用于建筑结构减振控制的主动伺服格栅阻尼装置的制作方法

本发明涉及振动控制技术领域，具体是指用于建筑结构减振控制的主动伺服格栅阻尼装置。

背景技术：

近年来，随着城市化进程加速，越来越多的人口向城市集中，建筑产业市场呈现爆发式增长，造成城市用地越来越紧张，伴随新材料、新技术、新施工工艺的推广和应用，建筑向轻、高、柔方向发展，城市超高层建筑发展也成为一种必然趋势。随结构高度增加，跨度增大，柔性增强，导致结构在强风作用下产生共振响应，轻则影响人们正常生产、生活振动舒适度要求，重则造成结构严重损伤与破坏。如何提高这些超高层建筑在台风和地震下振动稳定性问题得到了社会各界高度关注。伴随新材料、新结构和新工艺的应用，结构质量越来越轻，刚度越来越小，阻尼越来越低，结构更加轻柔，在风荷载作用下会产生较大的振动和变形，为保证结构的安全和交通的顺畅，如何针对具体建筑采取切实有效的减振措施是结构工程发展的一大挑战。

传统方法进行结构的减振非常不经济合理，且无法适应节能、减材料的建筑发展思路。近年来，耗能减振装置已成功地应用到对风作用敏感的高柔结构中，如高层建筑、高耸塔、大跨桥梁等。其目的是控制风作用下的反应,可以大幅度提高建筑结构的振动舒适度。当前土木工程主流的结构减振控制方法是调频质量阻尼器(调频质量阻尼器的缩写为TMD)和调谐液体阻尼器(调谐液体阻尼器的缩写为TLD)。

其中调谐液体阻尼器为装了一定高度液体的固定尺寸的刚性水箱系统。通过将其固定在被控结构振动最为显著的部位来减振。外荷载激励下结构的运动会带动水箱运动，从而诱发水箱内液体晃动，晃动的液体会对结构产生一个反作用力，当这个力与结构振动位移满足一定的相位关系时，就会耗散结构的振动能量，从而达到抑制结构振动的目的。通过设计TLD的一些参数就会达到对结构控制的最佳效果。

对于普通的TLD，为了达到较好的减振效果，需要在不同位置设置较多的水箱，占用空间较多，造价比较高，且减振效果也较为有限。且振动控制效果比较差，其调谐也会因为强烈的非线性而变得非常困难，并且在强激励下会出现碎波，在共振时高阶模态参与振动的比例较大，如果应用在实际工程中还需要进一步的精确设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于建筑结构减振控制的主动伺服格栅阻尼装置，该装置能够调整水箱的阻尼，具有良好的耗能减振功能。

本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：用于建筑结构减振控制的主动伺服格栅阻尼装置，包括水箱，所述水箱为建筑结构现有的蓄水箱，水箱设置在建筑结构的顶部或者设备层，所述水箱包括箱体，箱体内储存有水，其特征在于：所述装置还包括加速度传感器和控制系统，所述加速度传感器设置在建筑结构的楼顶或者2/3高度位置，用于收集在遭受外界风荷载或者地震荷载作用下建筑结构振动的加速度大小，所述箱体内设置有N组结构相同的格栅阻尼单元，N为大于等于1的自然数，N组格栅阻尼单元将箱体分割成N+1个隔腔，相邻的隔腔相贯通，所述的格栅阻尼单元包括外框架、格栅叶片轴和主动格栅叶片，所述的外框架纵向安装在箱体内，所述的格栅叶片轴为竖向安装在外框架上的多根，多根格栅叶片轴等间距一字排列，主动格栅叶片固定安装在格栅叶片轴上，主动格栅叶片的数量与格栅叶片轴的数量相等，两者呈一一对应关系，所述箱体还设置有两个水箱进出水阀，两个水箱进出水阀呈对角状分布，所述的控制系统分别与所述的水箱进出水阀和格栅叶片轴相连接，所述控制系统能够接收加速度传感器传输的加速度信号，判断是否超过限定的加速度值，在加速度超过限定值时启动水箱进出水阀对箱体内的水位进行控制，同时控制系统还能够驱动主动格栅叶片转动，通过调整主动格栅叶片的转速和旋转角度，来调整水箱的减振阻尼，得到符合结构振动周期及满足结构振型的水箱水位分配。

本发明根据高层建筑振动控制需要，在建筑关键位置安装加速度传感器，并通过控制系统监测建筑在风/地震荷载作用下的加速度，对其振型及频率特性进行识别，对于结构加速度相应超过限制值，迅速控制装置，对水箱分隔内加主动格栅进行控制。

本发明中，所述的N+1个隔腔等分设置，结构相同。

本发明中，所述箱体为矩形，所述隔腔也为矩形。

本发明中，所述的主动格栅叶片通过铆钉固定安装在格栅叶片轴上，或者焊接在格栅叶片轴上。

本发明中，所述N为2。

本发明中，所述的建筑结构为高层建筑，所述高层建筑的高度超过200m的工民用建筑。

本发明中，所述的控制系统包括计算机、数字驱动器和伺服电机，所述的数字驱动器安装在伺服电机内，计算机与数字驱动器相连接，计算机的指令通过数字驱动器传输给伺服电机，所述伺服电机与所述的格栅叶片轴相连接，伺服电机通过格栅叶片轴来驱动主动格栅叶片转动，通过改变伺服电机的运行状态来调整主动格栅叶片的转速和旋转角度，达到控制主动格栅叶片运动的目的。

本发明的主动伺服格栅阻尼装置通过格栅增加水箱减震器阻尼，并对格栅实行主动控制，通过调整格栅参数，实现TLD自振周期在一定范围内的变化，且达到满足外部荷载激励的最优阻尼比。

本发明的主动伺服格栅阻尼装置，可以通过改变格栅个数、格栅设置位置、格栅阻塞比、格栅条旋转角度、格栅伺服简谐激励频率、组成格栅的隔板尺寸等分别参数化设计和振动分析，通过分析侧壁波高及结构减振效果来分析TLD的减振性能。相比较于传统TLD，本发明的主动伺服格栅阻尼装置在各种情况下侧壁波高都有显著降低，并且碎波现象完全消除，共振时高阶模态参与振动的比例降低很多，非线性特性得到很大程度的改善，通过改变格栅参数可以很好的满足减振效果。

本发明的主动伺服格栅阻尼装置能够根据格栅TLD的等效线性TMD模型的动力方程优化出其振动控制的最佳参数：最优频比、最优阻尼比，得到TLD的几何尺寸参数，根据优化结果可知：TLD的最优阻尼比是随激励幅值的变化而改变；TLD不是所有的质量都参与振动，即存在一个振动质量参与比的问题；TLD与相同质量比的TMD的控制效果基本相同，只是在共振点以外由于TLD的阻尼比降低而使得其控制效果比TMD要稍差。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明的主动伺服格栅阻尼装置在建筑关键位置布置加速度传感器，传感器与电脑连接，通过计算机程序控制系统识别在风或者地震荷载作用下结构振型和周期，判断需要控制的频率范围和振动方向。

(2)本发明的主动伺服格栅阻尼装置将在大水箱中设置主动格栅，能显著提高水箱的阻尼，比单独一个水箱减振效果更明显

(3)本发明的主动伺服格栅阻尼装置采用伺服电机驱动，驱动器控制系统调整格栅转速和旋转角度可以调整阻尼器振动频率和最大阻尼比，达到最优控控制状态。

(4)本发明的主动伺服格栅阻尼装置通过测量纯水和设置格栅后的侧壁波高可以看出纯水TLD在晃动时具有很强的非线性特性，而设置格栅后其非线性得到明显的改善。因此纯水TLD具有显著的非线性特性，而格栅TLD可近似采用线性TMD力学模型。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明主动伺服格栅阻尼装置安装在建筑结构上的结构示意图；

图2是本发明主动伺服格栅阻尼装置中水箱的整体结构示意图；

图3是本发明主动伺服格栅阻尼装置的工作原理框架图。

附图标记说明

1为加速度传感器，21为格栅叶片轴，22为主动格栅叶片，23为外框架，

24为箱体，25为水箱进出水阀，26为隔腔，3为控制系统。

具体实施方式

如图1至图3所示的用于建筑结构减振控制的主动伺服格栅阻尼装置，包括加速度传感器1、水箱2和控制系统3，加速度传感器1设置在建筑结构的楼顶或者建筑结构的2/3高度位置，建筑结构的2/3高度位置为关键部位，加速度传感器1用于收集在遭受外界风荷载或者地震荷载作用下建筑结构振动的加速度大小，水箱2为建筑结构现有的蓄水箱，水箱2设置在建筑结构的顶部或者设备层。

水箱2包括箱体24，箱体24内储存有水，箱体24为矩形，箱体24内设置有2组结构相同的格栅阻尼单元，2组格栅阻尼单元将箱体24分割成3个隔腔26，3个隔腔26等分设置，结构相同，隔腔26为矩形，相邻的隔腔26相贯通，格栅阻尼单元包括外框架23、格栅叶片轴21和主动格栅叶片22，外框架23纵向安装在箱体24内，格栅叶片轴21为竖向安装在外框架23上的多根，多根格栅叶片轴1等间距一字排列，主动格栅叶片22固定安装在格栅叶片轴21上，主动格栅叶片22的数量与格栅叶片轴21的数量相等，两者呈一一对应关系，箱体24还设置有两个水箱进出水阀25，两个水箱进出水阀25呈对角状分布。

控制系统3分别与水箱进出水阀25和格栅叶片轴21相连接，控制系统3能够接收加速度传感器1传输的加速度信号，判断是否超过限定的加速度值，在加速度超过限定值时启动水箱进出水阀25对箱体24内的水位进行控制，同时控制系统3还能够驱动主动格栅叶片22转动，通过调整主动格栅叶片22的转速和旋转角度，来调整水箱的减振阻尼，得到符合结构振动周期及满足结构振型的水箱水位分配。

本实施例中，主动格栅叶片22通过铆钉固定安装在格栅叶片轴21上，也可以直接接在格栅叶片轴21上。

本实施例中，建筑结构为高层建筑，所述高层建筑的高度超过200m的工民用建筑。

本实施例中，控制系统3包括计算机、数字驱动器和伺服电机，数字驱动器安装在伺服电机内，计算机与数字驱动器相连接，计算机的指令通过数字驱动器传输给伺服电机，伺服电机与格栅叶片轴21相连接，伺服电机通过格栅叶片轴21来驱动主动格栅叶片22转动，通过改变伺服电机的运行状态来调整主动格栅叶片22的转速和旋转角度，达到控制主动格栅叶片22运动的目的。

作为本实施例的变换，箱体24内设置有N组结构相同的格栅阻尼单元，N为大于等于1的自然数，比如N为1、2、3……8、9等，N组格栅阻尼单元将箱体24均匀分割成N+1个隔腔26，相邻的隔腔26相贯通。

本发明的主动伺服格栅阻尼装置可以在结构遭受外界风荷载或者地震荷载的作用，加速度传感器收集结构振动的加速度大小，并通过电脑进行判断是否超过规范限制的加速度值。如果某一方向加速度超过加速度限制，电脑通过分析控制程序，得到结构的主控振型及周期。启动伺服电机，控制主动格栅的旋转角度，得到符合结构振动周期及满足结构振型的格栅旋转角度及速度，可以扩大TLD阻尼器减振的频率范围和得到减振阻尼器最优阻尼比。

本发明的主动伺服格栅阻尼装置主要包括机械部分和控制系统。机械部分主要包括：外框架、格栅叶片轴和主动格栅叶片。外框架和格栅叶片轴起支撑作用，主动格栅叶片由控制系统控制一定的转速和旋转角度转动，从而可以增大水箱阻尼且调整水箱的减振频率与结构需要控制的频率周期一致。

控制系统由计算机、数字驱动器和伺服电机组成，通过驱动器改变伺服电机的运行状态达到控制格栅运动的目的。运动控制参数通过计算机软件窗口与数字驱动器交换指令实现，通过运动参数控制框可以实现格栅运动的形式选择、振动频率设定；运行控制部分指挥电机驱动系统进行系统零位找寻、电机恒速运行及运行位置控制；运动曲线显示窗口实时显示格栅运动的位移曲线。可见，通过运动控制系统可以实现主动格栅系统的数控性能。

通过改变简谐位移激励幅值、水高、隔板个数、隔板位置、组成隔板的格栅尺寸、隔板阻塞比中的一个变量分别进行了侧壁波高的测量，通过对比得出了最优的格栅设置方案。通过测量纯水和设置格栅后的侧壁波高可以看出纯水TLD在晃动时具有很强的非线性特性，而设置格栅后其非线性得到明显的改善。因此纯水TLD具有显著的非线性特性，而格栅TLD可近似采用线性TMD力学模型。

如图3所示，当高层建筑遭受到外界风荷载或者地震荷载的作用，在高层建筑楼顶或者关键部位设置加速度传感器，监测采集得到结构关键楼层水平加速度相应，控制系统判断加速度数值是否超过规范限制。如果某一方向加速度超过加速度限制，电脑通过分析控制程序，得到结构的主控振型及周期，启动伺服电机对主动格栅进行控制，得到满足结构振动控制频率和最优阻尼器控制。

从最优频比、最优阻尼比与质量比和水箱长度的关系，可以得出TLD的最优频比要比相同质量比的TMD的最优频比要大这是因为TLD中有部分水没有参与振动的缘故，而最优阻尼比也是随着主结构位移响应的变化而变化，即与激励幅值有关。

本发明的上述实施例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。