CN102031751B - 电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器 - Google Patents
电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种用于大型工程结构如大跨度人行桥的水平振动吸能减振装置，属于土木工程结构振动控制领域，包括由两侧支柱和横梁组成的等强度悬臂梁，横梁两端分别同该两侧支柱对应连接，两侧支柱底端固定在基座上；其特征是，质量块的上端同横梁连接，该质量块的下端装有矩形永磁体；质量块下部一侧设有经支承件固定安装在基座上的铜板，且该铜板同所述矩形永磁体之间留有间隙。它能使调谐质量阻尼器***的刚度与阻尼实现完全分离，可以很容易地通过调节永磁体与铜板之间的间隙实现TMD的阻尼比在较大范围内连续可调，有效解决了常规TMD出现的漏油失效与阻尼参数难以调节且对频率有干扰的问题。
Description
技术领域
本发明属于土木工程结构振动控制领域，具体涉及到一种采用悬臂梁与电涡流分别作为刚度与阻尼元件的大吨位水平调谐质量阻尼器，适用于大型工程结构如大跨度人行桥的水平振动控制。
背景技术
随着轻质高强材料使用的增多和对结构美学要求的提高，现代人行桥变得越来越轻柔，且具有极小的结构固有阻尼比。近年来，一些人行桥发生了由行人激起的大幅度横向振动，严重影响到行人的舒适性和桥梁的耐久性。虽然目前对人行桥的横向振动机理仍处于探索阶段，但工程界已摸索出有效的应对措施，即通过提高结构的等效模态阻尼比来抑制人行桥的振动。具体措施有：吸能减振如调谐质量阻尼器(TMD)，或耗能减振如附加粘滞阻尼器。由于粘滞阻尼器必须安装在结构内部具有较大相对位移的位置，在实际应用时有一定的局限性，因此TMD在大跨度人行桥的减振设计中得到了更为广泛的应用。
调谐质量阻尼器(TMD)主要由质量块，调谐频率的弹性元件，耗散结构振动能量的阻尼元件三大组件构成。弹性元件主要有螺旋弹簧、摆与悬臂梁等方式。采用螺旋弹簧作为弹性元件的优势是刚度比较容易设计与调整，且所需空间小，比较适合竖向TMD采用。水平TMD若采用螺旋弹簧，则需额外的支承和精确的导向结构，否者会产生较大的摩擦阻尼，降低TMD在小振幅下的减振效果与启动速度。摆式结构的摆长与振动频率成反比，低频时需要较大的空间，也可设计成结构复杂的复摆，高频时则振幅不能过大。悬臂梁式所需空间适当，本身兼备导向和支承功能，但是设计不当的悬臂梁会在固定端产生应力集中，在TMD长期工作中，有可能发生疲劳损伤。至于阻尼元件，小型TMD的阻尼构件一般采用橡胶，大型TMD则采用附加的液体粘滞阻尼器等。但是橡胶材料存在老化和刚度与阻尼不易分离的缺点，粘滞阻尼器存在漏油和不易养护等问题。
研究表明，对于设定的质量比(即TMD子结构的质量与结构质量的比值)，基于定义的优化准则(一般取主结构的某种响应最小化或附加模态阻尼比的最大化)，TMD均存在一个最优的阻尼比。TMD的阻尼比如果相对最优值稍微增大，不会严重影响减振效果，并且还可以有效减小TMD的冲程，避免与限位装置的频繁碰撞。因此，如果TMD的阻尼系数也能够较容易地调节，将有助于提高TMD的整体控制效果与耐久性。但是，目前已有的大吨位TMD采用的阻尼元件多为小孔节流式或液压活塞式粘滞阻尼器，阻尼器一旦加工制作完毕，阻尼系数基本是一定值，很难进行后期调整。
相对阻尼参数，TMD的频率调谐精度对振动控制效果影响更大。一方面结构的理论计算频率与实测值会有所偏差，另一方面结构的活载也会发生不断变化，也就是说结构的模态参数存在一定的不确定性，因此要求TMD的频率在安装及运营工程中，能够进行一定的微调，目前已有技术大都通过调整质量或更换弹簧的方式实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有大吨位调谐质量阻尼器存在的频率与阻尼参数不易调节的问题，提供一种电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器，为刚度与阻尼可调式调谐质量阻尼器(TMD)，并能使调谐质量阻尼器***的刚度与阻尼实现完全分离，通过悬臂梁的等强度设计保证弹性元件的疲劳寿命。
本发明的技术方案是，所述电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器包括由两侧支柱和横梁组成的等强度悬臂梁，横梁两端分别同该两侧支柱对应连接，两侧支柱底端固定在基座上；其结构特点是，质量块的上端同横梁连接，该质量块的下端装有矩形永磁体；质量块下部一侧设有经支承件固定安装在基座上的铜板，且该铜板同所述矩形永磁体之间留有间隙。
以下对本发明做出进一步说明。
进一步地，在所述横梁两端与对应的两侧支柱之间设有横梁高度调节机构；横梁高度调节是指横梁相对基座的距离调节，亦即横梁相对地面的距离调节，它是通过调节横梁端部在支柱上的位置来实现的。
本发明中，通过横梁高度调节机构调节横梁高度，即调节质量块的高度，实现调谐质量阻尼器(TMD)频率的微调；调谐质量阻尼器(TMD)的阻尼由电涡流阻尼器提供，通过调节矩形永磁体与铜板之间的间隙可以方便地调节调谐质量阻尼器(TMD)阻尼比的大小，并实现阻尼的连续可调；从而有效解决了常规TMD采用粘滞阻尼器出现的漏油失效与阻尼参数难以调节且对频率有干扰的问题。
本发明中，由相互之间不接触的矩形永磁体和铜板构成电涡流阻尼机构，耐久性与可靠性高，通过变化矩形永磁体与铜板之间的距离可以实现电涡流阻尼的连续调节。
所述悬臂梁按等强度设计，解决了弹性元件的疲劳问题，且通过横梁高度调节机构可以调节有效悬臂梁长度(即刚度)，实现调谐质量阻尼器(TMD)频率的微调。
本发明适用于大型工程结构如大跨度人行桥的横向振动控制，它同现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的调谐质量阻尼器弹性元件采用等强度悬臂梁，不仅避免了等截面悬臂梁存在的应力集中现象，而且本身兼备支承和导向功能，简化了结构和制造工艺，提高了调谐质量阻尼器(TMD)有效质量与总质量的比值；
2、本发明的调谐质量阻尼器可以通过调节悬臂梁等效长度进行所述调谐质量阻尼器(TMD)频率的调节；
3、本发明的调谐质量阻尼器构造的电涡流阻尼机构实现了调谐质量阻尼器刚度与阻尼的完全分离，调节阻尼比时不会产生调谐质量阻尼器的附加刚度；
4、本发明的调谐质量阻尼器可以通过改变永磁体与铜板之间的间距，很容易地实现所述调谐质量阻尼器阻尼参数的调节；
5、本发明的调谐质量阻尼器采用的电涡流阻尼还有以下优点：不与结构直接接触，无任何摩擦阻尼，基本不需任何后期维护；内无流体，无需密封件，不会出现任何漏液；不受温度等环境因素影响。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图。在图中：
1-质量块， 2-长螺杆， 3-带座滚珠轴承，
4-螺栓， 5-螺栓， 6-支承点调节螺杆，
7-支柱， 8-螺钉， 9-矩形永磁体，
10-立杆， 11-钢板， 12-铜板，
13-螺栓， 14-基座， 15-角钢，
16-螺栓， 17-螺栓， 18-横梁。
具体实施方式
如图1所示，本发明的大吨位水平悬臂式电涡流调谐质量阻尼器包括由两侧支柱7和横梁18组成的等强度悬臂梁，横梁18两端分别同该两侧支柱7对应连接，两侧支柱7底端固定在基座14上；其结构特点是，质量块1的上端同横梁18连接，该质量块1的下端装有矩形永磁体9；质量块1下部一侧设有经支承件固定安装在基座14上的铜板12，且该铜板12同所述矩形永磁体9之间留有间隙。
所述基座14采用槽钢制作。
如图1，所述横梁高度调节机构的一种组成是，横梁18端部装在带座滚珠轴承3上，该带座滚珠轴承3的座装在支柱上，通过横梁支承点高度调节螺杆6，就可调节带座滚珠轴承3在支柱7上的安装位置，即调节悬臂梁的等效长度，从而实现所述TMD频率的微调。所述横梁高度调节机构还可采用现有技术的各种机械调节机构。
所述质量块1由若干标准薄钢板通过螺栓串接，组成钢制质量块。
所述铜板12的支承件由立杆10和装在该立杆10上的钢板11组成，铜板12固定在钢板11上。
本发明的工作过程是，当与所述基座(TMD槽钢基座)14相连的结构发生水平振动时，通过带座滚珠轴承3固定在横梁7上的质量块1随之运动，通过长螺杆2串接的质量块1带动与之相连的矩形永磁体9同时运动，从而会在通过立杆10与钢板11固定不动的铜板12中产生抑制质量块1相对运动的电涡流效应，形成TMD耗能所需的阻尼，并且可以通过变化铜板12与矩形永磁体9的间隙，实现TMD电涡流阻尼大小的调节。
针对我国某大跨度人行桥的横向振动控制，试制了本发明的TMD样机，质量块含永磁体重0.6吨。自由振动试验表明：当不加铜板，即没有电涡流形成时，悬臂质量***本身的阻尼比在0.5％以下；加设两块铜板后，当铜板与永磁体间距3mm时，TMD的阻尼比可达16％；当铜板从3mm间距逐渐远离永磁体时，TMD的阻尼比逐渐降低，间距大于4cm以后，阻尼比下降到1％以下；TMD的横梁安装高度在1.4m-1.5m变化时，频率在1Hz-0.9Hz变化。
Claims (3)
1.一种电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器，包括由两侧支柱(7)和横梁(18)组成的等强度悬臂梁，横梁(18)两端分别同该两侧支柱(7)对应连接，两侧支柱(7)底端固定在基座(14)上；其特征是，质量块(1)的上端同横梁(18)连接，该质量块(1)的下端装有矩形永磁体(9)；质量块(1)下部一侧设有经支承件固定安装在基座(14)上的铜板(12)，且该铜板(12)同所述矩形永磁体(9)之间留有间隙；在横梁两端与对应的两侧支柱之间设有横梁高度调节机构；横梁高度调节是指横梁相对基座的距离调节，亦即横梁相对地面的距离调节。
2.根据权利要求1所述电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器，其特征是，所述质量块(1)由若干标准薄钢板通过螺栓串接组成。
3.根据权利要求1所述电涡流阻尼调节的大吨位悬臂梁式水平调谐质量阻尼器，其特征是，所述铜板(12)的支承件由立杆(10)和装在该立杆(10)上的钢板(11)组成，铜板(12)固定在钢板(11)上。
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