[发明专利]一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及高层、超高层及高耸结构的抗风、抗震技术领域，具体涉及一种用于减小高层、超高层及高耸结构在风振或地震作用下的响应的结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，世界各地兴建了大量的高层建筑、电视塔、大跨度桥梁和空间结构等高耸、大跨建筑物，特别是城市的地标性建筑已经成为城市经济实力的象征。由于新建结构越来越高，风致振动引起了人们的关注；而在地震频发地区，超高柔结构的地震安全也是人们关心的问题。这些建筑多属于长周期结构，在强风、地震等作用下，极易发生过大的变形。这种变形，一方面，会使人们感到不舒适；另一方面，也可能使结构处于非正常的工作状态，或使结构产生局部破坏，甚至整体破坏。如何保证这些高层、超高层、高耸结构的地震作用下的安全性以及强风作用下的舒适性和安全性已经成为需要迫切解决的关键问题。大量的研究与工程实践表明，结构控制技术可以有效地增加高耸结构的阻尼，减小高耸结构的风致振动和地震反应，提高结构的抗风抗震性能。因此，有必要采用先进可靠的减振技术，减轻风振和地震作用，提高高层、超高层和高耸结构的舒适度和抗震性能。

针对高层、超高层、高耸结构的减震控制在现有的结构减震控制技术中研究最多是调谐质量阻尼器(TMD)和主动控制质量阻尼器(AMD)，是近年来结构减震控制领域内的一个十分活跃的研究方向。但在，调谐质量阻尼器(TMD)和主动控制质量阻尼器(AMD)在控制系统设计、控制装置实施、实时控制软件以及在控制系统安全性等在工程应用方面存在以下问题：

首先，被动TMD控制系统对频率比较敏感，只能控制结构某个振型的反应，而且由于TMD控制系统需要调谐到与被控结构振型反应共振的频率，TMD控制系统的质量块行程通常较大，实现比较困难，而且在超烈度地震或强风作用下，TMD存在超越行程的危险，影响整个系统的安全。AMD控制系统需要较大的外部能源，其控制力通常较大，在应用与超高层及高耸实际时，通常难以实现，且工程造价较高，另外，当失去外部能源时，控制系统将失效，不具有容错的功能。

其次，被动TMD控制装置方面，目前主要采用悬吊式TMD或支撑式TMD，当采用悬吊式TMD时，由于悬摆较长，且需要设置阻尼器，通常需要较大的空间才能实现；当采用支撑式TMD时，其弹性元件通常用弹簧提供刚度，需要弹簧的长度较大，造成支撑装置的设计较大，引起控制装置造价大幅上扬。在AMD控制装置方面，控制系统绝大多数是依靠液压驱动或者是伺服电机马达驱动，液压系统构造复杂、需要空间大、能源利用效率降低，需要定期换油、维护成本高，运行时噪音大等，这些问题在一定程度上限制了液压驱动型AMD控制系统的应用；旋转伺服电机虽然对液压驱动作了一些改进，但由于它需要借助于机械传动部件(滚珠丝杠)等中间环节，存在响应慢、难以获得更高的加速度、控制精度低等问题，一直在实际工程中难以应用。

第三，由于高层、超高层和高耸结构对竖向重力荷载较为敏感，调谐质量阻尼器是要设置质量块作用调谐质量阻尼器的质量，当在结构的上部设置调谐质量阻尼器时，需要在主结构上额外附加质量，从而造成对结构的受力不利，当设置不当时，有可能增加结构受力。同时，目前当采用支撑式TMD时，由于位置较高，为了节省平面控制，AMD高宽比也较大；高层、超高层和高耸结构为弯曲变形结构，弯曲变形引起建筑结构顶部倾斜；主动控制质量阻尼器设置在被动调谐质量块上面时，水平驱动力作用到被动调谐质量块的上顶面，在以上因素作用下，TMD有可能发生倾覆。

现有技术中存在的以上难题一直阻碍了TMD和AMD控制技术的工程应用，目前只在一些特殊的工程进行应用，且主要集中在日本、美国、澳大利亚等发达国家，我国在层、超高层、高耸结构中基本没有应用AMD控制系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构电磁变阻尼主被动控制复合调谐控制装置，具有造价低、主动质量阻尼器出力小、控制效果好、结构简单、易于实施、稳定性好、安全性好、控制装置所需空间和失效安全等优点，同时，结合高层、超高层及高耸结构自身的消防水箱作为调谐质量，从而不需要附加例如铅球等作为调谐质量的物体，有利于大大降低调谐控制装置的造价。

本发明通过以下技术方案实现该目的：