组合式单摆式调谐质量阻尼器结构系统及施工方法与流程

本发明属于高层、超高层建筑物或构筑物减震领域，具体涉及一种单摆式调谐质量阻尼器结构及施工方法。

背景技术：

随着我国经济水平的不断提高，高层建筑及超高层建筑如雨后春笋般出现在人们的视野中，在节约用地和展现城市面貌的同时，这些建筑也面临着诸如风振、地震等安全性问题。传统抗震方法以“抗”为主要途径，通过加大结构断面、加多配筋来抵抗地震，其结果是断面越大刚度越大，地震作用也越大，所需断面及配筋也越大。这种恶性循环，不仅难以保证安全，也使“抗震”所需的建筑造价大大提高。因此，自20世纪70年代初现代控制理论引入到土木工程的振动控制中后，对于振动控制的理论、试验和应用的研究成果也大多集中在多、高层和高耸建筑中。

调谐减震技术一般从较窄频域振动控制入手，但tmd系统的控制效果对输入地震动频率的依赖性较大，tmd系统是通过容器中液体的晃动来消耗和吸收结构振动的能量，从而达到控制结构振动的目的。在减小同一结构在不同地震下的反应或不同结构在同一地震下的反应的方面，tmd的有效性有很大的差别。有些情况下可以发挥很好的性能，但有些情况下收效甚微。这暗示着可获得的结构响应的减小量依赖于激励结构振动的地面运动特性。当地面运动的卓越周期接近结构的固有频率即tmd调谐频率，从而产生共振时，反应减少值很大；当二者相差很远时，反应减小值减小，而且，在脉冲类地震激励下tmd的效果是有限的。而且地震反应的频域相对较宽，单个tmd不能有效对抗，这就有了多重调谐质量阻尼器(multipletunedmassdamper，mtmd)的提出和推广。但是，地震作用较为迅速。每个tmd是否反应或是否充分反应都关系到其减震的有效性。可见，地震反应的特殊性以及tmd系统对激励地震动的依赖性是调谐减震技术的难题，也正是因为这些问题的存在使得调谐减震技术有较大改进和发展空间。本发明运用单摆式调谐质量阻尼器、建筑高位水箱和计算机程序系统协同工作克服上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种适合于高层、超高层建筑物或构筑物的单摆式调谐质量阻尼器结构及施工方法，该种减震结构，既能应对不同频率的地震动，又能保证减震结构的固有频率接近地面卓越周期，达到减震的作用。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

单摆式调谐质量阻尼器结构，由三个部分组成，分别为单摆式调谐质量阻尼器、建筑高位水箱、计算机监测控制系统。

其中所述单摆式调谐质量阻尼器包括高强度钢索、空心钢构球体、油压粘滞性阻尼器和缓冲钢环，采用吊装方式将钢索安装在建筑物或构筑物预留位置的支座上。若安装的建筑物或构筑物高度达到吊装机吊装极限，可采用直升机下放的方式安装。接着使用吊装或直升机下放的方式将空心钢构球放到钢索位置进行搭接安装，最后把大型油压粘滞阻尼器和缓冲钢环运用相同的方式进行安装；到此，整个单摆式调谐质量阻尼器安装完成，对整个结构进行安装检查，保证结构的稳定性和安全性在进行钢构柱的安装，以连接整个单摆式调谐质量阻尼器。

进一步的，所述建筑高位水箱，由常规的高层建筑高位水箱进行改造，在底部加设20cm高的夹层，用于计算机控制线路的铺设，在底部的两块底板处各开一个直径为的圆孔，连接给水管到空心钢构球体；在两块底板处设计多直径孔盖用于控制流入空心球体的液体体积。

进一步的，架设计算机监测与控制系统，在建筑装饰过程中将计算机整个控制系统进行安装。该系统包括监测地震动阈值及频率、处理地震图谱将频率值和阈值传输进水箱落水管口开闭装置控制系统，通过地震动频率值计算在5min内需注入空心钢构球体内阻尼液体体积量，使得单摆式调谐质量阻尼器的固有频率接近激励地震动频率。

组合式单摆式调谐质量阻尼器结构系统，包括如下施工步骤：

a)根据建筑所在地地质、地震情况初步确定地震反应的频域，通过该范围较大的地震频域初步确定空心钢构球球体设计体积、质量以及高位水箱的容量和落水管开闭孔多个直径；所述钢构球体由125mm厚、内径为4.5m—5m，外径为5.5m—6.5m的圆环形钢板堆叠焊接组合而成；

b)待确定好一系列参数后，进行工厂预制加工；

c)在建筑物或构筑物顶层楼板底面安装8组60mm—100mm直径所述高强度钢索；在安装前需要测定钢索的载重能力，确保钢索变形在正常使用状态范围内，保障结构的安全性；

d)所述高强度钢索安装完成后，与所述钢构球下部支架连接，透过支架托住球体质量块的下半部，将载重悬吊支承于顶层结构中。调质阻尼器支架周围另设置8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器(primaryhydraulicviscousdamper)，其功能在于吸收球体质量块摆动时之冲击能量，减少质量块的摆动。而为了避免强风及大地震作用时质量块摆幅过大，调质阻尼器下方则放置了一可限制球体质量块摆动的缓冲钢环(bumperring)，以及8组水平向防撞油压式阻尼器(snubberdamper)，一旦质量块摆动振幅超过1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒(bumperpin)就会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动；

e)当整个单摆式调谐质量阻尼器结构安装完成后使用大型托架进行支撑，待整个系统安装完成撤去。所述高位水箱进行安装，水箱最大存液量97m³,落水管一端安装于水箱下部，另一端连接至空心钢构球体内部，整个系统完成后水箱内装入阻尼液体；

f)最后接入所述计算机监测控制系统，计算机系统分为两部分，包括地震动监测系统和水箱开闭孔盖开闭控制系统。计算机的监测系统监测地震的频率值，可以为该地地震情况提供有关数据，将监测到的频率值转入计算机的控制系统，通过该数值计算机控制开闭孔盖开放孔的大小，该开闭孔打开时间控制在5min内；

g)整个系统完成安装后，撤去大型托架并在高位水箱内加入阻尼液。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明空心钢构球体结构示意图：

(a)为本发明单片环形钢板结构示意图；

(b)为本发明多片钢板焊接示意图；

图3为本发明钢索与下部支架连接结构示意图:

图4为本发明斜向的大型油压粘滞性阻尼器示意图；

图5为水平向防撞油压式阻尼器与缓冲钢环结构示意图；

图6为本发明实施例二的结构示意图；

图7本发明建筑高位水箱内部结构示意图；

图8为发明计算机接入示意图：

图8为本发明实施例三的结构示意图；

图中：1.建筑物顶层底面预埋板，11.连接盘，2.拉结构件，3.钢索，4.支架，41.承托钢支架，42.筒状钢棒，5.空心钢构球，51.环形钢构板，6.斜向的大型油压粘滞性阻尼器，7.支承钢构底面板，71.水平向防撞油压式阻尼器，72.缓冲钢环，8.钢构柱，9.柔性落水管，10.建筑高位水箱，101.落水孔盖，102.抽水孔

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其它实施例，都属于本发明的保护范围。

结合附图1至图8，对本发明作进一步说明：

本发明所述深组合式单摆式调谐质量阻尼器结构系统，如图所示，包括钢索3、承托钢支架41、筒状钢棒42、空心钢构球5(由多片圆环形钢构板51焊接而成)、斜向的大型油压粘滞性阻尼器6和支承钢构底面板7(其上包括水平向防撞油压式阻尼器71和缓冲钢环72)、钢构柱8、柔性落水管9、建筑高位水箱10(所述水箱细部结构包括落水孔盖101和抽水孔102)，建筑封顶时预埋底面预埋板1，同时在工厂中加工圆环形钢板51、承托钢支架41和筒状钢棒42，将承托钢支架41和筒状钢棒42焊接成整体支架4，当建筑整体完成后，使用钢索3一端连接预埋板1的连接盘11，在建筑现场将圆环形钢板51堆叠焊接成空心钢构球并放置于整体支架4内，通过吊装将整个构件与钢索3另一端连接，之后完成支承钢构底面板7吊装连接，测试整个单摆式调谐质量阻尼器安装的稳定性及安全性，随后进行建筑屋顶高位水箱10和柔性落水管9安装，最后接入计算机系统，完成整个系统工程。

建筑物顶层底面预埋板1、支承钢构底面板7，厚度为500-1500mm，边长为3500-600mm。

结合图2(a)和(b)，所述空心钢构球内径为4.5m—5m，外径为5.5m—6.5m，这里选取内径5m，外径5.5m进行说明，由72层厚度125mm的圆环形钢板和2层厚度500mm(钢构球厚度)的圆形实心钢板(其中4层上开孔，孔径为100mm—1000mm)，其中各层钢板的直径则配合球体形状呈2.5mm—3.3m的尺寸变化，重量达400公吨—600公吨。

结合图3，采用8组16根60mm—100mm直径高强度钢索3，长度根据建筑物或构筑物高度及实际情况确定，一般为30m—50m，钢索3透过支架41托住球质量块的下半部分，承托钢支架41的8支支架臂为空心钢构件，筒状钢棒42长度为50mm—1000mm，根据实际工程情况进行筒状钢棒42长度调整，确保在强风及大地震作用下其能碰触缓冲钢环72，以达到减缓质量块的运动效果。

结合图4，设立8支型号为最大行程±1000mm，设计阻尼力1000kn，设计速度400mm/s，阻尼系数为300kn/(mm/s)^0.15的斜向的大型油压粘滞性阻尼器6(primaryhydraulicviscousdamper)，其功能在于吸收球体质量块摆动时之冲击能量，减少质量块的摆动。

结合图5，下部缓冲系统，由支承钢构底面板7、水平向防撞油压式阻尼器71和缓冲钢环72组成，缓冲钢环72规格为外径1200mm—1300mm，内径1000mm,高度为30mm—60mm,水平向大型缓冲油压粘滞性阻尼器71(snubberhydraulicviscousdamper)型号与斜向的大型油压粘滞性阻尼器相同，其设计目的在于抑制罕见的大台风或大地震作用时造成tmd来回摆动超过100cm之消能及束制安全系统。

结合图7，高位水箱10设计容积为97m³—150m³,柔性落水管9管径设计为100mm—1000mm，落水孔盖101设计按50mm变化进行孔盖拼装，抽水孔102按照市场上通用抽水泵管设计。

图8为计算机控制系统示意图，示意计算机对地震的监控，并进行相应的分析处理，将得到的地震信息作为控制高位水箱落水孔盖打开孔径的大小。

实施例一

参照图1～5，其施工步骤、方法及相关参数如下：

a)根据建筑所在地地质、地震情况初步确定地震反应的频域，通过该范围较大的地震频域初步确定空心钢构球球体设计体积和质量以及高位水箱的容量和落水管开闭孔多个直径；在建筑封顶时将建筑物顶层底面预埋板1预埋建筑物内。

b)通过上一步的工作进行工厂构件生产。

c)在建筑物或构筑物顶层楼板底面安装8组60mm—100mm直径所述高强度钢索3，结合图3，每支钢索均超过2000条独立小钢线所组成，而起自重下之安全系数达9，亦即每一支钢索均足以支撑tmd全部重量。

d)进一步在工程现场进行结构的安装，结合图2(a)和(b)，钢构球体5由72层厚度125mm的环形钢板51和2层厚度500mm的圆形钢板堆叠焊接组合而成，焊接后将钢构球体5放置于承托钢支架41内，通过吊装，钢索3透过承托钢支架41托住球质量块的下半部分，结合图3，承托钢支架41的8支支架臂为空心钢构件，高强度钢索3在其间连接后用螺栓进行支架盖板安装。

e)在质量块吊装完成后进行部缓冲系统安装，进一步由支承钢构底面板7、水平向防撞油压式阻尼器71和缓冲钢环72组成，结合图5，tmd质量块下放置一可限制球体质量块摆动的缓冲环72(bumperring)，缓冲环则与8支水平向大型缓冲油压粘滞性阻尼器(snubberhydraulicviscousdamper)连接于支承钢构底面板7上，其设计目的在于抑制罕见的大台风或大地震作用时造成tmd来回摆动超过100cm之消能及束制安全系统。其上还进一步安置斜向的大型油压粘滞性阻尼器6(primaryhydraulicviscousdamper)，结合图4于承托钢支架41周围另设置8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器6(primaryhydraulicviscousdamper)，球体由于地震做出应激摆动，碰触挤压周围的油压粘滞性阻尼器6，其功能在于吸收球体质量块摆动时之冲击能量，削弱质量块的摆动。

f)完成以上结构的安装后，进一步使用4支钢构柱8，型号为h500*300*10*16进行建筑物顶层底面预埋板1、支承钢构底面板7的连接，根据实际工程采取焊接或螺栓连接方式。

实施例二

参照图6和图7，在实施例一的基础上，进行屋顶建筑高位水箱安装以及与单摆式调谐质量阻尼器结构的连接，施工操作如下：

g)结合图6，在实施例一步骤中，在空心钢构球顶部开孔位置放入柔性落水管9，柔性管入球深度在超过球厚50cm范围内，结合图7进行建筑高位水箱安装，落水孔盖101及抽水孔102在安装前安装于建筑高位水箱10，完成后将柔性落水管9接入高位水箱落水孔处。

通过实例一和实例二，完成作用系统的安装。监测整个结构的应力应变情况，进一步优化结构性能，保障安全性。

实施例三

h)结合图8，在实施例一和二的基础上，在建筑进行电子系统接入时将计算机的监控及控制系统分别接入地面和高位水箱处。完成安装后进行电子智能化系统试验操作，确保运作正常撤去大型托架并在高位水箱内加入阻尼液，再通过实际运行监测系统使用性能。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。