一种滑轮式调谐质量阻尼器及设计方法

本发明涉及建筑结构减振，特别是一种滑轮式调谐质量阻尼器及设计方法。

背景技术：

1、近年来，随着大跨度桥梁结构和海洋工程中的大型漂浮结构快速发展，许多大型结构的竖向基频已小于0.10hz，这些结构在风、车辆以及地震荷载下容易发生低频竖向振动，影响其工作性能。为了控制这种振动，tmd(调谐质量阻尼器)成为了最常用的手段之一。

2、传统tmd由弹性元件、质量块和阻尼器组成，其中弹性元件的伸长和缩短方向与被控结构的振动方向平行，且tmd的自振频率被调节到与被控结构的自振频率一致，使得被控结构的振动能量向质量块传输，再通过不同类型的阻尼器进行结构能量消耗，以达到减振目的。

3、然而，随着被控结构的竖向基频逐渐降低，传统tmd的弹性元件静伸长量往往过大，如当被控结构的固有频率由0.5hz降低到0.1hz时，传统tmd的静伸长量由1m增加至24.8m；这使得传统tmd沿竖直方向的尺寸过大，而被控结构，如桥梁沿竖直方向往往没有足够的安装空间，从而导致传统tmd而无法安装。同时，现有的传统tmd往往只具备单向减振能力，当需要控制被控结构多个方向的振动时，往往需要为每个方向的振动设置独立的传统tmd，从而导致传统tmd的使用成本增大，并进一步增加了传统tmd的空间占用，容易发生安装空间不足而无法安装的情况。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：解决现有tmd控制低频竖向振动时需要增大竖向尺寸，容易因被控结构竖向安装空间不足而无法安装的问题，提供了一种滑轮式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、一种滑轮式调谐质量阻尼器，包含质量块、阻尼器和弹性元件；还包含吊索和至少两个定滑轮；所述弹性元件一端通过所述吊索和所述质量块连接；所述弹性元件另一端通过所述吊索能够和被控结构连接；所述弹性元件通过所述定滑轮相对竖直方向倾斜；所述质量块通过所述定滑轮悬挂于所述被控结构；所述阻尼器用于耗散所述质量块的振动。

4、弹性元件参考现有技术可以采用各种形式，如螺旋弹簧或者弹性块；弹性元件两端的吊索可以是一条或者多条；对应地，当吊索的数量大于一，可以为每个吊索分别设置独立的定滑轮，也可也将多个吊索绕过一个定滑轮；弹性元件与竖直方向倾斜的具体角度根据被控结构内部可用安装空间而定。

5、定滑轮的具体数量和布置根据被控结构的具体可用安装空间和安装空间的形状而定，只要能使弹性元件的拉伸或缩短方向相对竖直方向倾斜即可，且质量块通过定滑轮悬挂于被控结构即可。

6、阻尼器的选型参考现有技术以及所采用的具体弹性元件而定，如若采用了螺旋弹簧作为弹性元件，则阻尼器可以选用与螺旋弹簧串联的圆柱形液体阻尼器。

7、本方案通过连接有弹性元件的吊索将质量块悬挂于被控结构，并通过定滑轮使吊索换向，从而使弹性元件能够相对竖直方向倾斜设置；当被控结构发生沿竖直方向的振动，并带动质量块上下振动时，弹性元件对应地拉伸和缩短，从而吸收质量块的机械能，并由阻尼器耗散为其它形式的能量，起到缓冲减震的目的；

8、由于弹性元件相对竖直方向倾斜设置，弹性元件的拉伸和缩短方向也与竖直方向具有夹角，因而本方案能够将弹性元件在拉伸和缩短过程中的一部分长度变化量分散到水平方向，从而减少对竖向安装空间的需求；且当弹性元件相对竖直方向垂直布置，则弹性元件在伸长和拉伸过程中，其沿竖直方向的长度变化量降为零，对竖向安装空间的需求降到最低；因此相比于直接沿竖直方向设置弹性元件的方案，在弹性元件的静伸长量相同的情况下，本方案对竖向安装空间的需求更小，更加适用于具有大量水平向安装空间，而竖向安装空间不足的被控结构，如桥梁；反之，在竖向安装空间相同的情况下，本方案也能相对增大弹性元件的静伸长量，从而更适用于控制低频竖向振动。

9、同时本方案采用将质量块通过吊索悬挂于被控结构的形式，当被控结构发生水平向的振动时，质量块能够以悬挂点为中心发生摆动，从而起到类似摆式tmd的作用，能够控制被控结构沿水平方向的振动；且本方案的用于竖向振动控制的自振频率可以表示为如下公式：

10、

11、式中，ω2为本方案的滑轮式调谐质量阻尼器用于水平向振动控制的自振频率；g为重力加速度；l为吊索竖直悬挂质量块部分的长度；s为质量块的位移量。

12、可见本方案的摆动频率与(l+s)有关，而s在振动过程中为变化量，因此该本方案有非线性特性，具有半主动控制应用的潜力。

13、作为本发明的优选方案，至少一个所述定滑轮上连接有飞轮；所述定滑轮旋转能带动所述飞轮旋转。

14、飞轮的具体结构参考现有飞轮的设计，可以采用如将质量集中至飞轮的外缘的结构以在飞轮质量不变的情况下增大飞轮的惯性质量；飞轮可以直接同轴地连接于定滑轮以和定滑轮一起旋转，也可也通过如传送带的传动机构间接连接，从而可以将飞轮设置于与定滑轮不同的位置。

15、本方案为定滑轮连接了飞轮，当质量块与被控结构一同振动，从而带动吊索往复运动并驱动定滑轮旋转时，飞轮会跟随定滑轮一同旋转从而产生惯性质量；根据拉格朗日方程，系统的动能公式为：

16、

17、式中，t为系统的动能；m为质量块的质量；s为质量块的位移量；为质量块的位移量随时间的变化率；j为飞轮的惯质比；为飞轮转过的角度；为飞轮转过的角度随时间的变化率；r为飞轮的半径；g为重力加速度；l为吊索竖直悬挂质量块部分的长度。

18、可见，系统的动能与有关，本方案增加了j，因而质量块的质量m可以相对减少，一方面能够减少质量块的材料消耗和制造成本，另一方面也能减少本方案的滑轮式调谐质量阻尼器整体由于自重而施加于被控结构的载荷。

19、作为本发明的优选方案，还包含磁场源；所述磁场源能够产生磁场；所述飞轮为金属材质构件；所述飞轮旋转能够切割所述磁场源产生的磁场的磁感线。

20、磁场源的设计参考现有电涡流阻尼器的设计，可采用如沿磁场源的周向连续设置磁体的方式产生磁场，从而使飞轮旋转时能够切割磁场的磁感线以产生电涡流阻尼力，即形成电涡流阻尼器以起到耗散质量块的振动的效果。

21、本方案推荐了使用金属材质构件的飞轮，并增设了磁场源，使飞轮旋转时能够切割磁场源产生的磁场的磁感线，从而形成电涡流阻尼器；相比于其它方案，如液体阻尼器，本方案的工作无需流体的参与，工作时飞轮与磁场源之间没有物理接触，因此无需考虑密封、磨损和保温等问题，具有更强的免维护性和环境适应性；同时本方案还能通过调整磁场源和飞轮的距离以调整阻尼系数，进而能够根据实际情况灵活调整本方案的减振效果。

22、作为本发明的优选方案，所述飞轮为铜制构件。

23、本方案推荐飞轮为铜质构件，能利用铜良好的导电性能和热传导性能，高效地感应和传导涡流，从而提高本方案耗散振动机械能的效率，并快速将热量分散，避免由于热量在飞轮上积累而导致飞轮过热。

24、作为本发明的优选方案，所述磁场源上设置有永磁体；所述磁场源通过永磁体产生磁场。

25、本方案推荐磁场源使用永磁体产生磁场，相比于电磁铁无需通电即可工作，从而使本方案可以免去相应的电气回路，具有更简单的结构和更强的免维护性。

26、作为本发明的优选方案，所述弹性元件为螺旋弹簧。

27、本方案推荐了使用螺旋弹簧作为弹性元件，相比于其它弹性元件，如弹性块或碟簧，螺旋弹簧更容易与吊索连接，从而能简化弹性元件和吊索的连接结构；同时螺旋弹簧还具有使用寿命长、工作可靠的特点，能使本方案具有更好的免维护性。

28、作为本发明的优选方案，所述定滑轮沿其轴向的两侧均设置有轮缘。

29、轮缘的具体尺寸根据质量块相对悬挂的的摆动幅度而定，以能够防止吊索随质量块相对悬挂点摆动时从定滑轮中脱出为宜。

30、本方案为定滑轮设置轮缘，能够防止吊索随质量块相对悬挂点摆动时，由于摆动幅度过大而从定滑轮中脱出的情况，从而使本方案工作更加可靠。

31、作为本发明的优选方案，所述定滑轮为铸铁材质构件。

32、铸铁材质的定滑轮可进一步地进行如喷砂的表面处理以增加定滑轮的耐磨性。

33、本方案推荐了使用铸铁作为定滑轮的材质，可以使定滑轮具有良好的耐磨性，从而增加定滑轮的使用寿命。

34、作为本发明的优选方案，所述质量块沿水平方向的截面积从上至下减小。

35、质量块沿水平方向的截面积从上至下减小，可以是逐渐减小，也可也是阶梯式减少。

36、本方案推荐质量块的截面积上大下小，使质量块的重心更靠近悬挂点，从而能够增强质量块的稳定性，减少质量块的晃动，避免质量块的晃动对本方案的减振效果造成影响。

37、一种滑轮式调谐质量阻尼器的设计方法，应用于本发明的一种滑轮式调谐质量阻尼器，包含如下步骤：

38、a.根据被控结构的安装空间布置定滑轮和吊索；

39、b.根据减振需求确定质量块的质量；当所述定滑轮上连接有飞轮，根据减振需求确定所述飞轮的惯质系数；

40、c.利用tmd优化理论计算弹性元件的刚度和阻尼器的阻尼系数。

41、在步骤a中，滑轮和吊索的布置根据被控结构的具体安装空间而定，如对于桥梁的箱梁，可在箱梁的边缘和内部分别设置一个定滑轮，吊索一端连接于箱梁顶部，另一端依次通过箱梁内部的定滑轮和箱梁边缘的定滑轮并自由下垂，从而形成“z”字形路径。

42、在步骤b中，质量块的质量、飞轮的惯质系数越大则减振效果越好，但不宜过大从而导致成本增大，设计和制造困难。

43、在步骤c中，tmd优化理论，如通过质量块与被控结构的质量比确定最优调谐频率比和最优调谐阻尼比，从而通过最优调谐频率比和最优调谐阻尼比计算弹性元件的刚度和阻尼器的阻尼系数，或直接将本方案的自振频率调节到与被控结构的自振频率一致。

44、在计算时，可参考本方案的滑轮式调谐质量阻尼器的自振频率公式进行计算：

45、

46、

47、式中，ω1为本方案的滑轮式调谐质量阻尼器用于竖向振动控制的自振频率；ω2为本方案的滑轮式调谐质量阻尼器用于水平向振动控制的自振频率；k为弹性元件的刚度；m为质量块的质量；j为飞轮的惯质比；r为飞轮的半径；g为重力加速度；l为吊索竖直悬挂质量块部分的长度；s为质量块的位移量。

48、本方案的滑轮式调谐质量阻尼器的设计方法选择先根据被控结构的内部空间确定各定滑轮和吊索的布置，再决定质量块的质量和飞轮的惯质比，再计算弹性元件的刚度和阻尼器的阻尼系数的顺序，能够避免滑轮式调谐质量阻尼器设计完成后由于与被控结构发生干涉而无法安装，需要重新设计的情况。

49、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

50、1、本方案通过连接有弹性元件的吊索将质量块悬挂于被控结构，并通过定滑轮使吊索换向，从而使弹性元件能够相对竖直方向倾斜设置；当被控结构发生沿竖直方向的振动，并带动质量块上下振动时，弹性元件对应地拉伸和缩短，从而吸收质量块的机械能，并由阻尼器耗散为其它形式的能量，起到缓冲减震的目的；由于弹性元件相对竖直方向倾斜设置，弹性元件的拉伸和缩短方向也与竖直方向具有夹角，因而本方案能够将弹性元件在拉伸和缩短过程中的一部分长度变化量分散到水平方向，从而减少对竖向安装空间的需求；且当弹性元件相对竖直方向垂直布置，则弹性元件在伸长和拉伸过程中，其沿竖直方向的长度变化量降为零，对竖向安装空间的需求降到最低；因此相比于直接沿竖直方向设置弹性元件的方案，在弹性元件的静伸长量相同的情况下，本方案对竖向安装空间的需求更小，更加适用于具有大量水平向安装空间，而竖向安装空间不足的被控结构，如桥梁；反之，在竖向安装空间相同的情况下，本方案也能相对增大弹性元件的静伸长量，从而更适用于控制低频竖向振动。

51、同时本方案采用将质量块通过吊索悬挂于被控结构的形式，当被控结构发生水平向的振动时，质量块能够以悬挂点为中心发生摆动，从而起到类似摆式tmd的作用，能够控制被控结构沿水平方向的振动。

52、2、本方案的滑轮式调谐质量阻尼器的设计方法选择先根据被控结构的内部空间确定各定滑轮和吊索的布置，再决定质量块的质量和飞轮的惯质比，再计算弹性元件的刚度和阻尼器的阻尼系数的顺序，能够避免滑轮式调谐质量阻尼器设计完成后由于与被控结构发生干涉而无法安装，需要重新设计的情况。