减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置

摘要

一种减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，包括一端悬挂在结构6上、另一端悬吊有质量块2的钢丝摆索1，质量块2可为穿孔钢球或铸铝钢球，摆索1穿过其孔；悬挂结构中装有抗疲劳破坏装置3，其结构为：摆索1穿过圆柱形压缩弹簧31和其两端的开孔垫板32后以紧固件33夹紧；在质量块2的上、下端的摆索上都装有抗疲劳破坏装置3；质量块的外围固定装有阻尼比大于5％的碰撞阻尼耗能部件橡胶圈4，在结构6与质量块之间拉有防护和检修吊索5，本发明的控制装置有效、简单、经济、可靠，首次提出将结构控制装置安装在桅杆筒内，直接针对桅杆结构振动进行减振控制，使控制效果得到极大地提高，避免以往研究将控制装置安装在塔楼中造成的结构控制装置过于庞大、机构过于复杂及控制效果难于提高的弊病。

权利要求

1.减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，包括一端悬挂在结构(6)上、另一端悬吊有质量块(2)的钢丝摆索(1)，其特征是：悬挂结构中装有抗疲劳破坏装置(3)，其结构为：摆索(1)穿过圆柱形压缩弹簧(31)和其两端的开孔垫板(32)后以紧固件(33)夹紧；所述的抗疲劳破坏装置(3)安装于质量块(2)的上端和/或下端。

2.根据权利要求1所述的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，其特征是：所述的质量块(2)为穿孔的钢球，摆索(1)穿过其孔。

3.根据权利要求1至2之一所述的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，其特征是：所述的质量块(2)的外围装有阻尼耗能部件橡胶圈(4)。

4.根据权利要求3所述的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，其特征是：所述的阻尼耗能部件橡胶圈(4)的阻尼比大于5％。

5.根据权利要求1所述的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，其特征是：对桅杆结构(6)而言，多个控制装置的质量块(2)质量总和大于桅杆振型广义质量的1％。

6.根据权利要求1所述的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，其特征是：在结构(6)与质量块(2)之间拉有至少一条的防护和检修吊索(5)。

说明书

减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置

技术领域

[0001] 本发明涉及结构工程、结构振动控制领域，尤其是涉及一种减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置。

背景技术

[0002] 结构振动控制是近十多年来兴起的结构抗震抗风新途径。经过多年的不懈努力，结构振动控制在理论研究和工程应用两方面均取得了较大的进展。具有里程碑意义的是，在大量理论工作的基础上，国家自然科学基金委员会于1992年设立重点项目(批准号：59238160)“建筑结构的抗震与抗风控制研究”，在两塔(上海东方明珠电视塔和南京电视塔)一桥(江阴长江大桥)上进行结构控制系统的应用研究，这标志着我国的结构控制研究由理论研究为重点向应用研究为重点过渡。随后几年，我国学者在结构控制技术应用于工程的不断实践中，总结经验和教训，走出了适合我国国情的结构控制的应用道路。基础隔震、耗能减振已逐渐进入应用和推广阶段，并纳入国家标准《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》中。有较大量的基础隔震建筑和耗能减振建筑在我国不同地区应用。从这些应用例子看，这些控制建筑的技术策略力求有效、简单、经济、便于实现，其经验得以推广。作为被动控制的调谐质量阻尼(TMD)振动控制装置，其控制策略为应用子结构与被控结构主振型共振达到动力吸振的目的，并应用耗能阻尼材料或装置消耗子结构的振动能量，在不断吸收主结构振动能量和不断消耗子结构振动能量中达到降低主结构响应的目的。上海东方明珠电视塔的结构控制应用研究子项目研究过程，在计算方法上和TMD控制装置方案上进行了大量的研究，解决了各种应用中控制装置实现的关键技术问题。南京电视塔项目和美国学者T.T.Soong合作进行了主被动ATMD混合控制装置的研究。这些研究结果使我国结构控制研究向工程应用跨进了一大步，其成果为今后的应用研究奠定了一定的研究基础。从研究项目看，这些研究出色地完成了国家自然科学基金重点项目所设定的研究内容，达到预期研究目标。但就项目中控制装置实现问题却有许多经验和教训值得吸取。首先，这些研究未能真正抓住电视塔结构的响应集中在桅杆部位的特点，结构控制策略为控制全塔的响应，而结构自下而上，存在多次刚度突变，桅杆部位的局部响应远大于塔身响应，因此使控制难度增大，为达到一定的控制效果控制装置过于庞大；其二，控制装置安装在塔楼中，控制作用在桅杆的根部，对桅杆结构响应控制效果很小；其三，控制装置追求完美，使控制装置过于复杂，技术要求太高，难于实现。主动AMD、被动TMD以及半主动及混合ATMD控制装置在国内外已有较多研究，并在国外的超高层建筑上得到应用。如美国的汉考克大厦安装上两套TMD装置，控制结构第二和第四振型响应，解决了风振作用下建筑玻璃幕墙脱落的工程问题；日本的Dowa Kasai Phoenix Tower上安装两套两方向主被动ATMD结构控制装置，被动控制TMD采用橡胶支座作为支撑和弹簧阻尼系统、主动控制AMD采用液压传动作为的施力机构；日本的HerbisOsaka Tower利用屋顶消防水箱作为AMD的惯性质量，将消防水箱悬吊，用电机螺杆作为驱动装置，并用软连接解决水管的连接问题；日本的ソんラケ-トタワ-北栋采用了折叠式悬吊质量TMD结构控制装置，解决了结构周期较长，层高受限的问题；加拿大多伦多电视塔在塔楼上也安装上了TMD结构控制装置。目前在国内外，TMD或AMD结构控制装置已在几十幢建筑结构上应用，但还远谈不上普及应用，国内的应用就更少。对TMD或AMD的研究已有许多研究成果，但均局限于优化和算法上的研究，控制装置的应用技术研究及相对应的控制结果的定量分析仍然不足、控制装置的有效性、安全性和可靠性监测研究则更少有报道。控制装置能够在结构中普及应用还需做许多工作。控制装置的“有效、简单、经济、可靠”，是结构控制技术得以应用和推广的重要技术措施。

发明内容

[0003] 本发明的目的，就是提供一种减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，其能做到有效、简单、经济、可靠。

[0004] 为实现上述目的，本发明的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置，包括一端悬挂在结构上、另一端悬吊有质量块的钢丝摆索，其特征是：所述的悬挂结构中装有抗疲劳破坏装置，其结构为：摆索穿过圆柱形压缩弹簧和其两端的开孔垫板后以紧固件夹紧。 [0005] 在上述基础上，本发明还有各种形式：

[0006] 所述的质量块为穿孔钢球或铸铝钢球，摆索穿过其间。

[0007] 所述的质量块的外围装有阻尼比大于5％的阻尼耗能部件橡胶圈。 [0008] 所述的质量块对桅杆结构而言，多个控制装置的质量块质量总和大于桅杆振型广义质量的1％。

[0009] 在结构与质量块之间拉有至少一条的防护和检修吊索。

[0010] 本发明的有益效果：

[0011] (1)提出结构控制装置的弹性悬吊支撑构造，使支撑部件所占用的空间小，保证悬吊质量有较好的摆动能力；

[0012] (2)解决结构控制装置线性吸能和非线性耗能的构造措施，保证装置运行的有效性和持久性；

[0013] (3)提出结构控制装置的疲劳受力构件抗疲劳构造措施，解决构件的应力集中问题，防止构件应力集中部位的疲劳破坏；

[0014] (4)控制装置“有效、简单、经济、可靠”，是本发明的一个特色，也是长期研究的经验和教训的总结，符合工程实际需要，满足工程行业技术条件，切实解决了工程问题。 [0015] (5)本发明的控制装置尤其是针对电视塔结构的特点，首次提出将结构控制装置安装在桅杆筒内，直接针对桅杆结构振动进行减振控制，使控制效果得到极大地提高，避免以往研究将控制装置安装在塔楼中造成的结构控制装置过于庞大、机构过于复杂及控制效果难于提高的弊病。

[0016] 附图说明

[0017] 图1为本发明实施例的结构示意图。

[0018] 图2为摆索结构示意图。

[0019] 图3为深圳市梧桐山电视发射塔塔体结构示意图。

[0020] 图4为实施例应用于深圳市梧桐山电视发射塔桅杆结构安装标高示意图。 [0021] 图中：1摆索，2质量块，3抗疲劳破坏装置，31圆柱形压缩弹簧，32开孔垫板，33紧固件，4橡胶圈，5防护和检修吊索，6结构。

[0022] 具体实施方式

[0023] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。

[0024] 如图1图2所示，本发明的减小高塔结构风振响应的动力吸振和耗能装置简称控制装置，包括一端悬挂在结构6上、另一端悬吊有质量块2的钢丝摆索1，摆索1一般为钢丝索，其支撑到质量质心间长度可调，用以控制和调整装置的自振周期，使其与结构控制振型相吻合；质量块2可为穿孔钢球或铸铝钢球，摆索1穿过其孔，质量块的大小对控制效果有直接影响，一般多个控制装置质量总和大于桅杆振型广义质量的1％，就可以达到较好的控制效果(1％时控制效果约为40％)；悬挂结构中装有抗疲劳破坏装置3，其结构为：摆索1穿过圆柱形压缩弹簧31和其两端的开孔垫板32后以紧固件33夹紧；在质量块2的上、下端的摆索上都装有抗疲劳破坏装置3；质量块的外围固定装有阻尼比大于5％的碰撞阻尼耗能部件橡胶圈4，装置在与结构共振中不断吸收结构振动能量，装置振动不断放大，最终通过碰撞消耗装置振动能量，使装置振幅迅速降低，装置回到初始状态，为下一步吸收振动能量提供空间，采用高阻尼(阻尼比大于5％)橡胶制作；在结构6与质量块之间拉有防护和检修吊索5，它是装置的附属构件，在主索失效后用以保护装置不至于脱落危害主结构，同时也用作装置维修和主索更换。单根吊索承载能力应不小于1.5倍质量块重量。 [0025] 摆索1抗疲劳安全是本控制装置能长期有效和安全的关键问题。摆索易疲劳破坏的部位为索的支撑端和索与质量块的上下端连接部位。由于装置在摆动和碰撞时索在上述部位产生往复弯折动力，摆索在长期往复动力作用下将产生疲劳断裂，因此本申请提出的抗疲劳构造是重要的关键技术。本装置采用压紧弹簧，依靠弹簧的恢复反弹力承受弯折动力，降低索的弯折动力， 保证索的抗弯折疲劳安全。

[0026] 图3为实施例应用于深圳市梧桐山电视塔桅杆结构示意图。

[0027] 深圳市梧桐山电视发射塔总高度198.000米，由于建筑于梧桐山上，塔的±0.000米标高相当于海拔高程649.600米，为高山塔桅结构。电视发射塔结构分为塔身、桅杆结构两段。桅杆总长为120.500米，与目前国内电视塔比为最长。结构竖向分别在标高80.500、97.000、146.900、163.700、175.300、188.000处存在6次刚度突变，结构响应较集中在桅杆顶部，桅杆响应较大，多个振型参与结构风振响应，结构风敏感性较强。深圳市位于南中国海岸线上，常年遭受台风袭击，设计风荷载标准值的基本风压在重现期50年和100年时分
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别为0.75KN/m、0.90KN/m，风荷载引起结构响应超限不可避免。

[0028] 深圳市梧桐山电视发射塔的设计单位对该结构进行了较为细致的计算分析和设计。设计结果对结构整体安全性有保障。但设计桅杆结构顶点最大位移为2.7351米(风荷载重现期50年)和3.2325米(风荷载重现期100年)，超出国家标准《高耸结构设计规范(GBJ135-90)》第2.0.8条规定较多(分别超出31.5％和55.4％)。减少结构顶点位移响应的方法有两种，一种是增大桅杆的结构断面，提高结构刚度；一种是增加结构阻尼，提高结构的振动耗能能力。第一种方法是较常规的做法，在一般结构中能够做到。但在本工程中，由于使用功能要求，桅杆结构断面受到限制，桅杆总长度要符合广播和电视播出频道的总体要求，并且顶端十米长桅杆已由德国购进，因此增大结构断面，提高桅杆结构刚度已没有余地。本工程由于采用钢结构，结构阻尼比为1.00％~3.00％，结构阻尼比较小，意味着结构消耗振动的能力小，结构振动衰减较慢，这是导致桅杆结构振动较大的一个重要原因。因此提高结构的阻尼，增强结构的振动耗能能力，是降低本工程结构振动的有效、经济的方法。

[0029] 本项目采用调谐质量阻尼结构控制策略，即线性吸振、非线性耗能的结构控制策略。控制装置不断吸收和消耗桅杆结构的振动能量，达到提高桅杆结构消耗振动能量的能力，最终达到提高结构阻尼的目的。控制装置安装在桅杆筒内，不影响桅杆的使用功能，所采用的装置简单、有效，所提出的技术要求较低，便于应用和普及。根据计算分析结果，重点控制结构的第一、第二振型的结构响应。控制上述两个振型响应分别采用4组、3组控制装置(详见图3)。计算分析表明， 控制结果可降低桅杆动态响应位移67.9％。 [0030] 电视塔作为城市的重要标志，体现城市建筑风貌。同时他又承担着城市区域广播电视接收、发射和通讯任务，是生命线工程，其结构安全承载着重要的社会影响和公众安全责任。随着广播电视以及通讯向数字化方向发展，对电视塔将提出更高的要求。桅杆将较原来设计更长，桅杆摆幅限制更加严格。电视塔已在我国大型城市蓬勃兴建，不远的将来，随着广播电视事业的发展，中小城市新建电视塔已成为必然，部分大中城市电视塔也将按着更高的技术要求对原塔进行改造和重建。因此本专利项目将有重要的社会意义和应用前景。

[0031] 作为电视塔的高耸结构，结构一般由塔身、桅杆组成，从塔身到桅杆，结构进行了多次材料和截面变换，结构存在多次刚度突变，结构响应较集中在桅杆顶部。结构的第一自振周期较长，多个振型参与结构的风振响应，属风敏感结构。同时结构的横风向振动不能忽视，需考虑结构顺风向和横风向响应的耦合作用。根据国家标准《高耸结构设计规范(GBJ135-90)》第2.0.8条规定“在风荷载(标准值)作用下，高耸结构任意点的水平位移不得大于该点离地高度的1/100。对桅杆结构，注意层间的相对水平位移，尚不得大于该层间高度的1/100。”这对电视塔及桅杆结构风振响应的控制要求较严格。桅杆位移超限会对结构安全和使用功能造成如下隐患：(1)桅杆结构在风荷载作用下长期较大幅度的振动，易造成结构疲劳破坏；(2)桅杆结构振动幅度超限，易使桅杆结构局部失稳破坏；(3)因天线摆动造成发射信号衰减，影响广播电视信号的发射效果；(4)对系统技术性能提高造成构造瓶颈。目前由于数字电视传送的要求，电视塔桅杆搭载的频道数越来越多，要求新建电视塔桅杆较以往更长，同时桅杆截面受到广播电视发射视野和覆盖面的限制不能过大，桅杆顶点位移超限问题越加突出，这样对桅杆结构风振响应的控制就显得越加必要。 [0032] 本项目采用调谐质量阻尼结构控制策略，即线性吸振、非线性耗能的结构控制策略。控制装置不断吸收和消耗桅杆结构的振动能量，达到提高桅杆结构消耗振动能量的能力，最终达到提高结构阻尼的目的。控制装置安装在桅杆筒内，不影响桅杆的使用功能，所采用的装置简单、有效，所提出的技术要求较低，便于应用和普及。

[0033] 另外，针对工程的行业技术特点，本项目采用在桅杆内筒设置质量单摆形成 子结构，应用共振原理，当桅杆结构在风荷载作用下发生振动时，质量单摆子结构受桅杆振动而激发共振，吸收桅杆的振动能量，同时依靠质量单摆与桅杆内吸能材料的碰撞，消耗子结构的振动能量。装置对结构的作用结果是增加了桅杆结构的阻尼，使桅杆结构的振动快速衰减，达到减小桅杆结构振动、降低天线摆动造成信号衰减的目的。装置设计的关键技术是确定子结构的共振参数和确定子结构的耗能参数。本项目提出的控制装置控制效果好，装置技术要求低，占用空间小，对桅杆转播功能无影响。根据计算分析结果，桅杆内可以设置多个控制装置，重点控制结构的第一、第二振型的结构响应。装置的技术组成为： [0034] 1.质量块 质量块可以是实心钢球或铸铅钢球。其质量的大小对控制效果有直接影响，一般多个控制装置质量总和大于桅杆振型广义质量的1％，就可以达到较好的控制效果(1％时控制效果约为40％)。

[0035] 2.摆索 摆索一般为钢丝索，其支撑到质量质心间长度可调，用以控制和调整装置的自振周期，使其与结构控制振型相吻合。

[0036] 3.阻尼耗能部件 装置在与结构共振中不断吸收结构振动能量，装置振动不断放大，最终通过碰撞消耗装置振动能量，使装置振幅迅速降低，装置回到初始状态，为下一步吸收振动能量提供空间。装置碰撞耗能部件为阻尼橡胶耗能圈(构造详附图)，采用高阻尼(阻尼比大于5％)橡胶制作。

[0037] 4.抗疲劳破坏部件 摆索抗疲劳安全是本控制装置能长期有效和安全的关键问题。摆索易疲劳破坏的部位为索的支撑端和索与质量块的上下端连接部位。由于装置在摆动和碰撞时索在上述部位产生往复弯折动力，索在长期往复动力作用下将产生疲劳断裂，因此本申请提出的抗疲劳构造是重要的关键技术。本装置采用压紧弹簧(构造详附图)，依靠弹簧的恢复反弹力承受弯折动力，降低索的弯折动力，保证索的抗弯折疲劳安全。 [0038] 5.支撑部件 主结构应对装置有效支撑且装置能自由摆动，避免摩擦和出现对单摆产生附加约束。本装置采用附图构造，可以实现装置的有效支撑，且满足索的抗弯折疲劳安全。

[0039] 6.防护和检修吊索 它是装置的附属构件，在主索失效后用以保护装置不至于脱落危害主结构，同时他也用作装置维修和主索更换。单根吊索承载能力应不小于1.5倍质量块重量。