專利名稱：減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及結構工程、結構振動控制領域，尤其是涉及一種減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置。
背景技術：
結構振動控制是近十多年來興起的結構抗震抗風新途徑。經過多年的不懈努力，結構振動控制在理論研究和工程應用兩方面均取得了較大的進展。具有里程碑意義的是，在大量理論工作的基礎上，國家自然科學基金委員會于1992年設立重點項目(批準號59238160)“建筑結構的抗震與抗風控制研究”，在兩塔(上海東方明珠電視塔和南京電視塔)一橋(江陰長江大橋)上進行結構控制系統的應用研究，這標志著我國的結構控制研究由理論研究為重點向應用研究為重點過渡。隨后幾年，我國學者在結構控制技術應用于工程的不斷實踐中，總結經驗和教訓，走出了適合我國國情的結構控制的應用道路。基礎隔震、耗能減振已逐漸進入應用和推廣階段，并納入國家標準《建筑抗震設計規范(GB50011-2001)》中。有較大量的基礎隔震建筑和耗能減振建筑在我國不同地區應用。從這些應用例子看，這些控制建筑的技術策略力求有效、簡單、經濟、便于實現，其經驗得以推廣。作為被動控制的調諧質量阻尼(TMD)振動控制裝置，其控制策略為應用子結構與被控結構主振型共振達到動力吸振的目的，并應用耗能阻尼材料或裝置消耗子結構的振動能量，在不斷吸收主結構振動能量和不斷消耗子結構振動能量中達到降低主結構響應的目的。上海東方明珠電視塔的結構控制應用研究子項目研究過程，在計算方法上和TMD控制裝置方案上進行了大量的研究，解決了各種應用中控制裝置實現的關鍵技術問題。南京電視塔項目和美國學者T.T.Soong合作進行了主被動ATMD混合控制裝置的研究。這些研究結果使我國結構控制研究向工程應用跨進了一大步，其成果為今后的應用研究奠定了一定的研究基礎。從研究項目看，這些研究出色地完成了國家自然科學基金重點項目所設定的研究內容，達到預期研究目標。但就項目中控制裝置實現問題卻有許多經驗和教訓值得吸取。首先，這些研究未能真正抓住電視塔結構的響應集中在桅桿部位的特點，結構控制策略為控制全塔的響應，而結構自下而上，存在多次剛度突變，桅桿部位的局部響應遠大于塔身響應，因此使控制難度增大，為達到一定的控制效果控制裝置過于龐大；其二，控制裝置安裝在塔樓中，控制作用在桅桿的根部，對桅桿結構響應控制效果很小；其三，控制裝置追求完美，使控制裝置過于復雜，技術要求太高，難于實現。主動AMD、被動TMD以及半主動及混合ATMD控制裝置在國內外已有較多研究，并在國外的超高層建筑上得到應用。如美國的漢考克大廈安裝上兩套TMD裝置，控制結構第二和第四振型響應，解決了風振作用下建筑玻璃幕墻脫落的工程問題；日本的Dowa Kasai Phoenix Tower上安裝兩套兩方向主被動ATMD結構控制裝置，被動控制TMD采用橡膠支座作為支撐和彈簧阻尼系統、主動控制AMD采用液壓傳動作為的施力機構；日本的HerbisOsaka Tower利用屋頂消防水箱作為AMD的慣性質量，將消防水箱懸吊，用電機螺桿作為驅動裝置，并用軟連接解決水管的連接問題；日本的ソんラケ-トタヮ-北棟采用了折疊式懸吊質量TMD結構控制裝置，解決了結構周期較長，層高受限的問題；加拿大多倫多電視塔在塔樓上也安裝上了TMD結構控制裝置。目前在國內外，TMD或AMD結構控制裝置已在幾十幢建筑結構上應用，但還遠談不上普及應用，國內的應用就更少。對TMD或AMD的研究已有許多研究成果，但均局限于優化和算法上的研究，控制裝置的應用技術研究及相對應的控制結果的定量分析仍然不足、控制裝置的有效性、安全性和可靠性監測研究則更少有報道。控制裝置能夠在結構中普及應用還需做許多工作。控制裝置的“有效、簡單、經濟、可靠”，是結構控制技術得以應用和推廣的重要技術措施。
發明內容
本發明的目的，就是提供一種減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置，其能做到有效、簡單、經濟、可靠。
為實現上述目的，本發明的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，包括一端懸掛在結構上、另一端懸吊有質量塊的鋼絲擺索，其特征是所述的懸掛結構中裝有抗疲勞破壞裝置，其結構為擺索穿過圓柱形壓縮彈簧和其兩端的開孔墊板后以緊固件夾緊。
在上述基礎上，本發明還有各種形式所述的質量塊為穿孔鋼球或鑄鋁鋼球，擺索穿過其間，質量塊上端或下端過是上、下端都裝有抗疲勞破壞裝置。
所述的質量塊的外圍裝有阻尼比大于5％的阻尼耗能部件橡膠圈。
所述的質量塊對桅桿結構而言，多個控制裝置的質量塊質量總和大于桅桿振型廣義質量的1％。
在結構與質量塊之間拉有至少一條的防護和檢修吊索。
本發明的有益效果(1)提出結構控制裝置的彈性懸吊支撐構造，使支撐部件所占用的空間小，保證懸吊質量有較好的擺動能力；(2)解決結構控制裝置線性吸能和非線性耗能的構造措施，保證裝置運行的有效性和持久性；(3)提出結構控制裝置的疲勞受力構件抗疲勞構造措施，解決構件的應力集中問題，防止構件應力集中部位的疲勞破壞；(4)控制裝置“有效、簡單、經濟、可靠”，是本發明的一個特色，也是長期研究的經驗和教訓的總結，符合工程實際需要，滿足工程行業技術條件，切實解決了工程問題。
(5)本發明的控制裝置尤其是針對電視塔結構的特點，首次提出將結構控制裝置安裝在桅桿筒內，直接針對桅桿結構振動進行減振控制，使控制效果得到極大地提高，避免以往研究將控制裝置安裝在塔樓中造成的結構控制裝置過于龐大、機構過于復雜及控制效果難于提高的弊病。
圖1為本發明實施例的結構示意圖。
圖2為擺索結構示意圖。
圖3為深圳市梧桐山電視發射塔塔體結構示意圖。
圖4為實施例應用于深圳市梧桐山電視發射塔桅桿結構安裝標高示意圖。
圖中1擺索，2質量塊，3抗疲勞破壞裝置，31圓柱形壓縮彈簧，32開孔墊板，33緊固件，4橡膠圈，5防護和檢修吊索，6結構。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳述。
如圖1圖2所示，本發明的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，包括一端懸掛在結構6上、另一端懸吊有質量塊2的鋼絲擺索1，擺索1一般為鋼絲索，其支撐到質量質心間長度可調，用以控制和調整裝置的自振周期，使其與結構控制振型相吻合；質量塊2可為穿孔鋼球或鑄鋁鋼球，擺索1穿過其孔，質量塊的大小對控制效果有直接影響，一般多個控制裝置質量總和大于桅桿振型廣義質量的1％，就可以達到較好的控制效果(1％時控制效果約為40％)；懸掛結構中裝有抗疲勞破壞裝置3，其結構為擺索1穿過圓柱形壓縮彈簧31和其兩端的開孔墊板32后以緊固件33夾緊；在質量塊2的上、下端的擺索上都裝有抗疲勞破壞裝置3；質量塊的外圍固定裝有阻尼比大于5％的碰撞阻尼耗能部件橡膠圈4，裝置在與結構共振中不斷吸收結構振動能量，裝置振動不斷放大，最終通過碰撞消耗裝置振動能量，使裝置振幅迅速降低，裝置回到初始狀態，為下一步吸收振動能量提供空間，采用高阻尼(阻尼比大于5％)橡膠制作；在結構6與質量塊之間拉有防護和檢修吊索5，它是裝置的附屬構件，在主索失效后用以保護裝置不至于脫落危害主結構，同時也用作裝置維修和主索更換。單根吊索承載能力應不小于1.5倍質量塊重量。
擺索1抗疲勞安全是本控制裝置能長期有效和安全的關鍵問題。擺索易疲勞破壞的部位為索的支撐端和索與質量塊的上下端連接部位。由于裝置在擺動和碰撞時索在上述部位產生往復彎折動力，擺索在長期往復動力作用下將產生疲勞斷裂，因此本申請提出的抗疲勞構造是重要的關鍵技術。本裝置采用壓緊彈簧，依靠彈簧的恢復反彈力承受彎折動力，降低索的彎折動力，保證索的抗彎折疲勞安全。
圖3為實施例應用于深圳市梧桐山電視塔桅桿結構示意圖。
深圳市梧桐山電視發射塔總高度198.000米，由于建筑于梧桐山上，塔的±0.000米標高相當于海拔高程649.600米，為高山塔桅結構。電視發射塔結構分為塔身、桅桿結構兩段。桅桿總長為120.500米，與目前國內電視塔比為最長。結構豎向分別在標高80.500、97.000、146.900、163.700、175.300、188.000處存在6次剛度突變，結構響應較集中在桅桿頂部，桅桿響應較大，多個振型參與結構風振響應，結構風敏感性較強。深圳市位于南中國海岸線上，常年遭受臺風襲擊，設計風荷載標準值的基本風壓在重現期50年和100年時分別為0.75KN/m2、0.90KN/m2，風荷載引起結構響應超限不可避免。
深圳市梧桐山電視發射塔的設計單位對該結構進行了較為細致的計算分析和設計。設計結果對結構整體安全性有保障。但設計桅桿結構頂點最大位移為2.7351米(風荷載重現期50年)和3.2325米(風荷載重現期100年)，超出國家標準《高聳結構設計規范(GBJ135-90)》第2.0.8條規定較多(分別超出31.5％和55.4％)。減少結構頂點位移響應的方法有兩種，一種是增大桅桿的結構斷面，提高結構剛度；一種是增加結構阻尼，提高結構的振動耗能能力。第一種方法是較常規的做法，在一般結構中能夠做到。但在本工程中，由于使用功能要求，桅桿結構斷面受到限制，桅桿總長度要符合廣播和電視播出頻道的總體要求，并且頂端十米長桅桿已由德國購進，因此增大結構斷面，提高桅桿結構剛度已沒有余地。本工程由于采用鋼結構，結構阻尼比為1.00％~3.00％，結構阻尼比較小，意味著結構消耗振動的能力小，結構振動衰減較慢，這是導致桅桿結構振動較大的一個重要原因。因此提高結構的阻尼，增強結構的振動耗能能力，是降低本工程結構振動的有效、經濟的方法。
本項目采用調諧質量阻尼結構控制策略，即線性吸振、非線性耗能的結構控制策略。控制裝置不斷吸收和消耗桅桿結構的振動能量，達到提高桅桿結構消耗振動能量的能力，最終達到提高結構阻尼的目的。控制裝置安裝在桅桿筒內，不影響桅桿的使用功能，所采用的裝置簡單、有效，所提出的技術要求較低，便于應用和普及。根據計算分析結果，重點控制結構的第一、第二振型的結構響應。控制上述兩個振型響應分別采用4組、3組控制裝置(詳見圖3)。計算分析表明，控制結果可降低桅桿動態響應位移67.9％。
電視塔作為城市的重要標志，體現城市建筑風貌。同時他又承擔著城市區域廣播電視接收、發射和通訊任務，是生命線工程，其結構安全承載著重要的社會影響和公眾安全責任。隨著廣播電視以及通訊向數字化方向發展，對電視塔將提出更高的要求。桅桿將較原來設計更長，桅桿擺幅限制更加嚴格。電視塔已在我國大型城市蓬勃興建，不遠的將來，隨著廣播電視事業的發展，中小城市新建電視塔已成為必然，部分大中城市電視塔也將按著更高的技術要求對原塔進行改造和重建。因此本專利項目將有重要的社會意義和應用前景。
作為電視塔的高聳結構，結構一般由塔身、桅桿組成，從塔身到桅桿，結構進行了多次材料和截面變換，結構存在多次剛度突變，結構響應較集中在桅桿頂部。結構的第一自振周期較長，多個振型參與結構的風振響應，屬風敏感結構。同時結構的橫風向振動不能忽視，需考慮結構順風向和橫風向響應的耦合作用。根據國家標準《高聳結構設計規范(GBJ135-90)》第2.0.8條規定“在風荷載(標準值)作用下，高聳結構任意點的水平位移不得大于該點離地高度的1/100。對桅桿結構，注意層間的相對水平位移，尚不得大于該層間高度的1/100。”這對電視塔及桅桿結構風振響應的控制要求較嚴格。桅桿位移超限會對結構安全和使用功能造成如下隱患(1)桅桿結構在風荷載作用下長期較大幅度的振動，易造成結構疲勞破壞；(2)桅桿結構振動幅度超限，易使桅桿結構局部失穩破壞；(3)因天線擺動造成發射信號衰減，影響廣播電視信號的發射效果；(4)對系統技術性能提高造成構造瓶頸。目前由于數字電視傳送的要求，電視塔桅桿搭載的頻道數越來越多，要求新建電視塔桅桿較以往更長，同時桅桿截面受到廣播電視發射視野和覆蓋面的限制不能過大，桅桿頂點位移超限問題越加突出，這樣對桅桿結構風振響應的控制就顯得越加必要。
本項目采用調諧質量阻尼結構控制策略，即線性吸振、非線性耗能的結構控制策略。控制裝置不斷吸收和消耗桅桿結構的振動能量，達到提高桅桿結構消耗振動能量的能力，最終達到提高結構阻尼的目的。控制裝置安裝在桅桿筒內，不影響桅桿的使用功能，所采用的裝置簡單、有效，所提出的技術要求較低，便于應用和普及。
另外，針對工程的行業技術特點，本項目采用在桅桿內筒設置質量單擺形成子結構，應用共振原理，當桅桿結構在風荷載作用下發生振動時，質量單擺子結構受桅桿振動而激發共振，吸收桅桿的振動能量，同時依靠質量單擺與桅桿內吸能材料的碰撞，消耗子結構的振動能量。裝置對結構的作用結果是增加了桅桿結構的阻尼，使桅桿結構的振動快速衰減，達到減小桅桿結構振動、降低天線擺動造成信號衰減的目的。裝置設計的關鍵技術是確定子結構的共振參數和確定子結構的耗能參數。本項目提出的控制裝置控制效果好，裝置技術要求低，占用空間小，對桅桿轉播功能無影響。根據計算分析結果，桅桿內可以設置多個控制裝置，重點控制結構的第一、第二振型的結構響應。裝置的技術組成為1.質量塊 質量塊可以是實心鋼球或鑄鉛鋼球。其質量的大小對控制效果有直接影響，一般多個控制裝置質量總和大于桅桿振型廣義質量的1％，就可以達到較好的控制效果(1％時控制效果約為40％)。
2.擺索 擺索一般為鋼絲索，其支撐到質量質心間長度可調，用以控制和調整裝置的自振周期，使其與結構控制振型相吻合。
3.阻尼耗能部件 裝置在與結構共振中不斷吸收結構振動能量，裝置振動不斷放大，最終通過碰撞消耗裝置振動能量，使裝置振幅迅速降低，裝置回到初始狀態，為下一步吸收振動能量提供空間。裝置碰撞耗能部件為阻尼橡膠耗能圈(構造詳附圖)，采用高阻尼(阻尼比大于5％)橡膠制作。
4.抗疲勞破壞部件 擺索抗疲勞安全是本控制裝置能長期有效和安全的關鍵問題。擺索易疲勞破壞的部位為索的支撐端和索與質量塊的上下端連接部位。由于裝置在擺動和碰撞時索在上述部位產生往復彎折動力，索在長期往復動力作用下將產生疲勞斷裂，因此本申請提出的抗疲勞構造是重要的關鍵技術。本裝置采用壓緊彈簧(構造詳附圖)，依靠彈簧的恢復反彈力承受彎折動力，降低索的彎折動力，保證索的抗彎折疲勞安全。
5.支撐部件 主結構應對裝置有效支撐且裝置能自由擺動，避免摩擦和出現對單擺產生附加約束。本裝置采用附圖構造，可以實現裝置的有效支撐，且滿足索的抗彎折疲勞安全。
6.防護和檢修吊索 它是裝置的附屬構件，在主索失效后用以保護裝置不至于脫落危害主結構，同時他也用作裝置維修和主索更換。單根吊索承載能力應不小于1.5倍質量塊重量。
權利要求
1.減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，包括一端懸掛在結構上、另一端懸吊有質量塊(2)的鋼絲擺索(1)，其特征是所述的懸掛結構中裝有抗疲勞破壞裝置(3)，其結構為擺索(1)穿過圓柱形壓縮彈簧(31)(31)和其兩端的開孔墊板(32)后以緊固件(33)夾緊。
2.根據權利要求1所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是所述的質量塊(2)為穿孔的鋼球或鑄鋁鋼球，擺索(1)穿過其孔，質量塊(2)上端裝有抗疲勞破壞裝置(3)。
3.根據權利要求1所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是所述的質量塊(2)為穿孔的鋼球或鑄鋁鋼球，擺索(1)穿過其孔，質量塊(2)下端裝有抗疲勞破壞裝置(3)。
4.根據權利要求1所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是所述的質量塊(2)為穿孔的鋼球或鑄鋁鋼球，擺索(1)穿過其孔，質量塊(2)上、下端都裝有抗疲勞破壞裝置(3)。
5.根據權利要求1至4所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是所述的質量塊(2)的外圍裝有阻尼耗能部件橡膠圈(4)。
6.根據權利要求5所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是所述的阻尼耗能部件橡膠圈(4)的阻尼比大于5％。
7.根據權利要求1所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是對桅桿結構(6)而言，多個控制裝置的質量塊(2)質量總和大于桅桿型廣義質量的1％。
8.根據權利要求1所述的減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置簡稱控制裝置，其特征是在結構(6)與質量塊(2)之間拉有至少一條的防護和檢修吊索(5)。
全文摘要
一種減小高塔結構風振響應的動力吸振和耗能裝置，包括一端懸掛在結構6上、另一端懸吊有質量塊2的鋼絲擺索1，質量塊2可為穿孔鋼球或鑄鋁鋼球，擺索1穿過其孔；懸掛結構中裝有抗疲勞破壞裝置3，其結構為擺索1穿過圓柱形壓縮彈簧31和其兩端的開孔墊板32后以緊固件33夾緊；在質量塊2的上、下端的擺索上都裝有抗疲勞破壞裝置3；質量塊的外圍固定裝有阻尼比大于5％的碰撞阻尼耗能部件橡膠圈4，在結構6與質量塊之間拉有防護和檢修吊索5。本發明的控制裝置有效、簡單、經濟、可靠，首次提出將結構控制裝置安裝在桅桿筒內，直接針對桅桿結構振動進行減振控制，使控制效果得到極大地提高，避免以往研究將控制裝置安裝在塔樓中造成的結構控制裝置過于龐大、機構過于復雜及控制效果難于提高的弊病。
文檔編號E04H12/00GK1840794SQ20051010235
公開日2006年10月4日 申請日期2005年12月13日 優先權日2005年12月13日
發明者滕軍, 劉紅軍, 劉文光 申請人:滕軍