主动变水压控制型调谐液体阻尼器

技术领域

本发明涉及主动变水压控制型调谐液体阻尼器，属于土木工程抗风、抗震和减震技术领域。

背景技术

近年来，土木工程领域越来越重视结构振动控制技术，在结构上设置一些耗能装置，当结构产生振动时，会使耗能装置产生往复运动而耗散结构的振动能量，从而减小结构的加速度和位移响应，这种结构振动控制技术受到人们的青睐。近几十年来发展硏究出来的耗能元件主要有以下三种类型：速度相关型元件，如线性粘滞和粘弹性阻尼器；调谐吸振型元件，如调谐质量阻尼器(TMD)和调谐液体阻尼器(TLD)；位移相关型元件，如金属摩擦型元件。其中调谐液体阻尼器(TLD)由于其造价低，易安装，维护少，自动激活性能好，容易匹配调谐频率等优点，在近些年受到人们广泛关注。

调谐液体阻尼器(TLD)是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器。它对结构进行振动控制的机理是：在结构振动的过程中，容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的动压力构成为对结构的控制力，同时结构振动的部分能量也将由于水的粘性而耗散掉，从而达到减小结构反应的目的。通常，水箱运动时液体作用于箱体上的力主要有三种成分：晃荡力、脉冲力和底部剪力。底部剪力与基底结构的运动速度平方成比例、方向与速度相反，因此它对基底结构总是作负功而起消能及消振作用；脉冲力是与基底结构上质量块的惯性力性质完全相同的力，它增加了结构的惯性力，起不利作用；晃荡力是可利用的，通过调谐可达到与外力反相位，在共振情况下与基底结构的阻尼力同等效果，晃荡力本质并不是阻尼力，只是对基底结构起到了阻尼力的作用。在液面共振下，晃荡力与液面阻尼力平衡，晃荡力并不是液面阻尼力，起减振作用的是晃荡力。

一般根据TLD内液深与振动方向的尺寸之比将其分为深水TD和浅水TLD。当液深与振动方向尺寸之比大于1/8的水箱为深水TLD，否则为浅水TLD。理论计算表明，深水TLD中液体晃荡阻尼对控制效果有明显的影响。但一般深水TLD中液体晃荡阻尼较小，减振频带窄，导致控制效果对频率不调谐的程度十分敏感，以致在工程中很难直接应用该类TLD。研究者采取不同措施提高液体的晃荡阻尼，如在深水水箱中附加隔板、金属网、肋条、浮子、多孔板等装置。目前，浅水TLD减振控制的理论和试验研究成果非常丰富，技术较为成熟，但对于浅水TLD，微幅波假设不成立，线性波浪理论不再适用。因此深水TLD与潜水TLD各有利弊，可因具体情况进行选择。

对于传统的TLD装置，当水箱受到外部激励时，容器内的水会发生较大幅度晃动，而激励频率与水箱自振频率接近时，水箱内水的晃动会更加剧烈，进而会影响到结构的使用功能。由于纯水提供的粘性阻尼较小，不能较好地抑制水的晃动，为克服这一缺点，可以通过在水箱内部设置障碍物如格栅、挡板、立柱等来提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散，最终达到增强TLD减振效果的目的。

基于以上原理，本专利通过在传统调谐液体阻尼器(TLD)的基础上，在水箱中央设置栅板，栅板两侧通过栅板连接装置固定在水箱中央位置，栅板设孔且被栅板控制装置控制使其能够前后左右方向移动，起到半主动控制水箱中流体运动的作用，更好的改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散。同时在水箱的两个碰撞壁上分别安装分布式水压调节器，任一侧的水压调节器感知到流体冲击(压力为正)，水压调节器则瞬时降低气压，阻碍流体运动；任一侧的水压调节器感知到流体向对侧流动，即泄压(压力为负)，水压调节器则瞬时增大气压，推动流体运动，主动控制水箱中水压大小调谐液体减振。分布式水压调节器间设置注水孔、泄水孔，可随时调控水量和水高，让TLD可在深水与浅水间灵活转变，在风和地震荷载作用下，可灵活的调节水深调整频率大小，让整体结构达到更好的减振效果。

发明内容

本发明提出主动变水压控制型调谐液体阻尼器。该调谐液体阻尼器可以有效控制水箱中水压大小，调谐液体减振，还可以有效地减少水箱内液体晃动，显著增强TLD的减振效果。本发明是一种适用于各种建筑结构中，用来抵抗风荷载与地震荷载对建筑物产生的不良影响的新型调谐液体阻尼器，其功能在于水箱的两个碰撞壁上分别安装的分布式水压调节器能够实现主动控制水箱内水压大小进行调谐液体减振，且在水箱加入栅板，栅板设孔且被栅板控制装置控制使其能够前后左右方向移动，起到半主动控制水箱中流体运动的作用，更好的改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散。注水孔、泄水孔的设置，可实现随时调控TLD水箱中水量和水高，在风和地震荷载作用下，可灵活的调节水深以调整频率大小，让整体结构达到更好的减振效果。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

主动变水压控制型调谐液体阻尼器，主要包括水箱1、栅板2、栅板连接装置3、水压调节器4、注水孔5、泄水孔6、水压调节感应装置7、透气进水口8、气囊9、平面囊10、栅板控制装置11、栅板控制装置连接线12、水压调节器连接线13、加载器14、终端控制器15。该新型调谐液体阻尼器由水箱1、栅板2、栅板连接装置3、水压调节器4、注水孔5、泄水孔6、栅板控制装置11组成，水压调节器4则由水压调节感应装置7、透气进水口8、气囊9、平面囊10组成，分布设置在水箱的两个碰撞壁上，起到主动控制水箱中水压大小得以调谐液体减振。

栅板2与栅板链接装置3组成一个完整的栅板体系，栅板2的高度在水箱1高度的0.5～0.8之间，栅板2由栅板连接装置固定在水箱1中央位置，可以使栅板2在受到液体晃动冲击情况下不发生任意偏移的情况，稳固栅板2的位置。栅板2板面上开若干孔，孔径大小为栅板2宽度的1/20，栅板2与栅板控制装置11相连，栅板控制装置11通过栅板控制装置连接线12与加载器14相连，加载器14再受终端控制器15控制，使加载器14能够调控栅板控制装置11通过杠杆原理控制栅板2前后左右方向移动，使得TLD的激频比可以有效控制在1左右，当水箱1因结构受风荷载或地震荷载作用而发生振动时，水箱1中的液体会发生晃动而受到栅板2的阻隔，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，更好的改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散。

在水箱的两个碰撞壁上分别安装水压调节器4，水压调节器4分布式排列在箱壁上。分布式水压调节器4由水压调节感应装置7、透气进水口8、气囊9、平面囊10组成，分布式水压调节器4通过水压调节器连接线13与加载器14连接，加载器14受终端控制器15控制，当任一侧的水压调节器4受到流体冲击(压力为正)时，冲击液体会通过透气进水口8进入到水压调节器4内部，并通过水压调节感应装置7感知液体流动变化，将数据传输给终端控制器15，终端控制器15瞬时控制加载器14降低水压调节器4中平面囊10中的气压，即平面囊10泄气，致使多个气囊9组成的分布式气囊泄气，阻碍流体运动；当任一侧的水压调节器4受到流体向对侧流动，即泄压(压力为负)，液体透气进水口8中的液体会从进水口排出，此时水压调节感应装置7感受到水压调节器4中液体流失，终端控制器15瞬时控制加载器14增大水压调节器4中平面囊10中的气压，即平面囊10充气，致使多个气囊9组成的分布式气囊充气，推动流体运动。该模式起到主动控制水箱中水压大小调谐液体减振，而多个水压调节器4分布式设置能够更好的调节TLD频率，为TLD提供更大的减振力。

在两个碰撞壁的分布式水压调节器中间设注水口5与泄水口6，两个水口的设置能够随时调控水箱1中的水量和水高，在风和地震荷载作用下，可灵活的调节水深，可以让该TLD灵活的在深水TLD与浅水TLD间进行转变，且由于栅板的设置让传统深水TLD由于液体晃荡阻尼较小导致减振频带窄的问题得以解决，能够更好的对TLD进行调谐频率，让整体结构达到更好的减振效果。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明在传统的TLD基础上，在水箱中央设置栅板，栅板两侧通过栅板连接装置固定在水箱中央位置，栅板设孔且被栅板控制装置控制使其能够前后左右方向移动，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，且能够更好的改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散。

2)本发明在传统的TLD基础上，在水箱的两个碰撞壁上安装分布式水压调节器，任一侧的水压调节器感知到流体冲击(压力为正)，水压调节器则瞬时降低气压，阻碍流体运动；任一侧的水压调节器感知到流体向对侧流动，即泄压(压力为负)，水压调节器则瞬时增大气压，推动流体运动，主动控制水箱中水压大小调谐液体减振，能够更好的调节TLD频率，为TLD提供更大的减振力。

3)本发明在TLD水箱设注水口与泄水口，让TLD可在深水与浅水间灵活转变，在风和地震荷载作用下，可灵活的调节水深调整频率大小，且由于栅板的设置让传统深水TLD由于液体晃荡阻尼较小导致减振频带窄的问题得以解决，能够更好的对TLD进行调谐频率，让整体结构达到更好的减振效果。

4)本发明由于设置注水口与泄水口，可以往水箱中注水、取水，水箱内液体可采用纯净水，这样水箱既可做阻尼器又可做消防及生活用水，大大增加了TLD的利用效率，减少了TLD造价，并解决了其占地空间问题。

附图说明

图1是本发明主动变水压控制型调谐液体阻尼器的三维效果图

图2是本发明主动变水压控制型调谐液体阻尼器的侧视图

图3是本发明主动变水压控制型调谐液体阻尼器的俯视图

图4是本发明主动变水压控制型调谐液体阻尼器的正截面示意图

图5是本发明主动变水压控制型调谐液体阻尼器中水压调节器的正截面示意图

图中：图中：1-水箱、2-栅板、3-栅板连接装置、4-水压调节器、5-注水孔、6-泄水孔、7-水压调节感应装置、8-透气进水口、9-气囊、10-平面囊、11-栅板控制装置、12-栅板控制装置连接线、13-水压调节器连接线、14-加载器、15-终端控制器。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1，是本发明主动变水压控制型调谐液体阻尼器的实施例，其主要包括：水箱1、栅板2、栅板连接装置3、水压调节器4、注水孔5、泄水孔6、水压调节感应装置7、透气进水口8、气囊9、平面囊10、栅板控制装置11、栅板控制装置连接线12、水压调节器连接线13、加载器14、终端控制器15。具体实施步骤如下：

该建筑为高层宾馆，为圆筒形结构，高150m，外直径38m，总重26500吨。由于该建筑物不满足抗风抗震要求，在该建筑物上假设TLD装置进行振动控制。该建筑物上共设有30个TLD，总水质量为102吨，为建筑总质量的0.38％，第一广义振型质量的0.97％。

每个TLD水箱高1.2m，长2.0m，宽1.4m，初始水深0.8m，可由注水口与泄水口随时调控水箱内水深。栅板长1m，宽0.1m，高0.7m。栅板由栅板连接装置稳固在水箱中央，不被液体晃动冲击而影响。栅板板面上开分布式孔，孔径大小为5cm，栅板受栅板控制装置控制，栅板控制装置则连接加载器与终端控制器，控制栅板前后左右移动，当水箱因结构受风荷载或地震荷载作用而发生振动时，水箱中的液体会发生晃动而受到栅板的阻隔，栅板起到半主动控制水箱中流体运动的作用，使得TLD的激频比可以有效控制在1左右，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，更好的改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，经过测量，加设TLD后电视塔的阻尼比增大5倍，由原来的1％增至4.8％，当风速大于20m/s时(离地面160m处)，各向加速度减少到原加速度的50％～70％，位移反应减小35％～50％。

在水箱的两个碰撞壁上分别安装水压调节器，水压调节器分布式排列在箱壁上，水压调节器直径为0.1m。当任一侧的水压调节器受到流体冲击(压力为正)时，冲击液体会通过透气进水口进入到水压调节器内部，此时水压调节感应装置将该数据瞬时通过水压调节器连接线传递给终端控制器，终端控制器则瞬时有所反馈，调控加载器瞬时降低水压调节器中气囊中的气压，即气囊泄气，阻碍流体运动；当任一侧的水压调节器受到流体向对侧流动，即泄压(压力为负)，液体透气进水口中的液体会从进水口排出，终端控制器瞬时控制加载器增大水压调节器中气囊中的气压，即气囊充气，推动流体运动。该模式起到主动控制水箱中水压大小调谐液体减振，而多个水压调节器分布式设置能够更好的调节TLD频率，经测量，TLD中水的第一晃动频率与结构的基频之比可保持0.95～1.05之间，能够使水箱的线性阻尼比时刻处于最大值，增加液体能量耗能，使得TLD对结构的减振效果大大提升。

在两个碰撞壁的分布式水压调节器中间设注水口与泄水口，两个水口直径为0.08m，两个水口的设置能够随时调控水箱1中的水量和水高，在风和地震荷载作用下，可灵活的调节水深，可以让该TLD灵活的在深水TLD与浅水TLD间进行转变，且由于栅板的设置让传统深水TLD由于液体晃荡阻尼较小导致减振频带窄的问题得以解决，能够更好的对TLD进行调谐频率，让整体结构达到更好的减振效果，经测量，当有大风来袭，施加的TLD装置可以有效起到耗能减振作用，振动加速度指标可以满足国际住宅舒适度标准，减震效果显著，高层宾馆的水平位移减振率达到29.3％。。

主动变水压控制型调谐液体阻尼器，是在传统调谐液体阻尼器(TLD)的基础上，在水箱的两个碰撞壁上分别安装分布式水压调节器，任一侧的水压调节器感知到流体冲击(压力为正)，水压调节器则瞬时降低气压，阻碍流体运动；任一侧的水压调节器感知到流体向对侧流动，即泄压(压力为负)，水压调节器则瞬时增大气压，推动流体运动，主动控制水箱中水压大小调谐液体减振。在水箱中央设置栅板，栅板设孔且被栅板控制装置控制使其能够前后左右方向移动，使TLD的调谐频率在受控振型的频带范围内与外干扰频率一致，且能够更好的改善TLD中液体的晃动，能提供更高的附加阻尼，提高TLD系统的阻尼比，增加液体能量耗散。分布式水压调节器间设置注水孔、泄水孔，可随时调控水量和水高，在风和地震荷载作用下，可灵活的调节水深调整频率大小，让整体结构达到更好的减振效果。以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。