一种液体调谐质量阻尼器及设计方法

本发明涉及建筑减振，特别是一种液体调谐质量阻尼器及设计方法。

背景技术：

1、调谐质量阻尼器，即tmd(tuned mass damper)一般由质量块、弹簧、以及阻尼元件构成，其中质量块通过弹簧连接于被控结构，阻尼元件用于耗散质量块和弹簧的振动能量，且调谐质量阻尼器的频率被调整为接近被控结构的频率；当被控结构发生振动时，调谐质量阻尼器将会发生共振，从而将大部分被控结构的振动能量传递给质量块并通过阻尼元件耗散，进而达到减振的目的。

2、然而这种调谐质量阻尼器仅通过质量块产生惯性质量，因此在对减振性能要求较高时，需要的质量块物理质量也较高，从而会导致质量块的材料消耗和制造成本增加；且质量过大的质量块也会对被控结构产生更大的负载，对被控结构的受力产生不利影响；同时，目前的阻尼器广泛使用机械油压阻尼元件，结构复杂，造价高昂，且长期使用后还会出现显著的性能下降需要进行更换，从而进一步拉高了使用成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：解决现有调谐质量阻尼器仅由质量块产生惯性质量，需要质量巨大的质量块、且需要搭配机械油压阻尼元件，导致制造成本高，且质量块会对被控结构造成较大负荷的问题，提供了一种液体调谐质量阻尼器及设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种液体调谐质量阻尼器，包含质量块、弹性元件和振荡板；所述弹性元件一端能够连接于被控结构，所述质量块连接于所述弹性元件的另一端；所述振荡板连接于所述质量块；所述振荡板与所述弹性元件的伸缩方向具有夹角；所述振荡板能够浸没于流体中。

4、质量块和弹簧均参考现有的调谐质量阻尼器，只要能分别提供惯性质量和缓冲储能的功能即可。

5、振荡板可以是各种形状的板材，如圆形或方形板材；振荡板于弹性元件的伸缩方向具有夹角，如若选用圆柱弹簧，则可以使振荡板的板面垂直于圆柱弹簧的轴线；振荡板与质量块的具体连接结构根据被控结构的结构以及流体所在的位置而定，只要能使振荡板伸入流体中即可；流体可以利用天然的湖泊、河流，也可以是人造水池；流体可以是各种能使振荡板在其中振荡产生附加质量与阻尼的液体，如水或油液；振荡板宜采取具有足够强度且能够抵抗流体腐蚀的材质。

6、本方案的液体调谐质量阻尼器在质量块上连接了振荡板，且振荡板能够浸没于流体中；当被控结构发生振动，并通过弹簧将振动能量传递到质量块，使得质量块和被控结构一同振动时，振荡板也会随质量块一同振动，且由于振荡板与弹性元件的伸缩方向具有夹角，即振荡板的板面与其在流体中的运动方向具有夹角，流体和振荡板的相互作用会对振荡板产生附加阻尼以及附加质量，从而起到耗散振动能量以及提高本方案的惯性质量的作用，使本方案能够取消传统调谐质量阻尼器中的机械油压阻尼器，以及相对减少质量块的物理质量，进而解决现有调谐质量阻尼器质量块质量大、且使用机械油压阻尼元件，导致制造成本高，且质量块过重会对被控结构造成较大负荷的问题。

7、同时本方案采用了弹性元件和振荡板的组合，能通过分别调节弹性元件的刚度以及振荡板的尺寸，使本方案的调谐频率比和调谐阻尼比分别接近最优频率比和最优阻尼比，从而减小了本方案的设计难度，使本方案的减振性能更容易接近最优值。

8、作为本发明的优选方案，还包含限位机构；所述限位机构用于限制所述质量块沿所述弹性元件的伸缩方向移动。

9、限位机构可以是如滑动支座、滑轨滑块的各种形式，只要能限制质量块只能被控结构沿弹性元件的伸缩方向运动即可。

10、本方案为质量块增设限位机构使被控结构只能沿弹性元件的伸缩方向，即本方案所控制的振动的方向运动，能在不影响本方案的减振效果的同时，防止质量块向其它方向移动或旋转，从而对本方案的减振效果造成影响或与其它结构相撞的可能。

11、作为本发明的优选方案，所述限位机构包含滑轮；所述滑轮一端安装于所述被控结构；所述滑轮另一端与所述质量块抵接。

12、滑轮另一端与质量块抵接，参考现有的滑轮布置方式可以是各种形式，如滑轮直接抵接于质量块的侧壁，或在质量块侧壁为滑轮设置专用的滑道。

13、本方案采用滑轮机构作为限位机构，滑轮在运动时不易卡死，工作可靠；且滑轮机构对其行走面的加工质量要求不高，可以降低对应的行走面的加工难度，从而降低加工成本；且本方案将滑轮固定于被控结构上，仅需质量块沿弹性元件伸缩方向的尺寸大于弹性元件的行程，即可在质量块沿弹性元件伸缩方向移动的全程中保持滑轮与质量块的连接，相比于其它方案，如将滑轮固定于质量块的方案，本方案对被控结构沿弹性元件伸缩方向的尺寸需求更小，更容易与现有的建筑结构适配。

14、作为本发明的优选方案，还包含保护套；所述质量块和所述弹性元件均位于所述保护套内；所述保护套用于防止流体接触所述弹性元件和所述质量块。

15、保护套可以是各种结构形式，如为振荡板或振荡板与质量块的连接结构开口的盒装，只要能保护质量块与弹性元件不与流体直接接触，且不对振荡板的振动造成阻碍即可。

16、本方案为质量块和弹性元件设置了保护套，能够防止流体冲刷质量块和弹性元件，从而对质量块和弹性元件的运动造成影响，并进而影响本方案的减振效果的情况；同时保护套也能防止质量块和弹性元件在流体的冲刷下遭到腐蚀的情况。

17、作为本发明的优选方案，所述弹性元件为螺旋弹簧。

18、螺旋弹簧根据实际情况可以设置一个或多个。

19、本方案采用螺旋弹簧作为弹性元件，具有承载能力强、工作可靠、成本低廉的优势。

20、作为本发明的优选方案，所述振荡板为pvc材质构件。

21、本方案推荐振荡板采用pvc材质，具有质量轻、耐腐蚀的特性，既能减少本方案对被控结构产生的负荷，又能保证振荡板的使用寿命。

22、一种种液体调谐质量阻尼器的设计方法，应用于本发明的一种液体调谐质量阻尼器，包含以下步骤：

23、a、根据减振需求初定质量块的质量mt和振荡板的附加质量系数cm0，并得到总质量比ω；根据简谐外荷载幅值f0和被控结构刚度ks得到外荷载幅值比f；ω和f的计算公式分别参考下式：

24、

25、

26、式中，ω为总质量比，μ为物理质量比，β为附加质量比，mt为质量块的物理质量，ms为被控结构的质量，ρ为流体密度，l为所述振荡板的特征长度，cm0为初定附加质量系数；

27、b、根据ω、f和最优参数的解析公式得到所述液体调谐质量阻尼器的最优频率比νopt和最优阻尼比γopt；

28、c、根据γopt确定所述振荡板的尺寸；试验测得所述振荡板的实际附加质量系数cm；

29、d、根据νopt和cm确定弹性元件的刚度。

30、在步骤a中，若对减振性能要求较高，则可以取用较大的mt和cm0，从而得到较高的ω；若需要减少成本，则可以反之取用较小的mt和cm0，从而减少质量块和振荡板的尺寸，进而减少成本；

31、在步骤b中，最优频率比νopt和最优阻尼比γopt的具体计算可参考现有的调谐质量阻尼器优化理论进行；

32、在步骤c中，根据γopt确定所述振荡板的尺寸，即通过理论计算或实验分析调整振荡板的尺寸，使本方案整体的调谐阻尼比尽可能接近或等于γopt；

33、在步骤d中，根据vopt和cm确定弹性元件的刚度，即通过调整弹性元件的刚度，使本方案整体的调谐频率比尽可能接近或等于vopt；需要注意的是，cm为步骤c中测得的振荡板的实际附加质量系数cm。

34、本方案的液体调谐质量阻尼器设计方法，应用于本发明的一种液体调谐质量阻尼器，采用先初定总质量比ω，并根据总质量比ω和外荷载幅值比f确定最优频率比vopt和最优阻尼比γopt，再通过最优阻尼比γopt确定振荡板的尺寸，最后再通过vopt和cm确定弹性元件刚度的顺序，可以通过实验获取尽可能真实的cm并参与弹性元件刚度的计算，从而使计算所得的弹性元件刚度尽可能地接近最优值，进而使本方案设计出来的液体调谐质量阻尼器的调谐频率比能够尽可能地接近vopt并获得最佳的减振性能。

35、作为本发明的优选方案，步骤b中分别根据下列公式计算νopt和γopt：

36、

37、

38、本方案的最优频率比νopt和最优阻尼比γopt计算公式是通过引入morison方程并结合本方案的具体结构推算得到的，具体地，对本方案的液体调谐质量阻尼器引入morison方程后可得到如下公式：

39、

40、式中，xs(t)为被控结构的位移，为被控结构位移的速度，为被控结构位移的加速度，xt(t)为质量块的位移，为质量块位移的速度，为质量块位移的加速度，ks为被控结构的刚度，kt为弹簧的刚度，cs为被控结构的阻尼，f(t)为外荷载，cm为附加质量系数，cd为附加阻尼系数；

41、假定存在一个线性的阻尼系数ct使得运动方程与上式等效，给出了近似等效线性化方程如下：

42、

43、设外荷载f(t)＝f0cos(ωt)，假设柱结构阻尼系数cs＝0，引入无量纲参数ξt＝ct/2mtωt可得到被控结构的动力放大系数dmf的表达式如下：

44、

45、

46、λ＝ω/ωs

47、式中，λ为外荷载频率比，ν为调谐频率比；ω为外荷载频率；ωs为被控结构的自振频率；

48、根据den hartog提出的不动点理论，在不同的阻尼比ξt下，被控结构的dmfs曲线总是经过两个固定的p点和q点，这表明dmfs的表达式中p点和q点与ξt是相互独立的，当ξt的值为0和∞时，dmfs表达式的值应该相等，以及以控制位移动力放大系数曲线最大值最小化为目的，即可得最优参数的解析公式，即本方案的最优频率比vopt和最优阻尼比γopt计算公式。

49、作为本发明的优选方案，步骤c中包含如下步骤：

50、c1、根据cm0制作若干尺寸不同的所述振荡板；通过自由振动试验测得各所述振荡板的附加阻尼比cd；

51、c2、根据cd与γopt最接近的所述振荡板确定所述振荡板的尺寸。

52、本方案推荐先制作若干振荡板，再通过实验的方式获得各振荡板包含cd在内的水动力参数，再选用cd与γopt最为接近的振荡板作为本方案的振荡板，相比于通过理论计算振荡板的尺寸根据便捷和快速，同时也能获得振荡板更为准确的水动力参数，如cd和cm，从而能在后续的弹性元件设计中，基于更准确的cd和cm，使本方案的调谐频率比更接近νopt。

53、作为本发明的优选方案，步骤d中根据下列公式计算所述弹性元件的刚度：

54、

55、式中，kt是所述弹性元件的刚度，ρ为流体的密度，l为所述振荡板的特征长度，ωs为被控结构的自振频率。

56、本方案给出了计算弹性元件的刚度的具体公式，该公式是由本方案的自振频率公式推导而来的，具体地，本方案的自振频率ωt计算公式为：

57、

58、本方案的调谐频率比ν的计算公式为：

59、

60、使ν＝vopt即可得到本公式。

61、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

62、1、本方案的液体调谐质量阻尼器在质量块上连接了振荡板，且振荡板能够浸没于流体中；当被控结构发生振动，并通过弹簧将振动能量传递到质量块，使得质量块和被控结构一同振动时，振荡板也会随质量块一同振动，且由于振荡板与弹性元件的伸缩方向具有夹角，即振荡板的板面与其在流体中的运动方向具有夹角，流体和振荡板的相互作用会对振荡板产生附加阻尼以及附加质量，从而起到耗散振动能量以及提高本方案的惯性质量的作用，使本方案能够取消传统调谐质量阻尼器中的机械油压阻尼器，以及相对减少质量块的物理质量，进而解决现有调谐质量阻尼器质量块质量大、且使用机械油压阻尼元件，导致制造成本高，且质量块会对被控结构造成较大负荷的问题。

63、同时本方案采用了弹性元件和振荡板的组合，能通过分别调节弹性元件的刚度以及振荡板的尺寸，使本方案的调谐频率比和调谐阻尼比分别接近最优频率比和最优阻尼比，从而减小了本方案的设计难度，使本方案的减振性能更容易接近最优值。

64、2、本方案的液体调谐质量阻尼器设计方法，应用于本发明的一种液体调谐质量阻尼器，采用先初定总质量比ω，并根据总质量比ω和外荷载幅值比f确定最优频率比νopt和最优阻尼比γopt，再通过最优阻尼比

65、γopt确定振荡板的尺寸，最后再通过vopt和cm确定弹性元件刚度的顺序，可以通过实验获取尽可能真实的cm并参与弹性元件刚度的计算，从而使计算所得的弹性元件刚度尽可能地接近最优值，进而使本方案设计出来的液体调谐质量阻尼器的调谐频率比能够尽可能地接近vopt并获得最佳的减振性能。