摆式质量阻尼器的制作方法

摆式质量阻尼器
1.本发明涉及一种用于对高层建筑、塔架或类似柔性结构的振荡进行阻尼的经调谐的摆式质量阻尼器。特别地，该摆式质量阻尼器针对需要低频调谐质量阻尼器(tmd)来减少例如风或地震引起的结构移位响应的应用。


背景技术：

2.高层建筑和其他结构在一定程度上会移动。在地震事件或强风期间，最高的建筑物在每一侧可以摇动最多达近一米。任何引起振动的移动幅度都可能使得结构过载和/或使建筑物居住者产生严重不适、空晕病、恶心或者甚至受到惊吓。因此，侧向偏转(也称为摇动或侧移)、振动和建筑加速度是结构工程师在设计高层结构时仔细评估的重要标准。此外，它可能与阻尼高烟囱和风力涡轮机塔架的振动有关，其中由于涡旋脱落，待被阻尼的大振动发生在较低风速下。
3.有若干方法可以减少结构的摇动和振动，以避免过载并达到人类可接受的舒适度。首先，可以通过提供较大的尺寸或厚度来加强竖向元件诸如柱和墙。另一可能性是通过使用调谐质量阻尼器或tmd来“调谐建筑物”。调谐质量阻尼器(tmd)，也称为“谐波吸收器”，是一种安装至结构中特定位置的装置，以便在诸如地震或强风袭来等强烈侧向力时将振动幅度降低到可接受的水平。
4.土木结构像高层建筑或者工业应用诸如风力涡轮机现在通常高度超过100m，并且由于此类结构的固有频率随高度增加而降低，所以往往较需要能够处理低频率的调谐质量阻尼器。
5.tmd可以被包括在建筑物的初始构思设计中，以减少竖向或水平元件的大小，或者也可以在确定振动和加速度问题时作为对现有结构的改造。
6.安装tmd时的一些主要考虑因素是tmd的位置以及所选位置对空间分配的影响。
7.常规的简单重力摆具有固有频率并且因此，除了重力加速度之外，影响运动的唯一参数是摆长度l，并且目标频率越低，所需的摆长度就越长。每当摆被用作调谐质量阻尼器时，这代表严重的限制。实际上，在通常表征了细长结构诸如高层建筑和风力涡轮机塔架的固有频率的频带内，用作调谐质量阻尼器的摆的所需长度l可以大于典型的楼层高度。
8.著名的摆式调谐质量阻尼器是为台北101建造的摆式调谐质量阻尼器，该阻尼器包括重约730吨并耗资约400万美元的球形调谐质量阻尼器，球形质量件(mass：质量、质量体)悬挂在金属框架内的线缆中，允许质量件在各个方向上摆动，但是，tmd从第87伸展到第91层，即大约15米的高度。
9.us 2017/0328058公开了一种用于对振动敏感系统诸如高层建筑和塔架中的不期望振动，特别是对风力涡轮机中的不期望振动进行阻尼的摆式阻尼器。根据该文献的摆式阻尼器包括：从线缆等中的顶点悬挂的阻尼器质量件；以及被安装成与阻尼器质量件相连
接的弹簧装置。弹簧装置被安装成使得该弹簧装置的总弹簧力基本上作用在竖向方向上，允许调整阻尼器频率而不改变摆。


技术实现要素：

10.本发明涉及一种调谐质量阻尼器，更特别地涉及一种能够对以低频率水平振动的各种结构系统的动态响应进行阻尼的摆式调谐质量阻尼器。
11.本发明的目的是提供一种紧凑、免维护和通用的经调谐的摆式质量阻尼器。
12.本发明的另一目的是为结构的使用者获得可接受的适用性或舒适性，而且本发明将有效地获得可接受的安全水平，避免超出结构的极限状态和疲劳极限状态。
13.本发明可以特别地涉及一种悬挂式倒置摆式质量阻尼器。
14.根据本发明的一个方面，本发明涉及一种用于对结构的摆动进行阻尼的摆式质量阻尼器，包括由第一弹簧系统(2a、2b、2c)平衡并由承载部分(4)支撑以保持竖向位置的质量件(1)，在竖向方向上承载质量件(1)的承载部分(4)在质量件(1)和质量件(1)下方的位置(c)之间延伸，即质量件(1)的重量从质量件(1)下方的一点或水平受到承载或支撑，或者在该点或水平处受到承载或支撑，其中，质量件(1)在质量件下方的位置(c)处被固定到和/或连接到单元(5)，该单元构成质量件(1)的支撑系统的基部，单元(5)是浮动的，即单元(5)可以在水平方向上移动或者在水平方向和竖向方向两者上移动。
15.当摆式质量阻尼器的下端部可以水平移动时，摆会变得更加稳定，同时仍然以低频率工作。原则上，倒置摆的有效长度被延伸，意味着旋转点位于阻尼器应用下方的假想点。当寻求摆质量件的固定水平移位时，摆长度的增加使得摆的旋转角度减小。旋转角度的减小将改进低频阻尼器应用的稳定性能和有效振动质量件。由于上端部和下端部弹簧系统的不同，质量阻尼器将在每个水平方向上具有两种振动模式。第一模式是此应用的主要目标。然而，可以选择弹簧配置以调谐第一和第二模式两者。这有可能被利用于仅使用一种阻尼器配置来阻尼两种不同的结构模式。
16.根据本发明的任何实施方式，单元(5)可以由浮动部分诸如板状或其他合适形状的浮动部分构成，例如由柔性部分诸如第二弹簧系统(8)平衡。
17.根据本发明的任何实施方式，承载部分(4)可以包括从悬置框架(7)延伸到位置(c)的中央承载部分(4)。
18.根据本发明的任何实施方式，第一弹簧系统(2a、2b、2c)在水平方向上平衡质量件(1)并且被定位在该质量件(1)的上方、下方或在与该质量件大致相同的竖向水平处。
19.根据本发明的任何实施方式，第一弹簧系统(2a、2b、2c)在水平方向上平衡质量件(1)并且附接在或固定在中心轴线处。根据该实施方式，第一弹簧系统(2a、2b、2c)可以被附接处于质量件(1)的竖向水平或被固定处于该质量件的竖向水平上方，距质量件顶部的距离小于从中心点(c)到弹簧的紧固点或紧固水平(f)测量的摆总长度的20％，例如小于该摆总长度的10％或例如小于该摆总长度的5％。
20.当弹簧系统附接到质量件上方的中心轴线——或在中心轴线附近——而不是附接到质量件的周界时，阻尼系统可以做得较紧凑，这是优势，因为完整的阻尼系统在水平方向上占用的空间较少。业界一直存在反对在构建倒置摆时将弹簧系统放置在质量件上方的偏见，这可能是因为有必要将中心轴线延伸到质量件上方，从而增加摆的长度，然而，当第
一弹簧系统固定或附接至质量件上方的中心轴线时，优选地在质量件附近时，系统变得既稳定又相对紧凑。
21.一般而言，并且与质量件1是由浮动单元5支撑还是由相对于框架6或结构定置的接合部支撑无关，第一弹簧系统2a、2b、2c可以有利地固定在质量件1上方通过质量件1的中心线处的点或在该中心线附近的点。根据这种方案，第二弹簧系统可以固定在质量件下方通过质量件1的中心线处的点或在该中心线附近的点。
22.根据本发明的任何实施方式，第一弹簧系统(2a、2b、2c)可以包括至少3个弹簧或至少在三个方向上平衡质量件。
23.根据本发明的任何实施方式，承载部分(4)可以包括中央承载部分(4)，中央承载部分呈从悬置框架(7)延伸至位置(c)的一根或更多根线缆等的形式，或者中央承载部分呈从质量件(1)延伸到位置(c)的刚性梁的形式，该刚性梁例如由钢或类似的刚性材料制成。
24.根据本发明的任何实施方式，承载部分(4)还可以包括支撑部分(3)，该支撑部分例如呈从质量件(1)延伸到单元(5)的一个或更多个刚性梁或类似部分的形式，该单元位于质量件(1)下方，支撑部分可以搁置在单元(5)上。
25.根据本发明的任何实施方式，单元(5)包括允许支撑部分(3)或承载部分(4)相对于单元(5)枢转的接合部。根据这样的实施方式，接合部可以具有1、2或3个自由度，即接合部可以允许质量件(1)相对于单元(5)在一个、两个或两个以上的方向上枢转。
26.根据第二方面，本发明还涉及包括如上所述的经调谐的摆式质量阻尼器的结构。
27.根据本发明第二方面的任何实施方式，该结构是建筑物、风力涡轮机塔架、烟囱或者其他塔架或类似的柔性结构。
28.根据本发明第二方面的任何实施方式，该结构可以高于10m或高于50m，优选地高于100m并且有时高于300m。
29.根据本发明第二方面的任何实施方式，摆式质量阻尼器可以放置在结构的上部20％内，通常在结构的上部10％内。有时摆式质量阻尼器将被放置在其他高度处。
30.根据本发明第二方面的任何实施方式，该结构可以是建筑物、风力涡轮机塔架、烟囱或者其他塔架或结构，该其他塔架或结构例如具有超过9m的高度。
附图说明
31.图1公开了根据本发明的经调谐的摆式质量阻尼器的第一实施方式。
32.图2以侧视图公开了第一实施方式。
33.图3公开了从上方看到的第一实施方式。
34.图4公开了根据本发明的经调谐的摆式质量阻尼器的第二实施方式。
35.图5以侧视图公开了第二实施方式。
36.图6公开了从上方看到的第二实施方式。
37.在整个申请中，不同实施方式的相同或相似元件被赋予相同的附图标记。
38.词的定义
39.一般而言——当该表述被用于涉及特征时，该特征可以用于本发明的任何实施方式，即使具体提及的内容出现在说明书的细节部分中。
具体实施方式
40.本发明涉及一种经调谐的摆式质量阻尼器，诸如可以悬挂的倒置摆式质量阻尼器。摆式质量阻尼器的特征在于质量件在球形面内移动，该球体或球形面由中心点c限定。
41.根据本发明的倒置摆的固有频率不像普通摆的固有频率那样由摆的长度决定，替代地固有频率受到使质量件的水平位置稳定的弹簧系统的影响。这使得可以降低调谐质量阻尼器的高度，以使质量阻尼器显著地更紧凑，同时调谐质量阻尼器仍然可以补偿低频率的振动。
42.根据本发明的摆式质量阻尼器通常应安装在建筑物的顶部以发挥最佳性能，并且由于根据本发明的摆式质量阻尼器需要最小的竖向空间来安装，因此与传统摆式质量阻尼器所安装的建筑物顶层相比，顶层可能有更多的空间可用。与传统的重力摆相反，实现目标固有频率不一定涉及改变质量阻尼器的高度。替代地，它可以通过调整阻尼器质量件和弹簧刚度来获得。因此，摆尺寸可以维持不变。
43.图1-图3例示了本发明的第一实施方式，其中摆的质量件是悬挂的，并且图4-图6例示了本发明的第二实施方式，其中摆的质量件由刚性梁支撑。
44.摆式质量阻尼器是悬挂的，这意味着阻尼器质量件的重量由线缆或类似结构承载，该线缆或类似结构从中心点c上方的水平或点向下延伸到中心点c，即将质量件保持在其竖向位置处的力是张力或拉力。
45.根据本发明的倒置摆式质量阻尼器可以由简单的机械部件和螺栓连接件构成，在安装位置处的装置使用寿命期间仅需要最少的维护。
46.图1-图3示出了根据本发明的摆式质量阻尼器的第一实施方式，其中，图1示出了第一实施方式的上侧视图，图2示出了该实施方式的侧视图，以及图3示出了该实施方式的俯视图。摆式质量阻尼器包括阻尼器质量件1，该阻尼器质量件由第一弹簧系统在水平方向上进行平衡，该第一弹簧系统包括三个弹簧2a、2b、2c或更多个弹簧。如图1所示的阻尼器质量件是柱形的，并且由一系列中心钻孔的较小柱形质量件构成，该柱形质量件被安装并堆积在竖向管上。然而，阻尼器质量件1可以具有任何形状和重量，该形状例如为柱形或球形或不同的形状，因为质量件的形状和重量适于期望在其中对振动进行阻尼的结构。
47.第一弹簧系统通常由位于质量件1上方、下方或相同水平处的一个或更多个弹簧构成，第一弹簧系统的弹簧提供平衡质量件的水平力，并且有利地弹簧被安装成在质量件1附近。弹簧安装成在质量件1“附近”意味着质量件1的顶部与弹簧的紧固点或紧固水平之间的长度与从中心点c到弹簧的紧固点或紧固水平测量的摆总长度的偏差小于20％，例如小于10％或例如小于5％。弹簧的紧固点或紧固水平通常将定位在摆的顶部处。
48.一般而言，弹簧系统可以包括任何数量的弹簧，例如弹簧系统可以包括：至少两个弹簧，例如彼此相对定位，即弹簧之间的距离为180
°
；或者至少三个弹簧，即每对弹簧之间的距离为120
°
；或至少四个弹簧，即每对弹簧之间的距离为至少90
°
。此外，弹簧被示出为盘绕弹簧或螺旋弹簧，但一般而言，弹簧系统的弹簧可以是任何类型的压缩弹簧或张力弹簧。包括第一弹簧系统2a、2b、2c和第二弹簧系统8的完整弹簧系统旨在为系统提供合适的刚度，从而提供合适的固有频率。取决于弹簧系统配置，经调谐的摆式质量阻尼器可以是对称的也可以不是对称的，这意味着悬挂式倒置摆频率对于任何移动方向可以是相同的，或者可以以期望的方式变化。这允许摆式质量阻尼器在任何运动方向上都能在二维空间中发挥
水平作用。
49.此外，弹簧被示出为被定位在水平方向上，但一般而言，第一弹簧系统的弹簧可被定位处于倾斜位置，即代替在水平方向上提供力，第一弹簧的每个弹簧或部分弹簧可以在水平和竖向两个方向上提供力。
50.一般而言，第一弹簧系统可以包括至少三个弹簧或者至少在三个方向上连接到弹簧，该三个方向例如绕质量件对称分布。如果第一弹簧系统包括n个弹簧，其中n＝3*n，n是正整数，则该系统可以在所有方向上提供对称的刚度。
51.如果第一弹簧系统包括四个弹簧或在四个方向上是平衡的，则系统将是稳定的，但刚度将是不对称的。
52.图1-图3中的摆式质量阻尼器安装在外部框架6中，框架6附接至受到振动的结构诸如高层建筑或塔架或者该框架作为该受到振动的结构的一部分，即框架6不移动而是相对于结构是定置的，如果不存在阻尼器，该振动将使得结构摆动。摆式质量阻尼器还包括一个或更多个支撑部分3，该支撑部分有助于使质量件1维持处于竖向位置，支撑部分3被附接到或固定到质量件1并在质量件1和单元5之间延伸，该单元包括为球体中心的中心点c，该球体构成了质量件1在其中移动的球形面。单元5位于质量件1下方，即质量件1的重量被支撑在质量件1下方的点/水平处，并且单元5可以理解为构成质量件1的支撑系统的基部。
53.一般而言，单元5可以由框架6的一部分构成，或者可替代地，单元5可以由通过柔性部分例如第二弹簧系统附接到框架6的单独浮动部分构成，诸如板或其他合适的形状。中心点c与单元5一起移动，改变了质量件1在其中移动的球形面。
54.根据第一实施方式，单元5是通过第二弹簧系统8附接到框架6的浮动部分，该第二弹簧系统8包括绕单元5分布的弹簧。第二弹簧系统中的弹簧数量可以根据状况变化。
55.一般而言，根据本发明的摆式质量阻尼器还可以包括承载质量件1并连接到中心点c的中央承载部分4。这样的中央承载部分4可以由例如一根或更多根线缆等构成，或者可以由刚性梁构成。中心承载部分4可以包括在质量件1和中心点c之间形成连接的支撑部分3，在没有这样的支撑部分3的情况下中心承载部分可以包括从质量件1延伸到单元5的一个或更多个刚性梁或类似部分。
56.第一实施方式的承载部分4由一个或更多个根线缆或类似的悬挂装置构成，该悬挂装置在悬置框架7和单元5之间延伸。根据图1-图3的实施方式，悬置框架7包括在中心点或居中定位的板与框架6之间延伸的三个梁，以及承载部分4包括从中心点或板延伸到单元5的线缆。
57.一般而言，单元5可以包括具有1、2或3个自由度的接合部，即接合部可以允许质量件1和支撑部件3相对于单元5枢转。单元5和承载部分4不枢转，因为第二弹簧系统将努力维持单元5的水平和竖向位置恒定，而质量件1和支撑部分3至少在一个方向上来回枢转，可能是在两个方向来回枢转，也可能是三个或更多个方向上来回枢转。
58.图4-图6示出了根据本发明的摆式质量阻尼器的第二实施方式，其中，图4示出了第二实施方式的上侧视图，图5示出了第二实施方式的侧视图，以及图6示出了第二实施方式的俯视图。摆式质量阻尼器包括阻尼器质量件1，该阻尼器质量件由第一弹簧系统在水平方向上进行平衡，该第一弹簧系统包括三个弹簧2a、2b、2c。如图4-图6所示的阻尼器质量件是柱形的，并且由一系列中心钻孔的较小柱形质量件构成，该柱形质量件被安装并堆积在
竖向管上。一般而言，阻尼器质量件1可以具有任何形状和重量，该形状例如为柱形或球形或不同的形状，因为质量件的形状和重量适于期望在其中对振动进行阻尼的结构。
59.图4-图6中的摆式质量阻尼器安装在外部框架6中，框架6附接至受到振动的结构诸如高层建筑或塔架或者该框架作为该受到振动的结构一部分，即框架相对于结构是定置的，如果不存在阻尼器，该振动将使得结构摆动。摆式质量阻尼器包括附接到或固定到质量件1并且在质量件1和单元5之间延伸的中央承载部分4，该单元包括为球体中心的中心点c，该球体构成了质量件1在其中移动的球形面。单元5位于质量件1下方，即质量件1的重量被支撑在质量件1下方的点/水平处，并且单元5可以理解为构成质量件1的支撑系统的基部。第二实施方式的单元5可以包括球窝接合部，然后承载部分4可以包括由该接合部支撑的球状端部部分。一般而言，单元5可以包括允许在所有方向上移动的任何接合部。
60.单元5可以包括下表面，该下表面设置有轮子或者适于在结构的接触表面上或固定到结构的框架的接触表面上滑动其他装置，并且单元5可以通过第二弹簧系统8附接到结构的框架6，如结合第一实施方式所述。第二弹簧系统8的刚度配置对于根据该实施方式的阻尼器的性能是重要的。可以按照与第一弹簧系统的弹簧相同的方式改变弹簧的数量和刚度。
61.一般而言，单元5可以包括具有1、2或3个自由度的接合部，即接合部可以允许质量件1和支撑部件3相对于单元5枢转。
62.由于系统的固有频率不仅取决于系统的长度，还取决于各种不同的参数，摆式质量阻尼器变得通用，并且可用于对各种细长结构诸如具有固有频率在[0.05；0.3]hz范围内(相当于传统摆的线长度在[99；2.8]m范围内)的高层建筑和风力涡轮机塔架的动态响应进行阻尼。该频带仅代表阻尼器适用的频率的子组，并且可以根据应用目的调节该频率。
[0063]
根据本发明所基于的理论模型，根据本发明的摆式质量阻尼器原则上能够作用于无限小的频率。
[0064]
例如，当风引起的振动达到倒置摆的固有频率时，质量件1开始绕放置在支撑系统基部处的单元5的中心c摆动。质量件将绕点c或者甚至绕更下方进行枢转。
[0065]
附图标记附图标记名称1质量件2a、2b、2c弹簧系统3支撑质量件的支撑部分4承载质量件的中央承载部分5位于承载部分4下方的单元6用于质量阻尼器的外部框架7用于承载部分4的悬置框架8限定单元5水平位置的第二弹簧系统c限定球形面中心的点，摆的质量件在该球形面中移动f第一弹簧系统被紧固到中心轴线所处的点或水平