CN107762229A - 控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，包括一个箱体，在箱体的顶面连接一个调谐质量阻尼器(TMD)，TMD包括一根竖直的悬臂圆管，在悬臂圆管下端水平穿插两根圆杆，底端连接一个质量块，两根圆杆垂直交叉，两端分别连接一个质量块，在五个质量块底端分别连接导体板，下面对应五个永磁体连接在箱体底面，在质量块内部安装水平阻尼网和竖直阻尼网，水平阻尼网固定在质量块内壁上，竖直阻尼网一端固定在质量块底部，另一段与水平阻尼网固定，质量块内部装有液体。

Description

控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置

技术领域

本发明属于高耸结构减振控制领域，特别涉及一种控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，可用于土木工程结构中减振控制。

背景技术

现今时代，输电塔、通信塔等高耸结构迅猛发展，其振动问题得到了广泛地关注与研究。高耸结构所承受的主要荷载包括结构自重、设备重、风荷载和地震作用，而且由于其高度较高、横截面相对较小、结构刚度偏小，容易产生较大幅度的振动，从而导致结构出现疲劳损伤或者破坏，加大结构的易损性，因此，高耸结构在风荷载和地震作用下的振动控制问题成了近年来结构工程领域的热门话题。开发设计一种能够减小高耸结构在风荷载和地震作用下振动反应的减振装置，对整个结构工程行业具有重要的现实意义。

目前常用的振动控制技术可以分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制和混合控制。其中被动控制的方法主要包括消振、隔振、动力吸振及阻尼减振等方法。阻尼器是以提供运动的阻力，将结构振动的能量转变成热能或其它可以损耗的能量，从而减小结构的响应，达到耗能减振的目的，主要包括金属耗能阻尼器、摩擦耗能阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)是一种被动减振控制装置，安装在结构上，利用共振原理，将主体结构的振动能量吸收转移到控制装置上，从而减少结构在风荷载和地震作用下的振动响应。通过调节阻尼器的固有频率，使其与主体结构的基本频率基本一致，当主体结构在风荷载和地震作用下振动时，阻尼器会在主体结构振动方向上产生一个方向相反地惯性力来阻碍主体结构的振动，从而达到振动控制作用。调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，简称TLD)是一种被动耗能减振装置，利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用，同时液体运动也会产生惯性力，从而形成了TLD的减振控制作用，其具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点。

当前的减振控制装置大多采用单一方式进行减振，并且只能控制某一方向的振动。在现实环境中，结构在风荷载或地震作用下的振动响应是多维度的，因此，单一方式与单一方向的减振控制方式效果不显著而且不经济。

发明内容

本发明目的是提供一种控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，主要针对输电塔、通信塔等高耸结构振动控制，旨在减小其在风荷载和地震作用下水平和扭转方向的振动反应，本发明通过调谐液体及调谐质量减振两种方式将外界激励获得的能量转化为其他形式的能量，从而达到减振耗能的效果。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，包括一个箱体，在所述箱体的顶面连接一个调谐质量阻尼器(TMD)，所述的TMD包括一根竖直悬挂在箱体顶部的悬臂圆管，在所述的悬臂圆管下端水平穿插两根圆杆，悬臂圆管的底端连接一个质量块；所述的两根圆杆垂直交叉，且两端分别连接一个质量块；在五个质量块底端分别连接导体板，在箱体的底面与五个导体板上下相对的设有五个永磁体，所述调谐质量阻尼器的前三阶模态为水平摆动和扭转，与被控结构的模态相同，通过调节所述的悬臂圆管的长度和刚度与所述的圆杆两端质量块之间的距离分别使TMD的摆动和扭转频率与被控结构保持一致，实现共振特性，从而达到最优的吸振减振效果，而所述的质量块在摆动过程中与永磁体发生相对运动，根据电磁感应原理会在质量块底端的导体板内产生电涡流，并且质量块会受到电磁阻力阻碍相对运动，在此过程中被控结构的振动能量转化为电阻热能消耗掉，有较好的吸振耗能效果。

进一步的，所述的质量块内部安装水平阻尼网和竖直阻尼网，所述的水平阻尼网固定在质量块内壁上，所述的竖直阻尼网一端固定在质量块底部，另一段与水平阻尼网固定，质量块内部装有液体，当被控结构的振动能量传递到质量块时，内部液体晃动，液体通过阻尼网耗散动力势能，同时液体晃动产生的动力水压能起到减振控制的作用，在此过程中被控结构的振动能量转化为因摩擦、碰撞产生的热能耗散掉，达到较好的耗能减振效果。

进一步的，所述的箱体结构采用绝缘耐腐蚀材料制作，使其能够预防外界复杂环境的变化。

进一步的，所述的悬臂圆管采用形状记忆合金(SMA)材料制成，该合金具有高阻尼、自复位的特性，所述的圆杆与质量块均采用镀锌铜制成，其耐腐蚀，导磁性小，不易被磁铁吸引，所述的导体板采用铝板，导电性强，产生的涡流大，散热性好，所述的永磁体能够产生持续稳定的磁场。

进一步的，所述的水平阻尼网和竖直阻尼网上均匀分布多个网孔，所述网孔为方形，且网孔的边长在20mm左右，可通过调节阻尼网的高度与网孔尺寸，实现调节调谐液体阻尼器的阻尼比，达到最优的阻尼比，同时具有较宽的阻尼比调节范围。

进一步的，有限元分析结果显示，所述的调谐质量阻尼器的前三阶模态为水平方向的摆动与扭转，与被控结构相同。

进一步的，调谐质量阻尼器水平摆动的频率式中，K是悬臂圆管的刚度，m为阻尼器的质量。

进一步的，所述调谐质量阻尼器水平摆动的频率通过改变悬臂圆管的长度和刚度调节，其扭转频率通过改变圆杆两端质量块之间的距离调节。

进一步的，所述的调谐质量阻尼器的前三阶频率被调节至于被控结构的前三阶频率接近，这里所述的“接近”是指频率的相差范围控制在5％范围内。

进一步的，所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置安装固定在高耸结构的顶部。

本发明的工作原理如下：

本发明固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生摆动或扭转时，带动调谐质量阻尼器一起振动，由于阻尼器与被控结构的振动频率基本一致，被控结构的振动能量传递到阻尼器上，而阻尼器上的质量块在摆动过程中与箱体底部的永磁体发生相对运动，根据电磁感应原理会在质量块底端的导体板内产生电涡流，并且质量块会受到电磁阻力阻碍相对运动；此外，质量块振动过程中，内部的液体通过阻尼网耗散动力势能，同时液体晃动产生的动力水压能起到减振控制的作用，在此过程中被控结构的振动能量最终转化为电阻热能与因摩擦、碰撞产生的热能被消耗掉。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的前三阶模态与高耸结构的模态相同，能够通过调节本装置自身的参数使其振动频率与被控结构保持一致，产生共振特性，可以把被控结构的振动能量更多的传递到本装置上，从而吸收更多的动能，吸振效果显著，并且本装置属于被动控制范畴，无需外部能量输入，技术简便，造价廉洁，实际应用能力强。

(2)本发明利用电磁感应原理，通过导体板与永磁体之间的相对运动，在导体板内产生无数的电涡流，另外，质量块内部的液体通过阻尼网耗散动力势能，同时液体晃动产生的动力水压作用在质量块内壁上，使振动能量最终转化为电阻热与因摩擦、碰撞产生的热能被消耗掉。

(3)本发明中的悬臂圆管采用形状记忆合金(SMA)制成，提高了该装置的阻尼特性，同时SMA的自复位能力提高了该装置的使用寿命。

(4)质量块内部安装阻尼网改善了本装置的阻尼比，通过调节阻尼网的高度与网孔尺寸，实现调节调谐液体阻尼器的阻尼比，达到最优的阻尼比，同时具有较宽的阻尼比调节范围。

(5)本发明旨在减小地震或风荷载作用下高耸结构在水平和扭转方向的振动响应，从而实现不同方向的减振控制，能够更好的对输电塔等高耸结构起到保护作用，产生较好的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)是调谐质量阻尼器的有限元模型，图1(b)、图1(c)、图1(d)为调谐质量阻尼器的前三阶振动模态示意图；

图2是控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置的三维示意图；

图3是质量块内部结构示意图；

图4是控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置的正视图；

图5是控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置的侧视图；

图6是控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置的俯视图；

图中：1箱体，2悬臂圆管，3圆杆，4质量块，5导体板，6永磁体，7水平阻尼网，8垂直阻尼网，9液体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，当前的减振控制装置大多采用单一方式进行减振，并且只能控制某一方向的振动。在现实环境中，结构在风荷载或地震作用下的振动响应是多维度的，因此，单一方式与单一方向的减振控制方式效果不显著而且不经济，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种对高耸结构在风荷载和地震作用下综合减振控制的装置，将TMD于TLD有效的组合起来并结合电涡流效应的原理，使其能同时对结构的水平和扭转方向进行减振控制。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，

本发明提出的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置如图1，图2，图3，图4，图5，图6所示，该装置可以安装在高耸结构的顶部。具体结构如下：该耗能减振装置由一个箱体1、一根悬臂圆管2、两根圆杆3、五个质量块4、五块导体板5、五个永磁体6、五个水平阻尼网7、五个竖直阻尼网8和液体9构成，具体结构如下：

在箱体1的顶面连接一个调谐质量阻尼器(TMD)，所述的TMD包括一根竖直的悬臂圆管2，在悬臂圆管2下端水平穿插两根圆杆3，底端连接一个质量块4，所述的两根圆杆3垂直交叉，两端分别连接一个质量块4，在所述的五个质量块4底端分别连接导体板5，下面对应五个永磁体6连接在箱体1底面，所述的质量块4内部安装水平阻尼网7和竖直阻尼网8，所述的水平阻尼网7固定在质量块内壁上，所述的竖直阻尼网8一端固定在质量块4底部，另一段与水平阻尼网7固定，质量块4内部装有液体9；

调谐质量阻尼器的前三阶模态为水平摆动和扭转，与被控结构的模态相同，通过调节所述的悬臂圆管的长度和刚度与所述的圆杆两端质量块之间的距离分别使调谐质量阻尼器的摆动和扭转频率与被控结构保持一致，实现共振特性，从而达到最优的吸振减振效果，而所述的质量块在摆动过程中与永磁体发生相对运动，根据电磁感应原理会在质量块底端的导体板内产生电涡流，并且质量块会受到电磁阻力阻碍相对运动，在此过程中被控结构的振动能量转化为电阻热能消耗掉，有较好的吸振耗能效果。

进一步的，箱体1采用绝缘耐腐蚀材料制作，使其能够预防外界复杂环境的变化。

进一步的，箱体1的顶面连接一个调谐质量阻尼器(TMD)。

进一步的，调谐质量阻尼器包括一根竖直的悬臂圆管2，其下端水平穿插两根圆杆3，底端连接一个质量块4，圆杆两端分别连接一个质量块4，五个质量块4底端均连接导体板5，下面对应五个永磁体6连接在箱体1底端。

进一步的，悬臂圆管2采用形状记忆合金(SMA)材料制成，该合金具有高阻尼、自复位的特性，圆杆3与质量块4均采用镀锌铜制成，其耐腐蚀，导磁性小，不易被磁铁吸引，导体板5采用铝板，导电性强，产生的涡流大，散热性好，永磁体6能够产生持续稳定的磁场。

进一步的，质量块4内部安装水平阻尼网7和竖直阻尼网8，水平阻尼网7固定在质量块4内壁上，竖直阻尼网8一端固定在质量块4底部，另一端与水平阻尼网7固定，质量块4内部装有液体9。

进一步的，水平阻尼网7和竖直阻尼网8上均匀分布多个网孔，网孔为方形且边长在20mm左右，可通过调节阻尼网的高度与网孔尺寸，实现调节调谐液体阻尼器的阻尼比，达到最优的阻尼比，同时具有较宽的阻尼比调节范围。

进一步的，有限元分析结果显示，调谐质量阻尼器的前三阶模态为水平方向的摆动与扭转，与被控结果相同。

进一步的，式中，f是调谐质量阻尼器水平摆动的频率，K是悬臂圆管2的刚度，m为阻尼器的质量。

进一步的，调谐质量阻尼器水平摆动的频率通过改变悬臂圆管2的长度和刚度调节，其扭转频率通过改变圆杆两端质量块4之间的距离调节。

进一步的，调谐质量阻尼器的前三阶频率被调节至于被控结构的前三阶频率接近，这里所述的“接近”是指频率的相差范围控制在5％范围内。

进一步的，控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置安装固定在高耸结构的顶部。

工作时，箱体1固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生摆动或扭转时，带动调谐质量阻尼器一起振动，阻尼器上的质量块4在摆动过程中与箱体1底部的永磁体6发生相对运动，根据电磁感应原理会在质量块底端的导体板5内产生电涡流，并且质量块4会受到电磁阻力阻碍相对运动；此外，质量块4振动过程中，内部的液体9通过阻尼网7、8耗散动力势能，同时液体9晃动产生的动力水压能起到减振控制的作用，在此过程中被控结构的振动能量最终转化为电阻热能与因摩擦、碰撞产生的热能被消耗掉。

为了达到最佳的减振效果，本实施方案中需要注意以下几个方面：

第一：合理地选择悬臂圆管的长度与刚度并且合理地调整质量块之间的距离，是调谐质量阻尼器的摆动和扭转频率与被控结构尽可能保持一致；第二：合理地选择导体板的材料，使其具有较好的导电性与散热性，达到更好地耗能效果；第三：选用形状记忆合金(SMA)，利用其高阻尼、自复位的特性对阻尼器进行优化，延长减振控制装置的使用寿命；第四：合理地选择质量块内部的液体，使其能够应对室外的复杂环境并且能够提供最大的阻尼比，合理地选择阻尼网网孔的尺寸，达到最佳的耗能减振效果；第五：该装置适合安装在高耸结构振动时位移响应最大处，以便该装置更好地发挥其减振控制作用。

本发明通过调谐质量阻尼器与被控结构实现共振，将被控结构的振动能量传递到阻尼器上，达到吸振的目的，并应用电磁耗能原理与液体通过阻尼网并与质量块壁碰撞将能量耗散掉，从而达到最佳的减振耗能效果。本发明将TMD于TLD有效的组合起来并结合电涡流效应的原理，实现了对结构在水平和扭转方向进行减振的效果。

本发明的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：包括一个箱体，在所述箱体的顶面连接一个调谐质量阻尼器，所述的调谐质量阻尼器包括一根竖直悬挂在箱体顶部的悬臂圆管，在所述的悬臂圆管下端水平穿插两根圆杆，底端连接一个质量块，所述的两根圆杆垂直交叉，两端分别连接一个质量块，在五个质量块底端分别连接导体板，在箱体的底面与五个导体板上下相对的设有五个永磁体；，所述调谐质量阻尼器的前三阶模态为水平摆动和扭转，与被控结构的模态相同，通过调节所述的悬臂圆管的长度和刚度与所述的圆杆两端质量块之间的距离分别使调谐质量阻尼器的摆动和扭转频率与被控结构保持一致。

2.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的质量块内部安装水平阻尼网和竖直阻尼网，所述的水平阻尼网固定在质量块内壁上，所述的竖直阻尼网一端固定与质量块底部，另一段与水平阻尼网固定，质量块内部装有液体。

3.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的箱体结构采用绝缘耐腐蚀材料制作，使其能够预防外界复杂环境的变化。

4.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的悬臂圆管采用形状记忆合金材料制成；所述的悬臂圆杆与质量块均采用镀锌铜制成。

5.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的导体板采用铝板；所述的永磁体能够产生持续稳定的磁场。

6.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的水平阻尼网和竖直阻尼网上均匀分布多个网孔，所述网孔为方形，且网孔的边长在20mm左右。

7.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：调谐质量阻尼器水平摆动的频率式中，，K悬臂圆管的刚度，m为阻尼器的质量。

8.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述调谐质量阻尼器水平摆动的频率通过改变悬臂圆管的长度和刚度调节，其扭转频率通过改变圆杆两端质量块之间的距离调节。

9.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的调谐质量阻尼器的前三阶频率被调节至于被控结构的前三阶频率接近。

10.如权利要求1所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置，其特征在于：所述的控制水平和扭转方向的电涡流耗能减振装置安装固定在高耸结构的顶部。