整得小于允许极限Rdl。
图4c是表示减振装置因振动产生的响应值Rd（由纵坐标轴表示）和减振装置的减振系数Hd（由横坐标轴表示）之间关系的图表，其中减振系数Hd随小孔开度比α的变化而改变。可以看出，相应于最佳响应值Rdo的水平虚线与相应于图4a中所得最佳减振系数Hd opt的垂直虚线的交点在α2的直线上。
这样就决定了最佳减振系数Hd opt和减振装置的其它特性值。
对液柱管和小孔进行计算可以得到图3和4中的每张图表，这些图表都被清楚地定量地进行了限定。在利用自由液面波动的现有技术的减振装置中，这种对减振系数的定量限定是困难的，这是由于自由液面波动和多孔件阻尼性质的复杂性而决定的。按照本发明，减振系数的定量限定容易进行，利用液柱管中的小孔来改善减振装置的性能即可，而且制造起来也更加容易。
图5是在一次振动模式中本发明的推荐实施例的示意图，其中减振装置A一般位于塔式结构4顶部附近，在那里可显示最大的效果。在另一方面，在二次振动模式中，减振装置可以位于结构的中部附近，这是由于在该位置振幅可变得最大。尤其是在结构为悬索桥的塔的情形中，该塔下端有底座，上端固定钢索，减振装置位于位移幅度变得最大的塔的中部。
图6为当减振装置A所处塔式结构4中存在障碍物5时，液柱管1放置时的立体图。在现有技术中，如果存在这样的障碍物5，那么由于障碍物的妨碍就不能放置现有技术的减振装置。换言之，必须为设置减振装置留下专用空间。按照本发明则只需要为液柱管1提供一定长度。除去液柱管1的两端外，其形状由设计者任意确定。例如，尽管当液柱管下部如图所示是分路式的，也不影响液柱管的自然频率。因此不必为设置减振装置留下专用的空间。另外，由于一般用水作为液体2，所以水还可用于如防火等各种目的。
在图7a和7b所示实施例中，一对减振装置A安装于一球形塔式结构如高位罐上。TLCD式减振装置A在设置时，使其从罐的底部沿其轮廓向顶部延伸，如图7b所示呈直角十字相交。在此实施例中，可以阻尼罐在其安装面上的全方位振动。
图8所示实施例中，一组减振装置A安装在球形罐6上。当与图7a和7b所示实施例相比，整个结构振动的自然周期较短时，此实施例较为有效。
图9所示实施例中，一对TLCD减振装置位于在建结构4易于出现振动的部位。由于塔式结构4不仅在结构建成之后，而且也在建筑过程中要承受由风或地震引起的振动，所以甚至在建筑过程中，在结构4上最好也要安装减振装置。标号7代表建筑塔式结构所用的起重机。
图10所示的实施例中，减振装置位于建筑在建的塔式结构所用的起重机8中。在图9所示实施例中，必须按照结构4向上修建的高度来改变减振装置的位置。然而在图10所示的实施例中，起重机8是履带式起重机或类似的装置，它可以按照塔式结构4向上修建的高度而升起。因此，位于起重机8内的减振装置总是保持在塔式结构4的顶部直到建成，也就是说不必单独地移动减振装置本身。
图11所示的减振装置中，一组减振装置A安装在作为塔式结构4的观察塔中。综合考虑到自然周期，安装空间的限制以及外观美，减振装置A环绕观察塔装在其窗框上。由于这种布置，观察塔在各水平方向上的振动都可受到阻尼。
图12a和12b所示的实施例中，采用了开度比可调的可变小孔11。可变小孔11由一对固定件10和一对活动件9组成。固定件10固定在矩形截面的液柱管1的两相对侧壁上。活动件9可滑动地与固定件10相接合，使其可沿图12a和12b所示双头箭头的方向活动。活动件9穿过液柱管1的两相对侧壁，并由一种公知的水密结构密封。活动件9的一端或两端连接着驱动装置（未画），驱动装置连接着操纵柄（未画），从而使活动件9的一端或两端移入或移出液柱管1。在工作中，当操纵该操纵柄使活动件9的一端或两端移动以改变两活动件9之间限定的小孔9a时，可变小孔11的开度比即可调整到需要的值。
在图13a和13b所示可变小孔11的另一实施例中，省去了图12a和12b所示的固定件10和下部的一活动件9，也就是说，只有上部的活动件9可滑动地穿入液柱管1的壁。
图14所示可变小孔11的又一实施例中，活动件9可转动地支承在液柱管1的一条轴9b上。活动件9的尺寸足以封闭液柱管1的横截面。
图15所示可变小孔11的又一实施例中，一对活动件9中每块都为弓形横截面，相对地设置在液柱管1中。液柱管1上制有一对弧形槽以容纳弓形活动件9。两活动件9在液柱管外相互连接且支承于一旋转轴（未画）上。
由于使用了可变小孔11使得减振装置的减振系数Hd容易改变。而且，除改变减振系数Hd外，用调整放入液柱管1的水量以便改变两液面2a沿液柱管l的液柱长度L的方法，减振装置的特性可容易地适应结构条件的变化，例如当减振装置用于在建结构时自然频率的变化。
图16a和16b所示的两个不同的实施例中，构成本发明减振装置的两个液柱管1和1′综合使用，相互垂直设置。这样垂直设置的目的是满足除单向振动以外还必须吸收两个或两个以上方向振动时的要求。在图16a所示实施例中，两个液柱管1和1′呈T形布置。标号B和B′分别代表两液柱管1和1′的两个相对的升起部分之间的距离（该距离下文中称作“升距”），标号W和W′分别代表两液柱管1和1′的宽度。因此，必须限定一个B′×（B+W′）的安装空间，也必须装入相应于两液柱管1和1′容积总和的水量。如果结构很大，不仅液柱管1和1′的长度，而且其宽度都需好几米，这会导致安装空间和液体量的加大。
在图16b所示实施例中，两液柱管1和1′呈十字形布置从而从形成一个中央交叉部分1a作为两管1和1′的公共部分。在液柱管1和1′中设置需要数目的小孔3。在此实施例中，必须限定一个B×B′的安装空间。因此，与图16a所示实施例相比可以减少安装空间。另外，可以减少液体2的用量，所减少的量相当于上述中央叉部分1a的容积。交叉部分1a可以在液柱管1和1′的端部形。
图17所示的实施例中，两相对的升起端部相互连接以形成一环状的封闭的液柱管1。封闭的液柱管1上有一个注入液体2或惰性的气体的注入开口，由盖口封闭，这一点下面还要详述。在图1所示的实施例中，两相对的升起部分的上端是开口的。因此，在长期使用后管1中的液体会蒸发而引起减振效果的下降。另外，如果在液柱管1中激起突然的大振幅振动，液体就会溢出。而且在液面2a附近的液柱管1的内壁容易产生锈蚀。
与此相反，图17所示的封闭液柱管1可防止液体2的蒸发，而且在产生大振幅时也可防止溢流。而且可以在管1中注入惰性的气体以防止液面2a附近的管1内壁的锈蚀。
在建的塔式结构的振动特性会随着工程的进展而变化。振动特性的这种变化发生后，如前所述，要在某种程度上改变液体量。但是在许多场合，在振动特性变化后，不能变化液体量。在这种情况下，必须用较长或较短的液柱管更换。这种更换作业麻烦而且不经济。
图18所示实施例克服了上述缺点，其液柱管1的水平部分的长度是可调的，该水平部分设有一由填密件13密封的可滑动部分1b。由于这种布置，滑动可滑动部分1b可改变液柱管1的升距B，从而改变两液面2a沿液柱管1之间的长度L。
因此，按照工程的进展，通过改变减振装置的长度以及改变减振装置中的液体量的方法可以使振动特性最佳化。即使在塔式结构的修建过程中，振动特性可以方便地改变而使减振作用保持不变。
减振装置中使用的通常是水。然而在寒冷地区水会冻结从而失去减振作用。因此必须由一热源不断供热以防止水的冻结，这样就增加了减振装置的保养费用。
这种缺点可以用向水中加防冻剂，如1，2-亚乙基二醇的方法克服。
如上所述，按照本发明的减振装置具有以下效果：
（1）由于采用了具有间隙机构的小孔，可以很容易地定量地限定特性值从而获得高性能的减振装置。
（2）由于改变液柱管的长度及注入液柱管的液体量可以适应因工程进展而引起的结构自然频率的改变，所以减振装置可方便地用于在建结构。
（3）由于液柱管中部的形状可根据既定的液柱管长度而选择，所以增加了在结构中安装空间的自由度。
（4）由于未用易于陈化的减振器等，本发明的减振装置易于保养。
（5）在使用可变小孔的情况下，可以方便地适应结构条件的改变。
（6）由于综合使用两液柱管并使其相交以形成公共交叉部分，所以可减少减振装置的安装空间以及注入减振装置中的液体量，而且使用这种装置可以阻尼全方位的振动。
（7）通过把液柱管形成环形密封的形状，可以防止液柱管中液体的蒸发并防止在液柱管内壁产生锈蚀。
（8）在水中混合防冻液做为注入减振装置的液体，可以防止在寒冷地区水的冻结从而不必设置热源等等，这样便于进行保养工作。