一种球面静压支承调谐质量阻尼系统的制作方法

本发明涉及结构减振，尤其是涉及一种球面静压支承调谐质量阻尼系统。

背景技术：

1、质量调谐减振技术在结构振动控制技术中是一种相对成熟的技术，因其具有对控制元件要求低，可直接单点安装于主结构，在（超）高层建筑、高耸结构、大跨结构的振动控制中获得了广泛应用。质量调谐类减振产品中，被动式调谐质量阻尼系统单元（tuned massdamper，以下简称tmd）、被动式调节液体阻尼器（tuned liquid damper以下简称tld）、主动调谐质量阻尼系统(active tuned mass damper，以下简称atmd)是当前结构控制领域使用频率最高、范围最广的控制装置。

2、tmd、tld的产品结构相对简单，其工作机理为将产品基频调试至与主结构某一阶所需控制基频接近，当主结构在大风、人行、地震等外载下产生振动时，产品由于惯性会被动以与主结构此阶基频成一定相位差的同频共振，通过此共振抑制主结构振动的同时通过自身的阻尼消耗能量从而减小主结构振动幅值。被动式质量调谐类产品特点是振控机理简明、工作时不需消耗额外能量。

3、tmd用于减小结构的水平向振动时，tmd按质量块的安装方式可分为悬吊式tmd及承载式tmd。

4、悬吊式tmd通过钢丝绳、钢绞线等拉索状构件吊挂于与主结构固接的框架之下。悬吊式tmd质量块运动形式类似单摆，其运动周期计算公式为，其中l为拉索固定端与质量块质心的垂向距离，g为地球重力加速度，但由于（超）高层建筑、高耸结构、大跨结构所需振动控制的水平向一阶自振周期往往较长，因此计算所得摆长较大，如上海中心大厦一阶自振周期约9秒，因此采用的摆式电涡流调谐质量阻尼系统摆长近20米，对使用空间有较大的要求，而较少有结构预留了如此大的空间供tmd使用。

5、承载式tmd的质量块通过滑板、滑轨、支座等装置承载，这类承载装置自身存在一定摩擦系数。tmd质量块需产生与结构非同步的惯性抑制作用时，首先需要克服此静摩擦力才能够启动，在克服静摩擦力前，tmd质量块的运动加速度与结构相同。当tmd用于提高风荷载下的结构舒适度等仅会产生较小幅值工况时，结构自身的加速度绝对数值不足以使得质量块克服静摩擦力启动，即，其中，m为质量块重量，a为结构振动加速度，μ为摩擦系数，g为地球重力加速度。可见，假设g≈10（m/s2），当μ＞0.1×a时，tmd在此加速度下无法启动，从而无法减小此加速度下结构的振动幅值。常见的滑板、滑轨、支座等承载装置的静摩擦系数μ难以做到0.01以下，因此对振动控制目标a≤0.1(m/s2)的结构，使用带有较大摩擦力承载装置的tmd难以起到减振的作用。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种满足结构紧凑、启动灵敏和tmd耐久性要求中的至少一种的球面静压支承调谐质量阻尼系统。

2、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统主要技术特点为其可通过将质量块承载、连接于球面静压支承滑动支座单元之上，球面静压支承滑动支座单元在接触面压力膜润滑下几乎无摩擦的特点可使其即使在主结构受外载激励仅产生微幅振动时其仍可启动，从而其可最大化起到提高主结构振动舒适度作用，同时球面静压支承滑动支座单元在接触面压力膜润滑下几乎无磨损的特点可使其在日常工况下几乎无任何损耗。球面静压支承调谐质量阻尼系统的运动频率调节至与主结构所控基频接近，在质量块随主结构同频共振运动过程中，吸收主结构的振动并对主结构呈一定相位差惯性运动抑制减振，运动过程中，阻尼器及限位缓冲器产生的阻尼力以及摩擦副产生的摩擦力等效为系统阻尼，通过系统阻尼将结构的动能转换为热能进行耗散。

3、与现有同类产品相比，此发明一种球面静压支承调谐质量阻尼系统通过一种紧凑型的产品结构设计，使其在占用较小现场空间的前提下实现了灵敏度高、耐久性优地提高结构舒适度的作用，并且通过多级的设计实现了在突发、极限外载下可限制质量块运动幅值的同时其仍发挥调谐减振的作用。

4、本发明所述的主结构一般为高层建筑、高耸结构、大跨结构。

5、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

6、一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，安装在所需振动控制的主结构之上，当主结构在外载激励下产生振动时球面静压支承调谐质量阻尼系统起到减振的作用；该系统包括：

7、滑板摩擦副，用于竖向承载上部滑板，当主结构无大幅振动时，两者间存在静摩擦力。当主结构大幅振动时滑板在滑板摩擦副上滑动且此时两者间存在动摩擦力；

8、滑板，用于竖向承载上部球面静压支承滑动支座单元并且当主结构小幅振动时，滑板受到球面静压支承滑动支座单元传递而来的水平力小于等于其与滑板摩擦副间的静摩擦力，从而其底部不滑动，而当主结构大幅振动时，滑板受到球面静压支承滑动支座单元传递而来的水平力大于其与滑板摩擦副的间静摩擦力，从而其开始滑动，此时与滑板摩擦副间存在动摩擦力；

9、球面静压支承滑动支座单元，用于竖向承载上部质量块，通过控制其内部接触面的弧度可控制质量块运动时的摆动周期，球面静压支承滑动支座单元内部接触面间可建立压力膜，从而使得内部接触面在相对运动时几乎无摩擦从而提高产品的启动性和耐久性；

10、质量块，用于在产品频率调谐至于主结构接近时，当主结构在外载下产生振动时，质量块由于惯性，将与主结构同频共振，从而起到动力吸振的作用而减小主结构的振动，并其在运动过程中将带动阻尼器及限位缓冲器运动从而将结构的动能转换为阻尼单元的热能进行耗散；

11、阻尼器，用于在主结构小幅振动时，消耗质量块在球面静压支承滑动支座单元上晃动时的动能；

12、调频器，用于在主结构小幅振动时，调节质量块在球面静压支承滑动支座单元上晃动的频率；

13、限位缓冲器，用于在主结构大幅振动时，消耗滑板在滑板摩擦副上运动时的动能；

14、传感监测器，用于监测主结构的振动情况；

15、所述滑板摩擦副承载于主结构之上并与其固定连接；所述滑板承载于滑板摩擦副之上，并与滑板摩擦副滑动连接；

16、所述的滑板与质量块之间设有球面静压支承滑动支座单元；

17、所述的球面静压支承滑动支座单元由底座、顶座，以及设置在二者之间的轴心组成；所述的底座承载于滑板之上并与其固定连接；所述的顶座用于承载质量块并与其固定连接；所述的底座朝向顶座一侧设有底部压力膜；所述的顶座朝向底座的一侧设有轴心顶部压力膜；其中，所述的底部压力膜和顶部压力膜由可控液压组件提供高压油并通过高压供油管路传输并在轴心与轴心底部摩擦副及轴心顶部摩擦副之间形成；

18、所述的阻尼器一端与质量块底部铰接，另一端与球面静压支承滑动支座单元铰接；

19、所述的调频器一端与质量块底部铰接，另一端与球面静压支承滑动支座单元铰接；具体而言，调频器可以对称设置在每个阻尼器两侧，也可以按项目实际情况和空间，设置在阻尼器的上下或四周；

20、所述的限位缓冲器沿滑板摩擦副周向均匀设置在主结构之上；

21、所述的传感监测器设置在主结构之上。

22、进一步地，所述的轴心靠近底座的一端设有与底座滑动连接的轴心底部摩擦副，靠近顶座的一端设有与顶座滑动连接的轴心顶部摩擦副。

23、在本发明的一个实施例中，所述球面静压支承滑动支座单元的底座承载于滑板之上并与其固定连接；所述球面静压支承滑动支座单元的底部压力膜及顶部压力膜由可控液压组件提供高压油并通过高压供油管路传输并在轴心与轴心底部摩擦副及轴心顶部摩擦副之间形成；所述轴心底部摩擦副在底部压力膜未建立时，直接承载于底座之上，在底部压力膜建立后，通过底部压力膜承载于底座之上；所述顶座在顶部压力膜未建立时，直接承载于轴心顶部摩擦副之上，在顶部压力膜建立后，通过顶部压力膜承载于轴心顶部摩擦副之上。

24、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统根据不同外载工况下质量块可能发生的不同运动幅值，设计为两阶段运动，各自阶段下最大的运动幅值分别称为一级位移值以及二级位移值。

25、在本发明的一个实施方式中，所述一级位移值可设计为主结构受到仅影响舒适性的外载工况下质量块可能发生的位移极值，所述二级位移值可设计为主结构受到极限外载工况下质量块可能发生的累计位移极值与一级位移值之差。

26、在本发明的一个实施方式中，所述传感监测器实时监测主结构的振动加速度，当结构受到外载激励振动加速度大于某设定阈值时，可控液压组件会收到开启指令信号，从而建立起底部压力膜以及顶部压力膜，当传感监测器监测到主结构的振动加速度在某设定时间长度内连续小于设定阈值时，可控液压组件会收到关闭指令信号，从而起到节能减噪的效果；

27、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，主结构振动加速度阈值根据结构所需控制的舒适度限值而确定，当主结构加速度小于此阈值时，结构舒适度已符合设计需求，不需额外进行减振控制。

28、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，当可控液压组件关闭时，底部压力膜以及顶部压力膜未建立，轴心底部摩擦副直接承载于底座之上，顶座直接承载于轴心顶部摩擦副之上，两者由于所受静摩擦力大于质量块在当前加速度下的惯性力，质量块不会带动顶座产生相对于底座的运动，并且由于滑板摩擦副所产生的静摩擦力亦大于质量块在当前加速度下的惯性力，滑板不会产生相对于主结构的运动，此时一种球面静压支承调谐质量阻尼系统不工作。

29、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，当可控液压组件关闭时，底部压力膜以及顶部压力膜未建立。如此时主结构因突然受到突发地震等外载而产生较大幅值振动时，传感监测器监测到大于设定阈值的信号后系统会快速控制可控液压组件开启，从而压力膜以及顶部压力膜会快速建立，但可能仍会存在较短时间的轴心底部摩擦副及轴心顶部摩擦副相对于底座及顶座产生滑动摩擦。此类隐患通过计算可能存在的突发地震的次数、累计作用时间以及累计滑动行程，设计相应满足可磨损量需求的轴心底部摩擦副及轴心顶部摩擦副而克服。

30、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，当可控液压组件开启，底部压力膜以及顶部压力膜已建立时，质量块在所述一级位移值以内运动时，质量块带动顶座与轴心顶部摩擦副产生相对运动，同时轴心在水平力的作用下带动轴心底部摩擦副与底座产生相对运动。由于压力膜的存在，滑动面在全压力膜润滑下几乎无磨损、无摩擦。

31、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，质量块在所述一级位移值以内运动时，当底部压力膜以及顶部压力膜已建立时，运动过程中会受到底部压力膜以及顶部压力膜的粘性阻尼作用，当底部压力膜以及顶部压力膜未建立时，运动过程中会受到轴心底部摩擦副及轴心顶部摩擦副相对于底座及顶座产生滑动摩擦作用，两者都可等效计算为等效阻尼，并且通过增加阻尼器的数量或提高阻尼器的阻尼系数，可起到调节产品整体阻尼比的效果。

32、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，质量块在所述一级位移值以内运动时，质量块此时运动周期主要由球面静压支承滑动支座单元的底座上表面以及顶座下表面的球型弧度之和决定，通过增加调频器的数量或提高调频器的刚度，可起到调节产品整体运动周期的效果。

33、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，当质量块的运动幅值大于一级位移值后继续运动时，则进入二级位移段，在二级位移段，质量块通过带动整个球面静压支承滑动支座单元而进一步带动滑板相对于主结构滑动。

34、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，当质量块在所述二级位移值以内运动时，滑板滑动时会同时受到来自滑板摩擦副的摩擦力、限位缓冲器的弹性阻抗力及阻尼力。此时限位缓冲器的弹性刚度决定了系统的运动周期，摩擦副的摩擦力以及限位缓冲器的阻尼力合力决定了系统的阻尼比。

35、在本发明的一个实施方式中，所述一种球面静压支承调谐质量阻尼系统，当质量块振动幅值在大于一级位移值进入二级位移段后重新回到一级位移段时，滑板由于受到限位缓冲器的弹性阻抗力而回到接近平衡位置。质量块会在主结构不再振动后在重力及弹簧力的综合作用下而重新回到中间位置。

36、在本发明的一个实施方式中，所述滑板摩擦副的材质为摩擦系数小且磨损指数小的减摩耐磨材料。优选地，滑板摩擦副的材质为聚四氟乙烯或铜合金摩擦材料。

37、在本发明的一个实施方式中，所述的滑板由高强度钢材所制成，底部设有用于减小滑动过程中的摩擦并保持其长期稳定性的镜面不锈钢类粗糙度极小且耐腐蚀性强的光面材料；所述的滑板四周设有加强挡块以传递水平方向的荷载，滑板可在二级位移段下通过质量块的带动从而滑动。优选地，滑板的材质为镜面不锈钢或轴承钢。

38、在本发明的一个实施方式中，所述的质量块的材质为金属材料和/或混凝土。具体来说，质量块采用金属材料或混凝土或将两者结合使用。在现场采用空间较小时，可优先采用密度更高的金属材料；在现场采用空间较宽裕时，可优先采用成本更低的混凝土。

39、在本发明的一个实施方式中，所述的阻尼器为电涡流阻尼器、油阻尼器或粘滞阻尼器。

40、在本发明的一个实施方式中，所述的调频器为螺旋弹簧或橡胶支座。

41、在本发明的一个实施方式中，所述的缓冲限位器为提供刚度与阻尼的一体化缓冲器或由提供刚度的弹性件与提供阻尼的阻尼器并联组成。优选地，弹性件为弹簧。

42、在本发明的一个实施方式中，所述的传感监测器为三向加速度传感器，可实施监测并反馈结构的三向振动加速度。

43、在本发明的一个实施方式中，球面静压支承滑动支座单元采用摩擦摆支座结构并配合静压支承实现几乎无摩擦、无磨损的效果。其中，静压支承是通过液压或气压技术，在承载且会相对运动的接触面间产生压力膜从而接触面相互分离，无固体直接接触，从而起到既能通过压力膜高刚度支承，又能无固体摩擦的几乎无摩擦运动。优选地，静压支承为液体静压支承。

44、在本发明的一个实施方式中，球面静压支承滑动支座单元的轴心上下各安装有摩擦副材料，即使在静压支承压力未完全建立时系统遇到突发地震等外载突然运动，相对运动的部件由于摩擦副材料的存在而整个运动过程摩擦系数可控且磨损量可控，不会存在失效破损的问题。

45、在本发明的一个实施方式中，球面静压支承滑动支座单元中，轴心底部摩擦副及轴心顶部摩擦副采用聚四氟摩擦板或推力轴承。

46、在本发明的一个实施方式中，球面静压支承滑动支座单元的可控液压组件可根据现场实际情况保持常开或可根据实时监测的数据控制其开关。液体静压支承、提供高压从而形成接触面间的压力膜，可控液压组件为提供此高压的组件，其主要包括液压油源与可控液压阀，可控液压阀可根据监测数据受控打开或关闭。

47、本发明的球面静压支承调谐质量阻尼系统具有构造紧凑合理、空间利用率高、启动灵敏、耐久性强、多级位移设计合理等综合优势。

48、与现有同类产品相比，此发明一种球面静压支承调谐质量阻尼系统通过一种紧凑型的产品结构设计，使其在占用较小现场空间的前提下实现了灵敏度高、耐久性优地提高结构舒适度的作用，并且通过多级的设计实现了在极限外载下可限制质量块运动幅值的同时其仍发挥调谐减振的作用，具体如下优势：

49、第一、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，整体结构紧凑，可在现场使用空间较为受限的环境下实现较低基频结构的水平向减振需求；

50、第二、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，解决了承载式调谐质量阻尼系统因内部构件间摩擦力导致的启动性受限问题。此发明产品启动灵敏，可满足主结构对于微小振幅的振动控制需求；

51、第三、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，当静压支承压力建立后，在日常工况下，运动部件间不存在固体摩擦磨损，耐久性好；

52、第四、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，在设计球面静压支承滑动支座单元几乎无磨损无摩擦运动的同时，考虑了突发、偶发无静压油膜运动时的稳定性与可靠性，在摩擦摆结构中另设计有成对摩擦副材料，产品耐久性更进一步得到保障；

53、第五、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，在一阶段位移范围内，除摩擦摆自身弧度控制运动周期外，设计有单独的调频器和阻尼器，可满足产品的可调节性需求；

54、第六、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，通过多级位移值的设计，可实现多位移下不同的振动控制效果且实现了在极限外载下可靠限制质量块运动幅值的同时其仍发挥调谐减振的作用；

55、第七、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，安装有传感监测器，可实时监测结构振动情况的同时，可根据监测数据自动控制静压支承，具有主动控制的功能；

56、第八、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，在二阶段位移范围内，摩擦力、弹性力、阻尼力同时发挥限位缓冲作用，较传统的限位阻尼器增加了可控维度；

57、第九、本发明提供的球面静压支承调谐质量阻尼系统，在一阶段及二阶段位移范围内，都具有可供结构复位回中的弹性力，使得产品的可靠性和实用性进一步提升。