CN109518826B - 一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置及控制方法，属于土木工程领域，涉及减振控制技术。这种抽水蓄能厂房振动控制装置及控制方法，包括适用于抽水蓄能厂房振动控制的调谐质量阻尼器装置制作和振动控制方法。该装置包括两个配重钢板、固定夹具、弹簧钢板和两个连接板，弹簧钢板的一端与配重钢板螺栓连接，另一端与固定夹具螺栓连接。通过调整配重钢板的位置及重量调节质量阻尼器的工作频率，简单可靠，不受结构空间限制。通过将固定夹具与夹具侧板连接，实现调谐质量阻尼器装置在两个方向上的控制。基于抽水蓄能电站厂房的振动特点，本发明提出采用模态参数识别手段分析减振前后的结构响应，即可判断调谐质量阻尼器在高频激励下的减振效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置及控制方法，其属于土木工程振动控制领域。
背景技术
对于土木工程结构而言，振动是一个不可忽视的问题，它是反映结构运营技术状况的重要指标。尤其对于装备大型发电机组的抽水蓄能电站厂房结构，振动问题尤为严重。随着厂房结构规模的提高、机组容量的增大，机组运行期出现振动问题的实例也愈益增多。机组振动过大会造成厂房结构的异常振动，长期处于振动状态容易造成结构的疲劳破坏，严重将导致结构出现裂缝影响结构安全。另外，振动不仅关系到厂房结构的正常使用和精密设备的安全稳定运行，还关系到日常工作人员的身心健康。因此，解决厂房结构的振动问题势在必行。
厂房结构振动的主要原因往往是由机组的高频振动引起的，而机组引发的高频振动与厂房结构的高阶振型发生频率混叠，进一步放大结构的振动响应。因此有必要引入振动控制技术来抑制结构的异常振动，保证结构安全及设备的稳定运行。对于特定频率的振动控制，应用调谐质量阻尼器比较适宜。现有的调谐质量阻尼器大多采用螺旋弹簧作为刚度单元，而目前所能生产的螺旋弹簧并不能满足抑制厂房结构高阶振型振动所需的刚度要求，成倍增加弹簧的数量一方面性价比低不经济，而且数量众多的弹簧元件也增加了调谐质量阻尼器的大小，大大提升了装置对空间的要求，对正常生产生活造成了限制。另一方面，弹簧众多的调谐装置在高频振动下很难协调工作，难以达到理想的调谐效果，并且调谐装置对生产工艺要求高，但可靠性低。
本发明针对以上问题，提出采用弹簧钢板作为阻尼器刚度元件对结构进行减振控制，克服了以往调谐质量阻尼器弹簧刚度不足及多组弹簧高频振动下难以协调的局限，通过调整配重钢板的位置及数量调谐质量阻尼器的工作频率，并将其安装在厂房结构上以抑制高频振动确保结构安全。该装置简单可靠，不受结构空间限制，且大大提高了施工效率，节约成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置及控制方法，将弹簧钢板作为调谐质量阻尼器的刚度元件与配重钢板连接并安装在厂房结构上，实现调谐厂房结构高阶振型振动频率，以达到抑制抽水蓄能电站厂房结构局部高频振动的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置，控制装置包括固定夹具，控制装置还包括弹簧钢板、配重钢板和连接板，所述弹簧钢板的一端设有两个长形螺孔，另一端设有螺栓孔；所述配重钢板上设有第一螺栓孔，所述固定夹具采用U型结构，U型结构的开口处固定连接一个夹具侧板，在固定夹具和夹具侧板的每个外侧面上均设有两个固定连接连接板的连接槽，在连接板上设有第二螺栓孔；所述的弹簧钢板的一端插在两个连接板之间用第二螺栓固定，在弹簧钢板另一端的两侧各放一个配重钢板后用第一螺栓固定；在固定夹具的三个侧面和夹具侧板上均连接有弹簧钢板时，构成控制两个方向的基于调谐质量阻尼器的高频振动控制装置。
所述第一螺栓穿过配重钢板上的第一螺栓孔和弹簧钢板上的长形螺孔。所述第二螺栓穿过连接板上的第二螺栓孔和弹簧钢板上的螺栓孔。所述连接板采用焊接结构固定在连接槽内。所述夹具侧板采用第三螺栓固定在固定夹具U型结构的开口处。
所述的一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制方法，采用下列步骤：
第一步、在厂房结构上布设加速度传感器，通过振动信号对厂房结构进行模态参数识别；
第二步、机组正常运行状态下，利用数据采集设备读取厂房结构响应并做频域分析，得到振动源的模态参数和振源频率f；
第三步、根据厂房结构与振动源模态参数信息及各测点加速度时程响应，识别厂房结构与振动源发生共振的位置；
第四步、分析高阶振型对应的模态参数，确定调谐质量阻尼器与受控高阶振型对应模态质量的质量比；
第五步、通过质量比确定调谐质量阻尼器的质量m；
第六步、通过最优调谐频率比确定调谐质量阻尼器调谐频率，/>；
第七步、设计适于抽水蓄能电站厂房的调谐质量阻尼器装置；
第八步、确定弹簧钢板（1）的结构尺寸，长度L、高度h、宽度b，等效刚度，等效质量/>，其中惯性矩/>；而/>，因此有；
第九步、根据上一步公式试算弹簧钢板的截面尺寸，并进一步确定弹簧钢板的长度L；
第十步、通过第三螺栓将夹具侧板与固定夹具连接，把固定夹具固定在结构柱上；
第十一步、通过第一螺栓将弹簧钢板和配重钢板组合在一起，形成调谐质量阻尼器装置；
第十二步、通过第二螺栓将弹簧钢板连接到固定夹具侧面的连接板上；
第十三步、通过敲击试验法或其他模态测试方法测试调谐质量阻尼器的自振频率，并通过调整配重钢板与弹簧钢板的连接位置和配重刚板的质量来调谐阻尼器的自振频率；
第十四步、将调整好的调谐质量阻尼器安装在产生共振的结构柱上（安装方向以第一螺栓与振动方向一致为准），再次测试机组正常运行状态下的厂房结构响应；
第十五步、利用数据采集设备读取安装调谐质量阻尼器减振结构的结构响应，得到减振结构加速度响应峰值；
第十六步、对比减振结构与原结构的结构响应即可判断调谐质量阻尼器在抽水蓄能电站厂房结构中的减振效果。
本发明的有益效果是：这种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置及控制方法，包括调谐质量阻尼器的制作和振动装置的控制方法。该装置包括两个配重钢板、固定夹具、弹簧钢板和两个连接板，弹簧钢板的一端与配重钢板螺栓连接，另一端与固定夹具螺栓连接，克服了以往调谐质量阻尼器弹簧刚度不足及多组弹簧高频振动下难以协调的局限，通过调整配重钢板的位置及质量调节质量阻尼器的工作频率，并将其安装在厂房结构上以抑制高频振动确保结构安全。该装置简单可靠，不受结构空间限制，且大大提高了施工效率，节约成本。通过将固定夹具与夹具侧板连接，实现调谐质量阻尼器装置在两个方向上的控制。基于抽水蓄能电站厂房的振动特点，机组振源频率远高于厂房结构基频，但与厂房结构高阶振型存在频率混叠，易引发厂房结构局部异常振动。本发明提出采用模态参数识别得到厂房结构和振动源的模态参数，通过振动控制方法将调谐质量阻尼器装置布设在厂房结构中，并通过机组正常工况运行进行振动信号测试。在数据采集过程中，利用数据采集设备读取装置响应数值并分析，即可判断调谐质量阻尼器在机组正常运行下厂房结构的减振效果。这种减振装置及振动控制方法可适用于现有的抽水蓄能电站厂房结构中，具有构造简单、施工简便、造价低廉的优势。
附图说明
图1是一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置的结构图。
图2是一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置的结构正视图。
图3是一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置的结构俯视图。
图4是弹簧钢板的安装示意图。
图5是弹簧钢板的结构图。
图6是一种抽水蓄能电站厂房结构振动双向控制装置的俯视图。
图7是一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制方法技术方案图。
图8是结构模型扫频激励下的结构响应时程曲线图。
图9是结构模型扫频激励下的结构频谱曲线图。
图10是结构模型正弦激励下的加速度响应时程曲线图。
图11是减振结构正弦激励下的加速度响应时程曲线图。
图中：1、弹簧钢板，1a、长形螺孔，1b、螺栓孔，2、配重钢板，3、固定夹具，3a、夹具侧板，3b、连接板，3c、连接槽，4、第一螺栓，4a、第一螺栓孔，5、第二螺栓，5a、第二螺栓孔，6、第三螺栓。
具体实施方案：
图1- 6出示了本发明提供的抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置的示意图。它包括两个配重钢板2、固定夹具3、弹簧钢板1和两个连接板3b，弹簧钢板1的一端设有两个长形螺孔1a，另一端设有两个螺栓孔1b，配重钢板2上设置有四个对称的第一螺栓孔4a，长形螺孔1a与第一螺栓孔4a通过第一螺栓4连接，固定夹具3为U型结构，三个外侧面均设置有两个连接槽3c，连接板3b具有第二螺栓孔5a的一侧与螺栓孔1b通过第二螺栓5连接，另一侧卡入连接槽3c。
该装置还包括夹具侧板3a，夹具侧板3a外侧面设置两个连接槽3c，夹具侧板3a与固定夹具3通过第三螺栓6连接，固定夹具3的三个侧面和夹具侧板3a均连接有弹簧钢板1时，构成可控制两个方向的的高频振动控制装置。
该装置通过弹簧钢板1的水平刚度和配重钢板2的质量变化调节其自振频率，弹簧钢板1的水平刚度通过长形螺孔1a与配重钢板2连接的位置不同进行调节，配重钢板2可选取不同质量和密度的钢板。
本发明提供的抽水蓄能电站厂房结构振动控制方法，其技术路线如图7所示，采用下列步骤：
第一步、在厂房结构上布设加速度传感器，通过振动信号对厂房结构进行模态参数识别；
第二步、机组正常运行状态下，利用数据采集设备读取厂房结构响应并做频域分析，得到振动源的模态参数和振源频率f；
第三步、根据厂房结构与振动源模态参数信息及各测点加速度时程响应，识别厂房结构与振动源发生共振的位置；
第四步、分析高阶振型对应模态参数，确定调谐质量阻尼器与受控高阶振型对应模态质量的质量比μ；
第五步、通过质量比确定调谐质量阻尼器的质量m；
第六步、通过最优调谐频率比确定调谐质量阻尼器调谐频率，/>；
第七步、设计适于抽水蓄能电站厂房结构的调谐质量阻尼器装置；
第八步、确定弹簧钢板（1）的结构尺寸，长度L、高度h、宽度b，等效刚度，等效质量/>，其中惯性矩/>；而/>，因此有；
第九步、根据上一步公式试算弹簧钢板1的截面尺寸，并进一步确定弹簧钢板1的长度L；
第十步、通过第三螺栓6将夹具侧板3a与固定夹具3连接，把固定夹具3固定在结构柱上；
第十一步、通过第一螺栓4将弹簧钢板1和配重钢板2组合在一起，形成调谐质量阻尼器装置；
第十二步、通过第二螺栓5将弹簧钢板1、配重钢板2与固定夹具3连接成整体；
第十三步、通过敲击试验法或其他模态测试方法测试调谐质量阻尼器的自振频率，并通过调整配重钢板2与弹簧钢板1的连接位置和配重刚板2的质量来调谐阻尼器的自振频率；
第十四步、将调整好的调谐质量阻尼器安装在产生共振的结构柱上（安装方向以第一螺栓4与振动方向一致为准），再次测试机组正常运行状态下的厂房结构响应；
第十五步、利用数据采集设备读取安装调谐质量阻尼器减振结构的结构响应，得到减振结构加速度响应峰值；
第十六步、对比减振结构与原结构的结构响应即可判断调谐质量阻尼器在抽水蓄能电站厂房结构中的减振效果。
本发明所提出的抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置及控制方法，通过自主设计调谐质量阻尼器并将其安装在厂房结构上，采集分析减振前后结构响应的数据差异，即可判断调谐质量阻尼器在机组正常运行下厂房结构的减振效果。该发明解决了传统结构加固成本高、施工困难、效果不显著等问题，为抽水蓄能电站厂房结构振动问题提供了有效保障。
实例分析
基于抽水蓄能电站厂房结构的振动特点，设计了一组适于厂房结构的减振控制模型试验。
结构模型由二层钢框架结构组成，以电磁振动台模拟抽水蓄能电站厂房正常运行状态下的机组振动。
基于抽水蓄能电站厂房机组振源的振动特点，机组振源频率与厂房结构高阶振型存在频率混叠，因此本试验考虑通过模态识别手段确定结构模型的高阶振型，运用电磁振动台输出以此高阶振型对应频率的正弦信号。此时，激励频率与结构模型高阶振型重叠进一步放大了结构响应。为了抑制结构模型的结构响应，运用减振控制技术降低结构振动响应。
通过施加扫频振动信号对结构进行模态参数识别，利用数据采集设备读取结构响应如图8所示，并对其进行频域变换，得到结构模型的频域曲线如图9所示，以观察结构模型的各阶振型。
通过对试验结果进行分析，得到结构模型的基频为16.94Hz，而基于机组振源与高阶振型的耦合特点，因此选取结构的高阶振型对应的111.3Hz为振动源的输出参数。设置振动台的输出为111.3Hz正弦波对结构模型进行信号激励，通过数据采集装置读取结构顶层在振动台激励下的加速度时程曲线，如图10所示。通过结构模型的响应可以看出由于振源与结构高阶振型的相互作用放大了结构响应，因而下一步考虑采用调谐质量阻尼器减振装置来降低结构响应。
目前常见的调谐质量阻尼器广泛地应用于高耸结构和大跨桥梁结构的低频振动控制中，其中均采用螺旋弹簧作为刚度单元。而对于振动频率较高的结构，螺旋弹簧不足以为调谐质量阻尼器提供足够的弹簧刚度。因此考虑采用板簧来替代螺旋弹簧实现调谐较高频率振动的目的。质量块采用密度较大金属对称连接在弹簧钢板一侧，另一侧通过固定夹具连接在结构顶层柱子上。
调谐质量阻尼器装置首先选取质量比μ为2%，确定配重钢板的质量为160g。调谐质量阻尼器装置的自振频率按下式确定：
得到其自振频率为109.11Hz。根据调谐质量阻尼器装置的自振频率/>的计算公式，试算弹簧钢板的截面尺寸。其中弹簧钢板弹性模量E=200 GPa，密度ρ=7.8g/cm3。
根据自振频率公式试算弹簧钢板的长、宽、高分别为L=80mm、b=30mm、h=3mm。
为了验证调谐质量阻尼器的减振效果，同样地设置振动台的输出频率为111.3Hz正弦波对减振模型进行信号激励，利用数据采集装置读取结构顶层在振动台激励下的加速度时程曲线，如图11所示。通过对比结构模型与减振模型的加速度时程响应，可以明显地看出安装调谐质量阻尼器装置的减振模型结构响应较原结构模型响应有所降低，减振效率达37%。因此，这种基于调谐质量阻尼器的抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置能有效抑制结构振动，为解决抽水蓄能电站厂房结构振动问题提供了新思路。
Claims (6)
1.一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置，控制装置包括固定夹具(3)，其特征在于：控制装置还包括弹簧钢板(1)、配重钢板(2)和连接板(3b)，所述弹簧钢板(1)的一端设有两个长形螺孔(1a)，另一端设有螺栓孔(1b)；所述配重钢板(2)上设有第一螺栓孔(4a)，所述固定夹具(3)采用U型结构，U型结构的开口处固定连接一个夹具侧板(3a)，在固定夹具(3)和夹具侧板(3a)的每个外侧面上均设有两个固定连接连接板(3b)的连接槽(3c)，在连接板(3b)上设有第二螺栓孔(5a)；所述的弹簧钢板(1)的一端插在两个连接板(3b)之间用第二螺栓(5)固定，在弹簧钢板(1)另一端的两侧各放一个配重钢板(2)后用第一螺栓(4)固定；在固定夹具(3)的三个侧面和夹具侧板(3a)上均连接有弹簧钢板(1)时，构成控制两个方向的基于调谐质量阻尼器的高频振动控制装置。
2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置，其特征在于：所述第一螺栓(4)穿过配重钢板(2)上的第一螺栓孔(4a)和弹簧钢板(1)上的长形螺孔(1a)。
3.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置，其特征在于：所述第二螺栓(5)穿过连接板(3b)上的第二螺栓孔(5a)和弹簧钢板(1)上的螺栓孔(1b)。
4.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置，其特征在于：所述连接板(3b)采用焊接结构固定在连接槽(3c)内。
5.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置，其特征在于：所述夹具侧板(3a)采用第三螺栓(6)固定在固定夹具(3)U型结构的开口处。
6.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置的控制方法，其特征在于，采用下列步骤：
第一步、在厂房结构上布设加速度传感器，通过振动信号对厂房结构进行模态参数识别；
第二步、机组正常运行状态下，利用数据采集设备读取厂房结构响应并做频域分析，得到振动源的模态参数和振源频率f；
第三步、根据厂房结构与振动源模态参数信息及各测点加速度时程响应，识别厂房结构与振动源发生共振的位置；
第四步、分析高阶振型对应的模态参数，确定调谐质量阻尼器与受控高阶振型对应模态质量的质量比μ；
第五步、通过质量比μ确定调谐质量阻尼器的质量m；
第六步、通过最优调谐频率比确定调谐质量阻尼器自振频率fT，
第七步、设计适于抽水蓄能电站厂房的调谐质量阻尼器装置；
第八步、确定弹簧钢板(1)的结构尺寸，长度L、高度h、宽度b，等效刚度k*＝2.133EIL，等效质量m*＝0.155ρbhL5+0.833mL4，其中惯性矩而/>因此有
第九步、根据上一步公式试算弹簧钢板(1)的截面尺寸，并进一步确定弹簧钢板(1)的长度L；
第十步、通过第三螺栓(6)将夹具侧板(3a)与固定夹具(3)连接，把固定夹具(3)固定在结构柱上；
第十一步、通过第一螺栓(4)将弹簧钢板(1)和配重钢板(2)组合在一起，形成调谐质量
阻尼器装置；
第十二步、通过第二螺栓(5)将弹簧钢板(1)连接到固定夹具(3)侧面的连接板(3b)上；
第十三步、通过敲击试验法或其他模态测试方法测试调谐质量阻尼器的自振频率，并通过调整配重钢板(2)与弹簧钢板(1)的连接位置和配重钢板(2)的质量来调谐阻尼器的自振频率；
第十四步、将调整好的调谐质量阻尼器安装在产生共振的结构柱上，安装方向以第一螺栓(4)与振动方向一致为准，再次测试机组正常运行状态下的厂房结构响应；
第十五步、利用数据采集设备读取安装调谐质量阻尼器减振结构的结构响应，得到减振结构加速度响应峰值；
第十六步、对比减振结构与原结构的结构响应即可判断调谐质量阻尼器在抽水蓄能电站厂房结构中的减振效果。
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| KR20160122956A (ko) * | 2015-04-15 | 2016-10-25 | 전금석 | 멀티거동형 플레이트 강재댐퍼 |
| JP2018044397A (ja) * | 2016-09-16 | 2018-03-22 | 積水化学工業株式会社 | 制振装置 |
| CN210105016U (zh) * | 2019-01-06 | 2020-02-21 | 大连理工大学 | 一种抽水蓄能电站厂房结构振动控制装置 |
-
2019
- 2019-01-06 CN CN201910009973.4A patent/CN109518826B/zh active Active
Patent Citations (5)
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