[发明专利]高频调谐质量减振器

说明书

技术领域

本发明属于土木工程结构减振技术领域，具体涉及一种用于控制建筑结构高频振动的调谐质量减振器。 

背景技术

随着城市建设的发展，各种高层、超高层建筑和细高结构、大跨度建筑物日益增多,在防治这类大跨度、低频结构物发生破坏性共振成为工程建设中不得不着手解决的现实问题，实践证明，调谐质量减振器（也有文献中称质量调谐阻尼器，或称质量调谐减振器，本文中也简称TMD）是一种有效的振动控制装置，将它的固有频率调整到接近结构的自振频率，然后安装在结构上。当结构受到激振力干扰发生振动时，引起质量调谐减振器的共振，利用调谐质量的振动惯性力反作用于结构本身，从而抵消激振力，达到减小结构反应的目的。要想最大限度发挥质量调谐减振器的减振作用，要求其固有频率要尽可能与主结构的自振频率一致，否则TMD的减振效果就会大幅下降。例如专利号为200410087664.2的中国专利公开了这样一种定向垂直可调式调谐质量减振器，可以用于控制过街天桥或港口栈桥等建筑结构在人行激励作用下引发的共振。 

这样结构的TMD适合15Hz以下的应用场合，当应用于高频场合时（15Hz及以上）会遇到困难。原因在于，由于橡胶等弹性材料的刚度是非线性的，因此现有高品质质量调谐减振器产品中大多采用钢弹簧作为弹性元件。根据理论力学常识，此类调谐质量减振器的固有频率与全部弹簧的总刚度及全部弹簧的在质量块重力作用下的整体静变形的关系如公式（1）及公式（2）所示： 

其中：f是频率，单位是Hz；k是全部弹簧的总刚度；m是质量；π是圆周率；g是重力加速度；δ是全部弹簧的整体静变形，单位是mm。 

由固有频率的计算公式（1）可以知道，现有的此类调谐质量减振器可以对2Hz左右的人行激励等低频振动提供良好的控制，拓展后大致可以适用于10Hz左右的结构振动的减振，但是却很难适用诸如15Hz以上的高频结构振动。这是因为，由计算公式（1）可知，假设在质量m相同的条件下，调谐质量减振器的固有频率为3Hz时所需全部弹簧的总刚度为K，则固有频率为15Hz时所需全部弹簧的总刚度为25K，全部弹簧的总刚度需提高25倍，如果直接利用大刚度的弹簧，则生产成本大大提高，如果利用大量低刚度弹簧并联，则产品平面尺寸很大，同时需要较大的平面空间摆放布置，适用性较差；此外，由公式（2）可以得出，当调 谐质量减振器的固有频率为3Hz时，全部弹簧的整体静变形为27.6mm；而固有频率为15Hz时，全部弹簧的整体静变形仅为1.1mm；固为频率为20Hz时，全部弹簧的整体静变形仅为0.6mm。可是单个弹簧在加工时必然会有高度误差，以设置四个弹簧的调谐质量减振器为例，由于加工高度误差的存在，如图1所示，第一个弹簧的刚度曲线如K₁所示，弹簧变形量达到S₁时，该弹簧的刚度K₁开始进入线性变化阶段；同理，第二个弹簧变形量达到S₂时，该弹簧的刚度K₂开始进入线性变化阶段；第三个弹簧变形量达到S₃时，该弹簧的刚度K₃开始进入线性变化阶段；第四个弹簧变形量达到S₄时，该弹簧的刚度K₄开始进入线性变化阶段，因此，理论上，当四个弹簧组合使用时，至少使压缩变形量达到S₄，另外还要扣除振幅，才能使所有弹簧在振动时在刚度线性阶段变化，此时由上述弹簧构成的调谐质量减振器的固有频率才是一个稳定值，实践中，以螺旋圆柱弹簧为例，S1～S4可以达到0.5～4mm,以2mm振幅为例，弹簧压缩量达2.5～6mm时，才能保证质量块振动时在刚度线性阶段变化，对应的TMD工作频率为10～6.5Hz。 

由此我们可以发现，对于专利号为200410087664.2中这类“直接支承式”的TMD：1)当振幅大于自重作用下的静变形量时，TMD的固有频率参数为一变量，不能正常工作；2)当弹簧初始非线性误差大于振幅和自重作用下的静变形量之和，TMD的固有频率参数为一变量，也不能正常工作。