專利名稱：一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法及連續(xù)型振動控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域，特別是涉及一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法及連續(xù)型振動控制器，其主要用于房屋建筑和橋梁工程的振動控制。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)，世界橋梁工程取得巨大成就，大跨橋梁如雨后春筍般誕生。如連通本州一四國的日本明石大橋(懸索橋)，單跨1990m；我國的潤揚(yáng)長江大橋(懸索橋)，跨度1490m。橋梁的大跨、輕質(zhì)及柔性的趨勢越來越強(qiáng)勢，但隨之而產(chǎn)生的橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、風(fēng)振穩(wěn)定性等難題顯著增大。
進(jìn)入21世紀(jì)，世界橋梁工程將進(jìn)入跨海聯(lián)島的橋梁建設(shè)新時期。我國橋梁工程的崛起，全世界矚目，大跨度懸索橋及斜拉橋的建設(shè)水平躍居世界先進(jìn)行列。我國已大力組織規(guī)劃跨海工程，如珠江口的伶仃洋通道，舟山聯(lián)島工程。項(xiàng)海帆院士預(yù)計(jì)[1]“21世紀(jì)的中國將在橋梁建設(shè)中做出輝煌的成就，屹立于世界橋梁強(qiáng)國之列”。
橋梁建設(shè)的發(fā)展需以橋梁理論的發(fā)展為基礎(chǔ)。所以，橋梁風(fēng)振理論、計(jì)算流體動力學(xué)理論、氣動參數(shù)識別的改造及超大跨橋梁的抗風(fēng)措施(如橋梁振動控制措施)等方面的研究尤顯重要。
實(shí)際上，國內(nèi)外學(xué)者已就橋梁振動理論及橋梁振動控制作了大量的研究工作。
1972年，姚浩平(J.T.P.Yao)教授首次提出“結(jié)構(gòu)控制”理論，從而開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)控制研究的新時期。結(jié)構(gòu)控制分三大部分結(jié)構(gòu)特性的自感知、結(jié)構(gòu)使用性能的自診斷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的自動控制。
結(jié)構(gòu)特性的自感知和結(jié)構(gòu)性能的自診斷，即為結(jié)構(gòu)特性的自動監(jiān)測和自動診斷。為此，歐進(jìn)萍院士等人對黑龍江呼蘭河大橋采用光纖光柵智能監(jiān)測技術(shù)[2]及李惠教授等人采用集成技術(shù)對大型橋梁進(jìn)行智能健康監(jiān)測[3]。這些監(jiān)測技術(shù)，對快速準(zhǔn)確地監(jiān)測橋梁的應(yīng)變、溫度變形等性能大顯特效，對橋梁健康診斷提供可靠依據(jù)。
結(jié)構(gòu)響應(yīng)的自動控制研究已有30多年的歷程。顧明教授等對大跨橋梁的顫動及抖振控制[4]作了很好的綜述，并分別采用空氣動力學(xué)措施和機(jī)械阻尼裝置等措施控制橋梁顫振、抖振，并提出“抖振選型”的概念。文獻(xiàn)[5]通過數(shù)值方法和試驗(yàn)證明了調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Dampers，簡稱TMD)提高橋梁顫振臨界風(fēng)速的有效性。文獻(xiàn)[6]用TMD控制橋梁渦激共振，推出TMD最優(yōu)參數(shù)公式，通過算例證明TMD使橋梁渦激振動的位移減小46％。TMD的結(jié)構(gòu)如圖4所示由一個質(zhì)量塊6、一個彈簧7、一個阻尼8及若干滾輪9(鋼球或疊層橡膠等)組成；由此四種物件構(gòu)造的體系連于結(jié)構(gòu)物10上。與結(jié)構(gòu)物間產(chǎn)生相對位移、速度，從而產(chǎn)生彈簧力和阻尼力，這兩種力可減少風(fēng)或地震的部分作用。此設(shè)備已在美國、日本、新西蘭等國應(yīng)用。TMD的最大缺陷是僅能減小來自某一單方面的例如單向或雙向振動的問題。
文獻(xiàn)[7，8，9]采用多重TMD(即MTMD)及杠桿式TMD對揚(yáng)浦大橋進(jìn)行抖振控制。所謂多重TMD即為多個TMD；所謂杠桿式TMD即在TMD中加入剛性桿，此可克服傳統(tǒng)懸吊式TMD占用空間大的缺點(diǎn)，它較方便安裝于箱梁等不充分的空間內(nèi)，文中設(shè)計(jì)了對應(yīng)不同質(zhì)量比的7種TMD系統(tǒng)，研究表明MTMD系統(tǒng)比單個TMD系統(tǒng)的控制效果要好。
以上研究主要反映了TMD、MTMD等控制器及其控制理論的進(jìn)展，但它們難以控制多個振型，控制不均勻、效果欠佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法及連續(xù)型振動控制器，以便解決結(jié)構(gòu)物的連續(xù)振動控制和提高減振效果的問題，從而保護(hù)包括房屋建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)物不受風(fēng)或地震等作用傷害之目的。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法，具體是將一個長條質(zhì)量塊及與之相連的且均勻分布的彈性減振部件連續(xù)布置在結(jié)構(gòu)物上，由此對結(jié)構(gòu)物實(shí)施振動控制。
本發(fā)明提供的一種連續(xù)型控制器(Continuous Tuned Mass Dampers，可簡稱CTMD)，其結(jié)構(gòu)是采用一個質(zhì)量塊，其側(cè)部至少裝有兩個間隔均勻、交錯分布的彈性減震部件，該彈性減震部件的另一端與結(jié)構(gòu)物相連；在質(zhì)量塊的底部至少安裝兩對滾輪或滾軸或疊層橡膠，它們與結(jié)構(gòu)物底面活動接觸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的主要優(yōu)點(diǎn)其一.通過合理選用阻尼、彈簧個數(shù)及確定其均勻交錯布置于長條質(zhì)量塊與結(jié)構(gòu)物間最優(yōu)位置，使其密布的阻尼、彈簧能最大限度的協(xié)調(diào)工作，提高減振效果。
其二.結(jié)構(gòu)簡單MTMD是由多個TMD組合而成的，具有多個質(zhì)量塊，而本控制器是個獨(dú)立體，只有一個大質(zhì)量塊。
其三.除有TMD的技術(shù)特點(diǎn)之外，重要的是其振動控制范圍更廣，控制振型更多。
其四.控制效果好對于超高層建筑，尤其是超大跨橋梁，將一個大型質(zhì)量塊連接多個彈簧和阻尼連續(xù)布置于全橋跨或局部，形成“連續(xù)型振動控制器”，其減振作用更好。
其五.安裝簡便，利于推廣，應(yīng)用前景好。
總之，本發(fā)明比現(xiàn)有TMD、MTMD控制器振動控制范圍更廣、控制振型更多、整體性更好、工作協(xié)調(diào)性更好、效果更佳，能夠最大限度地保護(hù)結(jié)構(gòu)物。并且結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和應(yīng)用前景好。


圖1是本發(fā)明連續(xù)型控制器在結(jié)構(gòu)物5中應(yīng)用示意圖。
圖2是本發(fā)明連續(xù)型控制器的主視圖。
圖3是圖2的A-A剖視圖。
圖4是現(xiàn)有TMD的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法是將一個長條質(zhì)量塊1及與之相連的且均勻分布的彈性減震部件連續(xù)布置在結(jié)構(gòu)物5上，由此對結(jié)構(gòu)物實(shí)施振動控制。其特點(diǎn)是它對結(jié)構(gòu)實(shí)行許多個振型乃至無限個振型的控制；其理論采用二次型模型，模糊控制模型或智能控制模型，它可用多自由度體系和無限自由度體系。尤其對無限自由度體系，可將結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)連為一體，建立無限自由度的運(yùn)動方程，實(shí)行對整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本發(fā)明提供連續(xù)型控制器，包括質(zhì)量塊1和與之相連的滾輪2，其具體結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示采用一個質(zhì)量塊1，其側(cè)部至少裝有兩個間隔均勻、交錯分布的彈性減震部件，該彈性減震部件的另一端與結(jié)構(gòu)物5相連；其至少在兩端各裝有一對滾輪2，若質(zhì)量塊1很長，按本控制器工作需要與其它必要位置還需安裝滾輪2，滾輪與結(jié)構(gòu)物5活動相連。
上述的彈性減震部件可以是彈簧3和阻尼4，它們以若干個數(shù)量交錯均勻布置并連接質(zhì)量塊和結(jié)構(gòu)物5上；其數(shù)量可依實(shí)際結(jié)構(gòu)情況而定。
上述的結(jié)構(gòu)物是指房屋建筑或橋梁。
本發(fā)明連續(xù)型控制器可裝在結(jié)構(gòu)物的頂部或其它部位。并且可以沿結(jié)構(gòu)物長方向連續(xù)布置，而不同于其它控制裝置的分散布置，從而對結(jié)構(gòu)實(shí)行連續(xù)控制。
例如，將質(zhì)量塊1裝在房屋建筑的屋頂上(見圖1)，其中所述的彈簧3和阻尼4，其與屋頂側(cè)壁相連；所述的滾輪2一般采用鋼球或疊層橡膠，它們與屋頂面活動相連。
又如，將質(zhì)量塊1裝在橋梁的箱梁內(nèi)，其沿結(jié)構(gòu)全跨或局部區(qū)域延伸，形成全橋跨的長條狀質(zhì)量塊，而彈簧3和阻尼4沿全跨間隔交錯密布，形成裝在橋梁工程中的新型的阻尼器。
上述的質(zhì)量塊1為材質(zhì)致密的物塊，例如鋼筋混凝土塊、鋼塊、混凝土框與人工處理成型的土體的組合體，或由其它種材料制成。該質(zhì)量塊可以是長條狀的各種規(guī)則體。
下面結(jié)合附圖簡述本發(fā)明的工作過程當(dāng)結(jié)構(gòu)物5在風(fēng)力、地震等外力作用下發(fā)生振動時，質(zhì)量塊1在彈簧3和阻尼4的作用下，隨之振動，消耗能量，保證結(jié)構(gòu)物5的安全。在外力很大的情況下，密布的阻尼和彈簧一起協(xié)調(diào)工作，耗能效果更明顯，從而保護(hù)包括房屋建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)物不受傷害。
參考文獻(xiàn)[1]項(xiàng)海帆.進(jìn)入21世紀(jì)的橋梁風(fēng)工程研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30(5)529-532[2]歐進(jìn)萍，周智，武湛君.黑龍江呼蘭河大橋的光纖光柵智能檢測技術(shù).土木工程學(xué)報(bào)，2004，37(1)45-49[3]李惠，周文松，歐進(jìn)萍.大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康檢測系統(tǒng)集成技術(shù)研究.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(2)46-52[4]顧明，項(xiàng)海帆.大跨橋梁的顫振及抖振控制.中國科學(xué)基金，1998，(3)129-132[5]Gu M，Chang C C，Wu W et al. Increase of flutter critical wind speed usingtuned mass dampers of long-span bridges.J.of Wind Eng.&Indust.Aerodyn.1998，73111-123. 項(xiàng)海帆，陳艾榮，顧明.調(diào)質(zhì)阻尼器(TMD)對橋梁渦激共振的抑制.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，22(2)159-164[7]顧明，陳人，項(xiàng)海帆.用于楊浦大橋抖振控制的MTMD研究.振動工程學(xué)報(bào)，1998，11(11)1-8[8]Jianzhong Li；Mubiao Su；and Lichu Fan.Vibration Control of RailwayBridges under High-Speed Trains Using Multiple Tuned Mass Dampers. Journal ofbridge engineering，2005；10(3)312-320[9]C.C.Chang，M.ASCEl；M.Gu；and K.H.Tang.Tuned Mass Dampers forDual-Mode Buffeting Control of Bridges.Journal of bridge engineering，2003；8(4)237-240
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法，其特征是將一個長條質(zhì)量塊(1)及與之相連的且均勻分布的彈性減振部件連續(xù)布置在結(jié)構(gòu)物(5)上，由此對結(jié)構(gòu)物實(shí)施振動控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)型振動控制方法，其特征是結(jié)構(gòu)物(5)是指房屋建筑或橋梁。
3.一種連續(xù)型控制器，包括質(zhì)量塊(1)和與之相連的滾輪(2)或滾軸或疊層橡膠，其特征是采用一個質(zhì)量塊(1)，其側(cè)部至少裝有兩個間隔均勻、交錯分布的彈性減震部件，該彈性減震部件的另一端與結(jié)構(gòu)物(5)相連；在質(zhì)量塊(1)的底部，至少安裝兩對滾輪(2)或滾軸或疊層橡膠，它們與結(jié)構(gòu)物底面活動接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)型控制器，其特征是所述的彈性減震部件是指彈簧(3)和阻尼(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的連續(xù)型控制器，其特征是所述控制器沿結(jié)構(gòu)物(5)長方向連續(xù)布置；結(jié)構(gòu)物(5)為房屋建筑和橋梁。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)型控制器，其特征是其中所述的彈簧(3)和阻尼(4)，其與屋頂側(cè)壁相連或與橋梁的箱梁內(nèi)側(cè)壁相連；所述的滾輪(2)或滾軸或疊層橡膠，它們與屋頂面活動相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)型控制器，其特征是質(zhì)量塊(1)為長條狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)型控制器，其特征是質(zhì)量塊(1)為鋼筋混凝土塊、鋼塊、混凝土框與人工處理成型的土體的組合體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)物的連續(xù)型振動控制方法，具體是將一個長條質(zhì)量塊連接多個彈簧和阻尼連續(xù)布置在結(jié)構(gòu)物(5)上，由此對結(jié)構(gòu)物實(shí)施振動控制。本發(fā)明還提供了連續(xù)型振動控制器，其結(jié)構(gòu)是采用一個質(zhì)量塊(1)，其側(cè)部至少裝有兩個間隔均勻、交錯分布的彈性減震部件，該彈性減震部件的另一端與結(jié)構(gòu)物(5)相連；在質(zhì)量塊(1)的底部至少安裝兩對滾輪(2)或滾軸或疊層橡膠，它們與結(jié)構(gòu)物底面活動接觸。本發(fā)明比現(xiàn)有TMD、MTMD控制器振動控制范圍更廣、控制振型更多、整體性更好、工作協(xié)調(diào)性更好、效果更佳，能夠最大限度地保護(hù)結(jié)構(gòu)物。并且結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和應(yīng)用前景好。
文檔編號E04B1/98GK101024983SQ20071005171
公開日2007年8月29日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月22日
發(fā)明者徐家云, 付李寧, 汲軍廣, 周祥瑞, 佘樂卿, 許建軍 申請人:武漢理工大學(xué)