专利名称：气密式变断面调频水柱的阻尼装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种阻尼装置，尤指一种可装设于高层建筑结构的抗风减振系统，由于抗振力量源于系统因应其所依附主结构体的振动而自然产生的惯性力，故毋须提供额外的驱动力的气密式变断面调频水柱的阻尼装置。
背景技术：
一般结构振动控制技术主要是通过在结构的适当位置安装特殊装置以改变结构的振动频率，或增加系统整体的阻尼而达到减振目的。这些特殊减振装置依其运作机制的不同，可分为隔震器(isolator)、消能器(energy dissipator)及吸能器(energy absorber)等三大类，其中隔震器适用于建筑或设备的防(地)震设计，高楼抗风则以消能器或吸能器较为可行。消能器需透过斜撑或墙等非结构构件安装于楼层之间，在结构振动过程中，消能器因应于相邻楼层间的相对运动而启动消能机制；由于每组消能器的容量有限，欲达到显著的振动控制效果通常须安装为数可观的消能器，特别是针对超高层大楼的抗风设计；吸能器乃独立的动力机械系统，与主结构体整合设计而成为次结构系统。当次结构与主结构产生共振时，会将风力或其它外力引致的振动能量转移到次结构，因而抑制主结构的振动反应。吸能器一般安装于建筑的顶楼或接近顶楼的楼层，不须像消能器分散遍布于结构中，因此对建筑设计的结构侵犯性较低(lessstructurally invasive)，易为建筑师所接受。目前已应用于高层建筑的抗风吸能系统，依所提供惯性质量的物理状态为固态或液态，区分为调频质块阻尼系统(Tuned Mass Damper，TMD)及调频液态阻尼系统(Tuned Liquid Damper，TLD)。其中，调频质块阻尼系统包括弹簧式与单摆式系统；调频液态阻尼系统则包括调频水波阻尼系统(Tuned Sloshing Water Damper，TSWD)与调频水柱阻尼系统(Tuned Liquid Column Damper，TLCD)。兹针对上述各吸能系统的组成及运作进一步说明如下1.弹簧式调频质块阻尼系统图1所示为房屋构架安装弹簧式调频质块阻尼系统的示意图，房屋构架1是由横梁11与柱体12所构成，调频质块阻尼系统2则由质块21、弹簧22、油压阻尼器23及滚轮24所组成。配合质块21的质量大小调整弹簧22劲度，可决定调频质块阻尼系统的振动频率，当振动频率与主结构趋于一致时抗振效果最佳(调频质块阻尼系统之名即由此而来)。一旦结构受到风力或其它外力作用而产生振动时，调频质块阻尼系统随即产生相对运动，由于共振效应，主结构的振动能量遂大量转移至调频质块阻尼系统而得以降低其振动反应，转移到调频质块阻尼系统的能量则通过油压阻尼器23予以消散。但弹簧式调频质块阻尼系统附属质块21的重量与体积十分庞大，对建筑结构设计而言是额外的负担，且弹簧22及油压阻尼器23等机械组件必须定期维护以避免生锈、老化及漏油等问题，加上有金属疲劳的潜在问题，因此在实际推广应用上仍受到阻力。
2.单摆式调频质块阻尼系统图2所示为房屋构架1安装单摆式调频质块阻尼系统的示意图，其中单摆3由摆线31及锤球32所组成。由于单摆式调频质块阻尼系统的振动周期仅由摆线31的长度控制，而与锤球32的质量无关，因此设计上较弹簧式系统简单。目前全球第一高楼中国台北101大楼即采用单摆式调频质块阻尼系统作为结构的抗风机制。由于101大楼的自然振动周期长达7秒，相当于单摆3的摆线31长度约为12米时的周期，因此须将88至92楼及层的部分区域挑空，以供垂吊单摆式调频质块阻尼系统及单摆晃动时所需的空间。由于单摆3的旋转铰支点须在承重很大(锤球重达660吨)的条件下来回摆动，因此其机械加工必须精确无比且维持润滑。此外，为消散单摆3的振动能量，并防止单摆3晃动过大，该系统亦在锤球32周边配置了多组油压阻尼器23。与弹簧式系统相同，采用单摆式调频质块阻尼系统也须面对长期维护保养及金属疲劳的问题。
3.调频水波阻尼系统图3为房屋结构1安装调频水波消能系统的示意图。该调频水波阻尼系统4主要是通过水槽41的几何形状与蓄水42深度调整其自然振动频率使其与主结构产生共振。调频水波阻尼系统4依据蓄水42深度与运动方向水槽长度的比值不同，可分为浅水型与深水型阻尼系统，其比值小于0.15者定义为浅水型。浅水型调频水波阻尼系统通过液体的黏滞性与波面的碎波过程提供消能机制；深水型调频水波阻尼系统则通过设置隔板或筛网制造紊流来增加消能作用。但调频水波消能系统的流体运动具有多重振频，不仅理论分析模式复杂，设计时不易掌握其流体动力特性，且高频振态可能引发不必要的互制作用而降低控制效能，对结构振动控制的负面影响很难排除。
4.调频水柱阻尼系统图4为房屋结构1安装调频水柱消能系统5的示意图。调频水柱阻尼系统5的主体为一设计成凹字型连通管51的蓄水槽，通过调整槽内水柱52的有效长度可决定其振荡周期。在凹型槽的水平段部分可设置闸门53，控制闸门53的孔径可改变落水头而调整其阻尼行为。调频水柱阻尼系统可利用大楼既有的消防蓄水作为抗振惯性质量，可节省质块的材料与施工成本。兹归纳调频水柱消能系统的特点如下概念简单一调频水柱阻尼系统的动力行为可仿真成单自由度系统，流体动力特性容易掌握。
调频容易-吸能系统调频的精准度将影响控制效能。调频水柱阻尼系统的自然振动频率只与槽内水柱52的有效长度有关，动力特性明确，设计参数容易决定；维修需求低-调频水柱阻尼系统毋需额外提供弹簧22、油压阻尼器23或单摆3等机械装置，需要维修的项目较调频质块阻尼系统少，且无金属疲劳的问题；具双重功能-调频水柱阻尼系统能与消防水塔结合，单一系统即兼具抗风与消防的二合一功能
经济效益高-调频水柱阻尼系统可因地制宜利用既有的消防蓄水，毋须额外提供质块21或锤球32，节省材料及工程费。
综上所述，调频水柱阻尼系统具有取代质块阻尼系统的优势。尽管如此，在实际应用上，由于消防蓄水量必须符合法规、以及蓄水层空间的限制等现实条件，都增加调频水柱阻尼系统在设计上的困难，而须加以改进。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其为一种可于蓄水槽内注入工作流液，利用流体动力特性与结构产生共振互制作用以吸收振动能量的建筑抗风装置。
本实用新型的技术解决方案是一种气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其包括一蓄水槽，该蓄水槽由二直立段、以及一与二直立段相连通的连接段所构成，而该二直立段分别具有一开口，且该直立段以非垂直状与连接段连接；二封盖，该封盖分别盖设于上述二直立段的开口处，且该封盖上具有一气嘴；以及一阀门，该阀门设置于上述连接段内的适当处。
如上所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其中，该蓄水槽的直立段与水平置放面之间具有小于九十度的夹角。
如上所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其中，该蓄水槽的直立段与水平置放面之间具有大于九十度的夹角。
如上所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其中，该直立段与连接段的断面为不相同的大小及形状。
如上所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其中，该蓄水槽为一凹字型。
如上所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其中，该蓄水槽为一V字型，且该V字型蓄水槽设置于楔型基座上。
如上所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其中，该蓄水槽为一圆弧型。
本实用新型的特点和优点是本实用新型的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其装设于高层的建筑结构，包括一由二直立段以及连接段所构成的蓄水槽，该二直立段与连接段相连通，且该二直立段分别具有一开口，而该直立段以垂直或非垂直状与连接段连接；二分别盖设于直立段开口处的封盖，该封盖具有一气嘴；以及一设置于连接段内适当处的阀门。由此，可于蓄水槽内注入工作流液，利用流体动力特性与结构产生共振互制作用，构成可吸收振动能量的建筑抗风装置。
图1为建筑构架装置公知弹簧式调频质块阻尼系统的示意图。
图2为建筑构架装置公知单摆式调频质块阻尼系统的示意图。
图3为建筑构架装置调频水波阻尼系统的示意图。
图4为建筑构架装置调频水柱阻尼系统的示意图。
图5为本实用新型的第一实施例侧视图图6为本实用新型的第二实施例断面示意图。
图7为本实用新型的第三实施例断面示意图。
图8为本实用新型的第四实施例示意图。
图9为本实用新型的第五实施例示意图。
图10为本实用新型的第六实施例示意图。
附图标号说明(公知部分)1、房屋构架 11、横梁 12、柱体2、调频质块阻尼系统 21、质块 22、弹簧23、油压阻尼器 24、滚轮 3、单摆31、摆线 32、锤球 4、调频水波消能系统
41、水槽 42、蓄水5、调频水柱消能系统51、凹字型连通管 52、水柱53、闸门(本实用新型部分)6、6a、6b、6c、6d、6e、蓄水槽 61、直立段62、工作流液 63、阀门64、连接段65、封盖 66、气嘴67、气室7、楔型基座具体实施方式
请参阅图5至图10所示，分别为本实用新型的第一实施例侧视图、第二实施例断面示意图、第三实施例断面示意图、第四实施例示意图、第五实施例示意图及第六实施例示意图。如图所示本实用新型一种气密式变断面调频水柱的阻尼装置，是由一蓄水槽6、二封盖65及一阀门63构成，可于蓄水槽6内注入工作流液62，利用流体动力特性与结构产生共振互制作用以吸收振动能量的建筑抗风装置。
该蓄水槽6是由二直立段61、以及一与二直立段61相连通的连接段64构成，而该二直立段61分别具有一开口，且该直立段61是以非垂直状与连接段64连接，而该直立段61与连接段64的断面可为不相同的大小及形状，如可为圆形或矩形，其力学行为及功能并无差异，由此构成不同形式的蓄水槽6a、6b(如图6、图7所示)，而该蓄水槽6的直立段61可与水平置放面之间具有小于九十度的夹角(如图5所示)，或该蓄水槽6c的直立段可与水平置放面之间具有大于九十度的夹角θ，成为一内聚式凹字型(如图8所示)；另该蓄水槽6d为一V字型，且该V字型蓄水槽6d可设置于楔型基座7上(如图9所示)，该蓄水槽6e为一圆弧型(如图10所示)。
该封盖65分别盖设于上述二直立段61的开口处，且该封盖65上具有一气嘴66。
该阀门63设置于上述连接段64内的适当处。如此，通过上述的结构构成一全新的气密式变断面调频水柱的阻尼装置。
请参阅图5所示，为本实用新型的侧视图。如图所示当本实用新型装置于高层建筑结构作为抗风减振系统运用时，是将该蓄水槽6内注入工作流液62，通过调整槽内工作流液62的有效长度及气室67压力，使其振荡周期与结构周期一致而产生共振，以转移结构因风力或其它外力引致的振动能量，降低主结构的振动反应，提升结构的安全与舒适性。蓄水槽6的直立段61以气密式顶盖65密封，透过充气嘴66微调其两端气室67的压力，改变调频水柱阻尼系统的振动周期。此外在蓄水槽4的连接段44部分可设置闸门63，控制闸门63的孔径可改变流场落水头而调整其自身的消能行为；使本实用新型可与大楼的消防水塔结合设计成兼具消防、抗风二合一功能的蓄水槽，基于空间节省与经济性考虑，在市场上将可取代调频质块阻尼系统，且本实用新型可透过充气嘴66改变其两端气室67的压力而调整振动周期，提供额外的系统调频机制；此外，蓄水槽6的直立段可设计成外展式，即与水平面有一小于九十度的夹角θ，且其断面大小不必与水平段相同，以增加优化设计上的弹性。
气密式调谐水柱消能系统的振动周期可计算如下T=2π2Le2g+2P0/ρh0]]>其中，P0为压力；h0为气室67的高度；g为重力加速度；ρ则为水的密度；Lc为蓄水槽6内含工作流液62的有效长度。有效长度可计算如下Le＝2hv+λd其中，hv为蓄水槽6内含工作流液62的直立段61的高度；d为蓄水槽6内含工作流液62连接段64的长度；λ为蓄水槽6直立段61断面积Av与水平段断面积Ah的比值(λ＝Av/Ah)。当调谐水柱消能系统的蓄水槽6柱体断面设计为等断面(Av＝Ah)时，其有效长度的计算可简化如下Le＝2hv+d此外，当气室67抽成真空-即压力P0＝0时，调谐水柱消能系统的周期计算公式简化为T=2πLe2g]]>此即相当于开放式调谐水柱消能系统的周期。
况且本实用新型主要是应用于高层建筑的抗风设计，其优势在于能结合既有的消防水塔而提高经济效益，不仅可应用于新建工程，亦适用于既存建筑物的补强。一般消防水塔多设置于屋顶，高层建筑则依法会在适当楼层增设中继水塔，实际应用本新型的蓄水槽6时，可配合消防水塔的位址设置一至多组系统。
本实用新型蓄水槽6效能的发挥主要倚赖该系统与结构产生共振而将能量吸收，因此调频的精准最为关键。本实用新型系统的调频可由槽内蓄水的有效长度与气室压力调整，设计时应先根据主结构的振动周期决定该系统的蓄水有效长度，并配合消防蓄水量决定其形状及断面尺寸。由于主结构的实际振动周期与设计值必然会有误差，完工后必须进行现场调频(tuning)动作，针对蓄水量及气室压力进行微调，使本实用新型的振动频率与主结构趋于一致，以确保其效能达到最佳状态。而该蓄水槽6的槽体可采用钢筋混凝土、不锈钢、压克力或其它复合材料等建材，其设计须能承受静水压力及动态水压，其中动态水压的计算须依据法规所定的最大设计风力作用下进行动力反应分析的结果。除槽体本身的强度设计外，槽体与楼板的接合界面须能承受并传递蓄水槽6在与主结构产生共振作用下所产生抑制主结构体振动的惯性力，以确保其效能的发挥。
综上所述，本实用新型气密式变断面调频水柱的阻尼装置可有效改善公知的种种缺点，可装设于高层建筑结构的抗风减振系统，由于抗振力量是源于系统因应其所依附主结构体的振动而自然产生的惯性力，故毋须提供额外的驱动力。
虽然本实用新型已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本实用新型，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖的范畴。
权利要求1.一种气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，包括一蓄水槽，该蓄水槽由二直立段、以及一与二直立段相连通的连接段所构成，而该二直立段分别具有一开口，且该直立段以非垂直状与连接段连接；二封盖，该封盖分别盖设于上述二直立段的开口处，且该封盖上具有一气嘴；以及一阀门，该阀门设置于上述连接段内。
2.如权利要求1所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，该蓄水槽的直立段与水平置放面之间具有小于九十度的夹角。
3.如权利要求1所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，该蓄水槽的直立段与水平置放面之间具有大于九十度的夹角。
4.如权利要求1所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，该直立段与连接段的断面为不相同的大小及形状。
5.如权利要求1所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，该蓄水槽为一凹字型。
6.如权利要求1所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，该蓄水槽为一V字型，且该V字型蓄水槽设置于楔型基座上。
7.如权利要求1所述的气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其特征在于，该蓄水槽为一圆弧型。
专利摘要本实用新型公开了一种气密式变断面调频水柱的阻尼装置，其装设于高层的建筑结构，包括一由二直立段以及连接段所构成的蓄水槽，该二直立段与连接段相连通，且该二直立段分别具有一开口，而该直立段以垂直或非垂直状与连接段连接；二分别盖设于直立段开口处的封盖，该封盖具有一气嘴；以及一设置于连接段内适当处的阀门。由此，可于蓄水槽内注入工作流液，利用流体动力特性与结构产生共振互制作用，构成可吸收振动能量的建筑抗风装置。
文档编号E04B1/98GK2793430SQ200520017040
公开日2006年7月5日 申请日期2005年4月19日 优先权日2005年4月19日
发明者王彦博 申请人:王彦博