超低频摆式调谐质量阻尼器.pdf

本实用新型属于结构振动控制技术领域。一种超低频摆式调谐质量阻尼器，包括设置在结构体内的摆腔、与摆腔顶部的结构体连接的吊索、吊挂在吊索下端部的质量块、设置在质量块与结构体之间的粘滞阻尼器和负刚度调节装置，所述的粘滞阻尼器和负刚度调节装置的数量均为两个且均在质量块对应的两侧对称布置，所述的负刚度调节装置包括n块设置在质量块其中一侧面上的极性为N极/S极的永磁铁、和n块设置在该侧面对应的结构体上的极性为S极/N极的永磁铁。本实用新型通过特殊设计的负刚度调节装置能够有效减短超低频摆式TMD的摆长，减小TMD的安装空间，扩大了超低频摆式TMD的工程应用范围。

权利要求书
1.  一种超低频摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，包括设置在结构体内的摆腔、与摆腔顶部的结构体连接的吊索、吊挂在吊索下端部的质量块、设置在质量块与结构体之间的粘滞阻尼器和负刚度调节装置，所述的粘滞阻尼器和负刚度调节装置的数量均为两个且均在质量块对应的两侧对称布置，所述的负刚度调节装置包括n块设置在质量块其中一侧面上的极性为N极/S极的永磁铁、和n块设置在该侧面对应的结构体上的极性为S极/N极的永磁铁。

2.  根据权利要求1所述的超低频摆式调谐质量阻尼器，其特征在于，所述的永磁铁为圆柱形永磁铁。

说明书超低频摆式调谐质量阻尼器
技术领域
本实用新型属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种超低频摆式调谐质量阻尼器。
背景技术
高耸建筑在风荷载作用下容易发生低频大幅振动，为了抑制这类结构振动，很多超高层建筑都设有巨型的摆式调谐质量阻尼器(TMD)。根据摆式TMD的频率计算公式可知，为满足超高层减振的超低频(第1阶弯曲振动频率一般在0.1～0.2Hz)减振要求，摆式TMD往往需要较大的摆长。如台湾101大厦用于风振与地震响应控制的TMD，采用8组长11.5m、直径90mm的高强度钢索悬挂重达660吨的质量块。
公布号为CN 103132628 A的“摆式电涡流调谐质量阻尼器装置”专利公开了一种用于高耸建筑的调谐质量阻尼器，长吊索使其具有较低的自振频率，虽能达到高耸建筑的低频减振需要，但其结构较大。根据该专利设计用于上海中心风振控制的TMD的刚度元件采用12根、长25米的钢索，占用空间巨大。
公告号为CN 203499048 U的“摆式调谐质量阻尼器的频率调节装置”专利公开了一种摆式调谐质量阻尼器的频率调整装置，用于高耸建筑结构等的减振控制。采用调频弹簧，调频弹簧水平设置在摆式调谐质量阻尼器的质量块与主体结构之间，调频弹簧对称布置在质量块的两侧或者均匀分布在质量块的四周，调频弹簧一端连接质量块，另一端连接主体结构，调频弹簧处于预拉紧状态。但该专利只能实现TMD中质量块回复力的增加，即增加系统刚度，自振频率变大，无法实现摆式TMD摆长的降低。
公告号为CN 203626078 U的“一种超低频调频质量阻尼器”专利公开了一种基于浮力原理的超低频竖向TMD。该专利将TMD的质量块(空心金属球)悬浮于密闭的充油容器，从而实现TMD弹簧元件净伸长的减小。但该专利只适用于竖向TMD减振装置，无法应用于抑制高耸结构水平振动的摆式TMD，且其阻尼大小的调节是通过改变球的外形来实现，难以做到定量调节。
综上可以看出：高耸建筑减振所需的摆式TMD，均需要较大的摆长，所需安装空间巨大。
实用新型内容
本发明的目的是针对上述存在的低频摆式TMD摆长过长的问题和不足，提供一种附加安装负刚度调节装置的超低频摆式调谐质量阻尼器。
为解决上述问题和不足，所采取的技术方案是：
一种超低频摆式调谐质量阻尼器，包括设置在结构体内的摆腔、与摆腔顶部的结构体连接的吊索、吊挂在吊索下端部的质量块、设置在质量块与结构体之间的粘滞阻尼器和负刚度调节装置，所述的粘滞阻尼器和负刚度调节装置的数量均为两个且均在质量块对应的两侧对称布置，所述的负刚度调节装置包括n块设置在质量块其中一侧面上的极性为N极/S极的永磁铁、和n块设置在该侧面对应的结构体上的极性为S极/N极的永磁铁。
所述的永磁铁为圆柱形永磁铁。
采用上述技术方案，所取得的有益效果是：
1、本发明通过特殊设计的负刚度调节装置能够有效减短超低频摆式TMD的摆长，减小TMD的安装空间，扩大了超低频摆式TMD的工程应用范围。
2、负刚度调节装置采用无接触的相互吸引的永磁铁组成，刚度调整简单、 快捷，且具有很高的耐久性。
3、本发明的超低频摆式调谐质量阻尼器随质量块振动幅值的大小，频率呈现微小的变化，TMD既能很好的实现减振目标，还能自动实现限位，同时提升耐久性。当主结构振动较小时，由于本发明的超低频摆式调谐质量阻尼器(TMD)平衡位置处的振动频率稍大于主体结构，使得TMD几乎不动，避免了小幅长期振动带来的TMD疲劳损伤，从而提高了TMD系统的耐久性；当主结构振动较大时，本发明的TMD才会有相当的振动位移，此时由于振幅增大，负刚度调节装置提供的负刚度也越来越大，即TMD与主结构二者的频率也越来越接近，TMD开始充分发挥调谐作用，从而体现出较好的减振效果；当TMD的振幅持续增大到一定程度后，由于负刚度调节装置提供的负刚度过大，使得TMD的振动频率开始变的略小于主结构，TMD在阻尼与频率失谐的共同作用下，TMD的振幅开始减小，从而起到自动限位的作用，当减小到一定程度后，TMD又开始充分发挥新一轮的调谐作用。经过上述周期循环，主结构的振动能量逐渐被TMD吸收、耗散。
附图说明
图1为本发明超低频摆式调谐质量阻尼器的结构示意图。
图2为图1中A-A向结构示意图。
图3为TMD质量块处于平衡状态时的受力简图。
图4为TMD质量块从平衡位置向左摆动时的受力简图。
图5为TMD质量块从平衡位置向右摆动时的受力简图。
图6为针对本发明制作的模型试验结构示意图。
图7为质量块两侧无永磁铁时的TMD质量块振动时间历程曲线。
图8为质量块两侧无永磁铁时设计最大振幅处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图9为质量块两侧无永磁铁时振动幅值为设计最大振幅50％处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图10为质量块两侧无永磁铁时振动幅值为设计最大振幅20％处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图11为质量块两侧各放置一组永磁铁时的TMD质量块振动时间历程曲线。
图12为质量块两侧各放置一组永磁铁时设计最大振幅处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图13为质量块两侧各放置一组永磁铁时振动幅值为设计最大振幅50％处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图14为质量块两侧各放置一组永磁铁时振动幅值为设计最大振幅20％处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图15为质量块两侧各放置两组永磁铁时的TMD质量块振动时间历程曲线。
图16为质量块两侧各放置两组永磁铁时设计最大振幅处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图17为质量块两侧各放置两组永磁铁时振动幅值为设计最大振幅50％处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图18为质量块两侧各放置两组永磁铁时振动幅值为设计最大振幅20％处的TMD质量块振动局部时间历程图。
图中序号：1为吊索、2为质量块、3为永磁铁、4为粘滞阻尼器、5为支架、6为支座、7为顶板、8为底板、9为摆腔。
具体实施方式
实施例一：参见图1，一种超低频摆式调谐质量阻尼器，包括设置在结构体内的摆腔9、与摆腔9顶部的结构体连接的吊索1、吊挂在吊索1下端部的质量块2、设置在质量块2与结构体之间的粘滞阻尼器4和负刚度调节装置，所述的粘滞阻尼器4和负刚度调节装置的数量均为两个且均在质量块2对应的两侧对称布置，所述的负刚度调节装置包括n块设置在质量块2其中一侧面上的极性为N极/S极的永磁铁3、和n块设置在该侧面对应的结构体上的极性为S极/N极的永磁铁3，所述的质量块2两侧的永磁铁3为圆柱形永磁铁。
本实用新型的的工作原理是：
(1)由图1-图3所示，当结构体静止时，调谐质量阻尼器的质量块左右两侧的负刚度调节装置相互平衡，质量块处于平衡状态；
(2)当结构体振动时，调谐质量阻尼器的摆也随之摆动，如图4所示，当摆向左摆动角度θ(θ＜5°)时，此时两侧永磁铁之间的吸引力为F1≥F2，运动微分方程mlθ″+p(θ)＝0，p(θ)是依赖于摆角θ的回复力：
p(θ)＝mgsinθ-(F1cosθ-F2cosθ)
因为角度θ很小(在5度以内)，近似的取sinθ≈θ、cosθ≈1，可得：
p(θ)≈mgθ-(F1-F2)          ①
其中
F1=[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][1(d0-lθ)2+1(d0-lθ+2δ)2-2(d0-lθ+δ)2]]]>
F2=[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][1(d0+lθ)2+1(d0+lθ+2δ)2-2(d0+lθ+δ)2]]]>
(3)如图5所示，当右摆角度θ(在5度以内)时，回复力有：
p(θ)≈mgθ-(F2-F1)           ②
其中
F1=[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][1(d0+lθ)2+1(d0+lθ+2δ)2-2(d0+lθ+δ)2]]]>
F2=[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][1(d0-lθ)2+1(d0-lθ+2δ)2-2(d0-lθ+δ)2]]]>
综合①②式，得到回复力的统一公式：
p(θ)≈mgθ-(Fn-Fp)
其中
Fn=[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][1(d0-lθ)2+1(d0-lθ+2δ)2-2(d0-lθ+δ)2]]]>
Fp=[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][1(d0+lθ)2+1(d0+lθ+2δ)2-2(d0+lθ+δ)2]]]>
系统有效刚度
ke＝kl-kmag                 ③
其中kl=mgl]]>                ④
kmag＝kn-kp             ⑤
kp=|δFpδ(d0-lθ)|=|∂Fp∂(d0-lθ)|=|∂Fp∂θdθd(d0-lθ)|=|[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][-2(d0+lθ)3-2(d0+lθ+2δ)3+4(d0+lθ+δ)3]|]]>
kn=|δFnδ(d0-lθ)|=|∂Fn∂(d0-lθ)|=|∂Fn∂θdθd(d0-lθ)|=|[Br2Am2(δ+r)2πμ0δ2][-2(d0-lθ)3-2(d0-lθ+2δ)3+4(d0-lθ+δ)3]|]]>
显然对应TMD质量块任意位置均有kmag＞0，故ke＜kl，即原系统刚度降低，此时TMD自振频率下降，从而以较短的摆长实现更低的振动频率。
实施例二:参见图6-图18，图6为制作的试验模型，其中支架5、顶板7、底板8之间形成振腔，支座6设置在质量块对应的两侧，并用于固定永磁铁。其中，摆长l＝1.9m，质量块质量m＝10kg，摆的设计最大摆角θmax＝3°。本实验永磁铁平衡位置时的距离d0＝18cm，圆形永磁铁型号N38，尺寸D150×10mm。实验结果见附表1。
从附表1中的实验结果可以看出，采用本发明方法对降低摆式TMD的频率效果非常明显，当摆达到其设计振幅时，质量块两侧放置1组永磁铁可以使TMD频率降低5.7％，质量块两侧放置2组永磁铁可以使TMD频率降低11.9％。
附表1：