[發(fā)明專利]高頻調(diào)諧質(zhì)量減振器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310289997.2
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103334509A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹學(xué)軍;孔祥斐;王乾安
• 申請（專利權(quán)）人: 隔而固（青島）振動控制有限公司;尹學(xué)軍
• 主分類號: E04B1/98
• 分類號: E04B1/98
• 代理公司: 青島發(fā)思特專利商標(biāo)代理有限公司 37212
• 代理人: 鞏同海

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)減振技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于控制建筑結(jié)構(gòu)高頻振動的調(diào)諧質(zhì)量減振器。?

背景技術(shù)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，各種高層、超高層建筑和細(xì)高結(jié)構(gòu)、大跨度建筑物日益增多,在防治這類大跨度、低頻結(jié)構(gòu)物發(fā)生破壞性共振成為工程建設(shè)中不得不著手解決的現(xiàn)實(shí)問題，實(shí)踐證明，調(diào)諧質(zhì)量減振器（也有文獻(xiàn)中稱質(zhì)量調(diào)諧阻尼器，或稱質(zhì)量調(diào)諧減振器，本文中也簡稱TMD）是一種有效的振動控制裝置，將它的固有頻率調(diào)整到接近結(jié)構(gòu)的自振頻率，然后安裝在結(jié)構(gòu)上。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到激振力干擾發(fā)生振動時，引起質(zhì)量調(diào)諧減振器的共振，利用調(diào)諧質(zhì)量的振動慣性力反作用于結(jié)構(gòu)本身，從而抵消激振力，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。要想最大限度發(fā)揮質(zhì)量調(diào)諧減振器的減振作用，要求其固有頻率要盡可能與主結(jié)構(gòu)的自振頻率一致，否則TMD的減振效果就會大幅下降。例如專利號為200410087664.2的中國專利公開了這樣一種定向垂直可調(diào)式調(diào)諧質(zhì)量減振器，可以用于控制過街天橋或港口棧橋等建筑結(jié)構(gòu)在人行激勵作用下引發(fā)的共振。?

這樣結(jié)構(gòu)的TMD適合15Hz以下的應(yīng)用場合，當(dāng)應(yīng)用于高頻場合時（15Hz及以上）會遇到困難。原因在于，由于橡膠等彈性材料的剛度是非線性的，因此現(xiàn)有高品質(zhì)質(zhì)量調(diào)諧減振器產(chǎn)品中大多采用鋼彈簧作為彈性元件。根據(jù)理論力學(xué)常識，此類調(diào)諧質(zhì)量減振器的固有頻率與全部彈簧的總剛度及全部彈簧的在質(zhì)量塊重力作用下的整體靜變形的關(guān)系如公式（1）及公式（2）所示：?

其中：f是頻率，單位是Hz；k是全部彈簧的總剛度；m是質(zhì)量；π是圓周率；g是重力加速度；δ是全部彈簧的整體靜變形，單位是mm。?

由固有頻率的計(jì)算公式（1）可以知道，現(xiàn)有的此類調(diào)諧質(zhì)量減振器可以對2Hz左右的人行激勵等低頻振動提供良好的控制，拓展后大致可以適用于10Hz左右的結(jié)構(gòu)振動的減振，但是卻很難適用諸如15Hz以上的高頻結(jié)構(gòu)振動。這是因?yàn)椋捎?jì)算公式（1）可知，假設(shè)在質(zhì)量m相同的條件下，調(diào)諧質(zhì)量減振器的固有頻率為3Hz時所需全部彈簧的總剛度為K，則固有頻率為15Hz時所需全部彈簧的總剛度為25K，全部彈簧的總剛度需提高25倍，如果直接利用大剛度的彈簧，則生產(chǎn)成本大大提高，如果利用大量低剛度彈簧并聯(lián)，則產(chǎn)品平面尺寸很大，同時需要較大的平面空間擺放布置，適用性較差；此外，由公式（2）可以得出，當(dāng)調(diào)?諧質(zhì)量減振器的固有頻率為3Hz時，全部彈簧的整體靜變形為27.6mm；而固有頻率為15Hz時，全部彈簧的整體靜變形僅為1.1mm；固為頻率為20Hz時，全部彈簧的整體靜變形僅為0.6mm。可是單個彈簧在加工時必然會有高度誤差，以設(shè)置四個彈簧的調(diào)諧質(zhì)量減振器為例，由于加工高度誤差的存在，如圖1所示，第一個彈簧的剛度曲線如K₁所示，彈簧變形量達(dá)到S₁時，該彈簧的剛度K₁開始進(jìn)入線性變化階段；同理，第二個彈簧變形量達(dá)到S₂時，該彈簧的剛度K₂開始進(jìn)入線性變化階段；第三個彈簧變形量達(dá)到S₃時，該彈簧的剛度K₃開始進(jìn)入線性變化階段；第四個彈簧變形量達(dá)到S₄時，該彈簧的剛度K₄開始進(jìn)入線性變化階段，因此，理論上，當(dāng)四個彈簧組合使用時，至少使壓縮變形量達(dá)到S₄，另外還要扣除振幅，才能使所有彈簧在振動時在剛度線性階段變化，此時由上述彈簧構(gòu)成的調(diào)諧質(zhì)量減振器的固有頻率才是一個穩(wěn)定值，實(shí)踐中，以螺旋圓柱彈簧為例，S1～S4可以達(dá)到0.5～4mm,以2mm振幅為例，彈簧壓縮量達(dá)2.5～6mm時，才能保證質(zhì)量塊振動時在剛度線性階段變化，對應(yīng)的TMD工作頻率為10～6.5Hz。?

由此我們可以發(fā)現(xiàn)，對于專利號為200410087664.2中這類“直接支承式”的TMD：1)當(dāng)振幅大于自重作用下的靜變形量時，TMD的固有頻率參數(shù)為一變量，不能正常工作；2)當(dāng)彈簧初始非線性誤差大于振幅和自重作用下的靜變形量之和，TMD的固有頻率參數(shù)為一變量，也不能正常工作。?