结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置.pdf

本发明提供的是一种结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置。它包括安装在结构上的TMD，安装在TMD上的AMD，在TMD与结构之间设置有阻尼装置和弹性垫，所述的TMD与结构之间设置的阻尼装置是变阻尼装置，TMD上设置有滑轨，AMD安装在滑轨上，AMD的底部设置有齿条、齿轮机构，齿条、齿轮机构的齿轮安装在齿轮轴上，齿轮轴通过传动机构与飞轮传动轴相连，飞轮安装在飞轮传动轴上，它还包括AMD驱动电机。本发明提出的HMD系统实际上是将主动控制与变阻尼控制联合应用，该新型系统对结构在强风作用下的振动控制十分有利。

1、  一种结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，它包括安装在结构上的TMD，安装在TMD上的AMD，在TMD与结构之间设置有阻尼装置和弹性垫，其特征是：所述的TMD与结构之间设置的阻尼装置是变阻尼装置，TMD上设置有滑轨，AMD安装在滑轨上，AMD的底部设置有齿条、齿轮机构，齿条、齿轮机构的齿轮安装在齿轮轴上，齿轮轴通过传动机构与飞轮传动轴相连，飞轮安装在飞轮传动轴上，它还包括AMD驱动电机。

2、  根据权利要求1所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：所述的AMD驱动电机安装在TMD上，电机的输出轴与滚珠丝杠相连，丝杠与AMD质量块相连。

3、  根据权利要求2所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：齿轮轴与飞轮传动轴相互平行，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大带轮、安装在飞轮传动轴上的小带轮和连接在大带轮与小带轮之间的同步带。

4、  根据权利要求2所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：齿轮轴与飞轮传动轴相互垂直，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大锥齿轮、安装在飞轮传动轴上的小锥齿轮，大锥齿轮与小锥齿轮相互啮合。

5、  根据权利要求1所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：所述的AMD驱动电机安装在AMD质量块内部，电机的输出轴上安装有小带轮II，齿轮轴上安装有大带轮II，小带轮II与大带轮II之间由同步带相连，齿轮轴与飞轮传动轴相互平行，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大带轮、安装在飞轮传动轴上的小带轮和连接在大带轮与小带轮之间的同步带。

6、  根据权利要求1-5任何一项所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：所述的弹性垫是弹簧。

7、  根据权利要求1-5任何一项所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：所述的弹性垫是橡胶隔震垫或粘弹性材料制作的隔震垫。

8、  根据权利要求1-5任何一项所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：所述的变阻尼装置可以是磁流变阻尼器或者半主动变阻尼控制系统。

9、  根据权利要求1-5任何一项所述的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置，其特征是：所述的安装在结构上的TMD是在结构上安装导轨，TMD的质量块通过阻尼器安装在导轨上，阻尼器端部与导轨滑块之间用万向球连接，导轨沿平面正交两方向设置，质量块与结构之间设置有橡胶减振垫。

结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置
一、技术领域
本发明目的在于提供一种减振控制装置，具体地说是一种用于如高层、高耸建筑或大型斜拉桥以及悬索桥梁等土木工程结构的抗风振、抗地震的新型混合质量阻尼减振控制系统。
二、背景技术
随着经济和社会的发展，国家每年投入基础设施建设的力度越来越大，高层建筑、大跨度桥梁、大型体育场馆、核电站、海洋石油钻井平台等一些标志性重大工程如雨后春笋般拔地而起，以它们为代表的大量的土木工程结构在施工中和使用过程中都不可避免地要经受多种荷载作用，其中动荷载(如地震、风等，对于海洋工程结构还要经受海洋风、浪、流联合激励的作用，以及冬季的海冰作用)对结构的作用都会引起结构的振动、威胁结构的安全，严重时使结构发生破坏，造成经济损失和人员伤亡。例如，在地震作用下，结构某些部位的地震反应(如加速度、位移等)过大，将使主体承重结构严重破坏、甚至倒塌，或者主体结构虽未破坏，但维护和装饰装修等非结构构件损坏而导致结构无法继续使用，或者虽然主体结构及非结构构件未破坏，但室内的昂贵仪器、设备损坏而导致严重的损失或产生次生灾害，这些灾害都会造成巨大的经济损失。例如1995年日本阪神地震中，死亡人数仅为5000人，而直接经济损失高达1000亿美元，间接经济损失更高达2000多亿美元。
另一方面，随着新型建筑材料的不断涌现和结构施工技术的进步，结构材料越来越向着轻质高强方向发展，其结果是使建造的结构自振周期更长、阻尼更低，对环境荷载(例如风)更加敏感，动力响应更为突出，这种结构不仅仅需要考虑强度进行设计，有时结构位移(特别是动力荷载作用下的振幅)以及舒适性问题也可能成为结构设计的主要制约因素之一，必须加以考虑。
近些年来发展起来的结构振动控制技术一直是土木工程以及航空航天、汽车、机械、军事工程等领域研究的热点方向。对于土木工程结构，在结构中恰当地安装振动控制系统能够有效地减小结构的动力反应，减轻结构构件的破坏或疲劳损伤，达到经济性、安全性与可靠性的合理平衡。例如，对于海洋平台结构，有研究表明：采用振动控制技术使平台结构动应力幅值减小15％，则可使结构寿命延长两倍以上，同时还会使海洋平台的检测和正常使用情况下的维护费用大幅度降低，具有重要的经济效益和实际意义。大量研究表明：结构振动控制可以有效地减轻结构在风、浪、流、冰及地震等荷载作用下的反应和损伤、有效地提高结构的抗灾性能，是结构抗灾防灾减灾的积极有效的对策。
土木工程结构振动控制的研究和应用已有半个多世纪的历史了，总体上可以分为以下四个方面：被动控制、主动控制、半主动与智能控制以及混合控制。
1972年，美籍华人Yao结合现代控制理论，提出了土木工程结构振动主动控制的概念，开创了结构振动控制研究的新里程。目前发展起来的适用于土木工程结构主动控制的装置主要有：主动质量阻尼器(Active Mass Damper，AMD)、主动质量驱动器(Active Mass Driver，AMD)、主动锚索系统(Active TendonSystem，ATS)、主动支撑系统(Active Bracing System，ABS)、气体脉冲发生器(PulseGenerator)以及空气动力挡风板(Aerodynamic Appendage)等。
AMD系统工作的原理就是由外部能源驱动系统中的惯性质量运动，将结构的振动能量转变为AMD质量块运动的动能、弹性元件存储的势能和阻尼元件的耗散能，同时，质量块又是作为作动器给结构施加主动控制力的支撑点。如果系统中存在弹簧和阻尼器可以在一定程度上减小质量块的运动行程、调配各种力在控制过程中的比例，最终形成的合力(即质量块惯性力的反作用力)就是AMD系统对结构施加的主动控制力。
结构振动被动调谐吸振控制系统的原型最早可以追溯到20世纪初由Frahm和Den Hartog等人提出的用于机械系统中消减振动的动力吸振器DVA(DynamicVibration Absorber)的概念(Frahm，1909；Ormondroyd and Den，1928；Den，1956)，在土木工程结构振动控制领域中习惯将DVA称作被动调频质量阻尼控制系统(Tuned Mass Damper，简称TMD)。70年代初期TMD开始用于高耸、高层钢结构的风振控制(Soong and Dargush，1997)。被动TMD系统存在以下一些不足：1)只能控制结构某个振型的反应(一般是第一振型)，而且控制效果对被控振型的频率非常敏感。例如，TMD系统与被控振型频率比偏离其最优频率比5％时，控制效果将下降约30％。2)在TMD系统工程应用有限的质量范围内，对结构控制能力有限。例如，TMD系统质量与被控振型广义质量之比为3％时，它给结构附加的阻尼比不超过4％。因此，TMD控制系统对阻尼比稍大一些的结构，如第一振型阻尼比为5％的钢筋混凝土结构，其控制效果通常较差。3)由于TMD系统调频到与被控振型反应共振的频率、控制该振型反应，而结构在地震、甚至中小地震作用下可能进入非线性、没有固定的频率和振型，因此，TMD系统用于结构地震反应控制是无效的。
为了改善被动TMD系统的性能，Chang和Soong(1980)以及Havrot等人(1983)提出了半主动TMD控制系统。在实际应用中更多的是混合质量阻尼器(Hybrid Mass Damper，HMD)，HMD系统由TMD和主动控制作动器组合而成。TMD按没有主动控制作动器的被动控制系统设计，因此，它满足被动TMD系统最优频率比和最优阻尼比的关系(Soong and Dargush，1997；欧进萍，2003)；主动控制作动器的最优控制力在此TMD系统的基础上按主动控制算法设计。HMD系统主要的优点有以下两点：当主动控制作动器失效或停止工作时，TMD系统可以发挥其被动控制的作用和效果，因此，HMD具有Fail-safe的可靠性；另一方面，在较大环境干扰下，作动器开始工作，HMD实际上就是有弹簧和阻尼器的AMD系统，它比TMD系统有更好的控制效果和更高的控制鲁棒性，但当环境干扰较小时，HMD切换到TMD系统工作状态，主动控制作动器停止工作，节省能源并延长主动控制作动器的使用寿命。这是传统的HMD控制系统，此外还有ATMD(Active Tuning Mass Damper)和DUOX(AMD与TMD的复合系统)等。
从以上的论述中可以看出：1)TMD控制系统对结构频率较为敏感，并且对结构地震响应控制无效；此外当结构所受风荷载加大时，TMD系统质量块的行程也将放大，必须采取有效措施限制其行程，如果还要保证既定的控制效果不受损失，就必须联合主动控制形成混合控制系统。2)纯主动控制系统控制效果虽然十分显著，但是代价较高，例如对于一栋上百米高的建筑，大量分析结果表明：风振下达到30％的控制效果需要作动器出力达到几十吨、甚至上百吨，同时质量块的行程也较大，实际中难以实现，此外主动控制系统工作时所需的能量巨大(有时高达到几百千瓦)。3)利用变阻尼或智能阻尼装置简单替代主动质量驱动(Active Mass Driver)控制系统系统中的作动器的方案已经被大量研究证实是不可取的，因为AMD系统工作时有很多情况是作动器在推着质量块运动，而阻尼器只能提供与速度反向的力，无法提供推力。4)传统的HMD控制系统虽然对上述某些问题进行了改进，但是还是难以解决质量块的大行程和控制效果之间矛盾的合理平衡，特别是当结构所受外荷载加大时上述矛盾尤为突出，很大程度上制约了HMD控制系统在实际工程中的进一步应用。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种可以减少大质量块的行程，可大大缩减整体重量和体积，降低能耗的结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置。
本发明的目的是这样实现的：它包括安装在结构上的被动调频质量阻尼控制系统(简称TMD)，安装在TMD上的主动质量驱动/阻尼器(简称AMD)，在TMD与结构之间设置有阻尼装置和弹性垫，所述的TMD与结构之间设置的阻尼装置是变阻尼装置，TMD上设置有滑轨，AMD安装在滑轨上，AMD的底部设置有齿条、齿轮机构，齿条、齿轮机构的齿轮安装在齿轮轴上，齿轮轴通过传动机构与飞轮传动轴相连，飞轮安装在飞轮传动轴上，它还包括AMD驱动电机。
本发明还可以包括这样一些结构特征：
1、所述的AMD驱动电机安装在TMD上，电机的输出轴与滚珠丝杠相连，丝杠与AMD相连。
2、齿轮轴与飞轮传动轴相互平行，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大带轮、安装在飞轮传动轴上的小带轮和连接在大带轮与小带轮之间的同步带。
3、齿轮轴与飞轮传动轴相互垂直，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大锥齿轮、安装在飞轮传动轴上的小锥齿轮，大锥齿轮与小锥齿轮相互啮合。
4、所述的AMD驱动电机安装在AMD上，电机的输出轴上安装有小带轮II，齿轮轴上安装有大带轮II，小带轮II与大带轮II之间由同步带相连，齿轮轴与飞轮传动轴相互平行，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大带轮、安装在飞轮传动轴上的小带轮和连接在大带轮与小带轮之间的同步带。
5、所述的弹性垫是弹簧。
6、所述的弹性垫是橡胶隔震垫。
7、所述的变阻尼装置可以是磁流变阻尼器或者半主动变阻尼控制系统。
8、所述的安装在结构上的TMD是在结构上安装导轨，TMD的质量块通过阻尼器安装在导轨上，阻尼器端部与导轨滑块之间用万向球连接，导轨沿平面正交两方向设置，质量块与结构之间设置有橡胶减振垫。
本发明提出的HMD系统实际上是将主动控制与变阻尼控制联合应用，该新型系统对结构在强风作用下的振动控制十分有利。例如对于某一高层结构，被动TMD控制系统在100年一遇风荷载作用下控制效果最好仅有7％，而采用本发明提出的新型HMD控制系统，在相同的质量块行程前提下控制效果可以稳定达到30％以上，如图8和图9给出了不同风速对应不同结构响应下TMD控制与HMD控制结果的比较，数值结果有力地证实了上述结论。此外，本发明的HMD系统还保留了传统HMD系统的优越性，在结构经常遇到的小风荷载作用下，关闭主动作动器，整套系统处于TMD被动工作状态，此时需要调整系统中的变阻尼装置使之达到最佳耗能状态，从而可以节约大量能量，延长主动控制系统的使用寿命。
四、附图说明
图1是本发明的原理结构示意图；
图2是本发明的第一种实施方式的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是本发明的第二种实施方式的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明的第三种实施方式的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8、9本发明与被动TMD系统在结构控制效果与结构响应关系方面的比较，其中图8为结构加速度控制效果与风速(实际是结构响应)对应关系，图9为为保证既定的质量块行程所需的变阻尼装置阻尼系数。
五、具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合图1，结构振动控制的新型混合质量驱动变阻尼控制装置的第一种实施方式的组成包括安装在结构21上的被动调频质量阻尼控制系统(简称TMD)22，安装在TMD上的主动质量阻尼器(简称AMD)23，在TMD与结构之间设置有阻尼装置24和弹性垫25。所述的安装在结构上的TMD是在结构上安装导轨，TMD的质量块通过阻尼器安装在导轨上，阻尼器端部与导轨滑块之间用万向球连接，导轨沿平面正交两方向设置，质量块与结构之间设置有橡胶减振垫。TMD系统导向装置可以提供平面内两个正交方向的独立运动而合成为平面内的任意方向的运动，具体为阻尼器端部与导轨滑块采用万向球连接，滑轨沿平面正交两方向设置，滑块可以在其上沿直线自由滑动。
结合图2和图3，TMD与结构之间设置的阻尼装置是变阻尼装置，TMD上设置有滑轨1，AMD安装在滑轨上，AMD的底部设置有由齿条2、齿轮3组成的齿条齿轮机构，齿条齿轮机构的齿轮安装在齿轮轴4上，齿轮轴通过传动机构与飞轮传动轴5相连，飞轮6安装在飞轮传动轴上，它还包括AMD驱动电机7。所述的AMD驱动电机安装在TMD上，电机的输出轴与滚珠丝杠8相连，丝杠与AMD相连。齿轮轴与飞轮传动轴相互平行，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大带轮9、安装在飞轮传动轴上的小带轮10和连接在大带轮与小带轮之间的同步带。
该方案延用典型的结构振动AMD系统电机驱动控制方案，形式类似于一般的旋转机械或机床，通过控制电机的输出功率和转速来控制AMD系统的直线作用力。该方案采用旋转电机作为动力源，旋转电机固定在TMD上，其输出轴与滚珠丝杠相连，将其旋转运动转换为直线运动，推动小车式AMD作水平运动。小车安放在滑轨上，滑轨固定在TMD上，从而小车能够在TMD上直线滑动。小车底部装有齿轮齿条机构，将小车的直线运动转换为旋转运动，带动传动轴旋转。齿轮的传动轴与飞轮的传动轴通过同步带相连，设计转速和齿轮保持一定比例，使飞轮能够转动，从而实现预定功能。
结合图4和图5，本发明的第二种实施方式是在第一种实施方式的基础上作如下改动：齿轮轴与飞轮传动轴相互垂直，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大锥齿轮11、安装在飞轮传动轴上的小锥齿轮12，大锥齿轮与小锥齿轮相互啮合。
该方案与方案一原理基本相同，不同之处主要在于小车的飞轮采用了横向放置方式从而使得空间大为降低。具体实现方式是采用了锥齿轮的传动方式，使系统传动轴变为纵向方向。因此小车主体尺寸特别是高度与重量得到了缩减，计算结果表明这种结构可以比方案一轻30％左右。
结合图6和图7，本发明的第三种实施方式是在第一种实施方式的基础上作如下改动：所述的AMD驱动电机安装在AMD上，电机的输出轴上安装有小带轮II 13，齿轮轴上安装有大带轮II 14，小带轮II与大带轮II之间由同步带相连，齿轮轴与飞轮传动轴相互平行，所述的齿轮轴与飞轮传动轴之间的传动机构包括安装在齿轮轴上的大带轮、安装在飞轮传动轴上的小带轮和连接在大带轮与小带轮之间的同步带。
方案三在小车车身安装驱动电机，采用自身动力，不依靠与TMD相连的发动机，通过同步带与齿轮传动轴相连，小车通过齿轮齿条将转动转化为直线运动；
另一组齿不轮齿条传动机构又将小车的直线运动转化为转动，两组齿轮传动轴通过同步带将转动按照一定传动比传递给飞轮。
上述各实施方式中的弹性垫可以选择弹簧、橡胶隔震垫等。变阻尼装置可以选用磁流变阻尼器或半主动变阻尼装置等。