CN101832358A - 控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器及其制作方法，属于结构工程抗风、抗震与减震技术领域。包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架、固定在限位墙上的陀螺外支撑轴、依靠电力旋转的陀螺转子、陀螺内支撑轴、能够在水平面上转动的环形框筒、安装在环形框筒底部的万向滚动球铰、固定在结构主体上的限位墙以及提供电力的电机等。本发明可以改善原结构的动力特性，实现在外部动力作用下能够转移和耗散结构本应该承受的部分动能的功能，实现多维耗能，从而降低原有建筑结构的破坏程度。

Description

控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种控制结构多维振动的陀螺阻尼器及其制作方法，该阻尼器可以在结构的水平方向及水平面内扭转方向进行调谐耗能减震，属于结构工程的抗震抗风减振技术领域。

背景技术

随着土木建筑工程理论及技术水平的不断提高，世界范围内的重大建筑结构向大型化、复杂化和高耸化发展。结构因此普遍偏柔，在风振及地震等环境因素作用下变形比较明显，结构的安全性和人员的舒适度受到了严峻的考验。事实证明，结构在风荷载作用下将产生顺风向的抖振及横风向的涡振、驰振等复杂振动形式。结构在地震作用下既包括水平两向和竖向的振动，也包括扭转和摇摆振动。因此，建筑结构尤其是高耸结构在飓风或地震作用下将产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动。开展建筑结构的水平和扭转耦联振动控制研究，确保结构在自然灾害和使用中的安全性和适用性具有重大的意义。

结构振动控制理论的核心目标是利用二次系统或附加系统吸引主体结构的振动能量从而使主体结构振动反应得到降低。结构振动控制技术为解决传统的抗震结构体系中存在的问题提供了一条有效途径。然而，目前的减振控制研究大都是将结构简化成平面模型进行考虑，结构在飓风或地震作用下的反应是多维的，特别是对于非对称结构，不考虑多维耦合减振控制将导致减振效果大大降低，不能满足实际工程的需要。此外，对于一些具有特殊形式或构造的结构需要提供占用空间小、减振效果明显的装置才能在实际工程中应用。因此，开发安装灵活、反应灵敏、具有多维调谐减振效果的阻尼系统具有重要的工程意义。

发明内容

本发明提出了一种控制结构多维振动的陀螺阻尼器及其制作方法，本阻尼器具有多维减振、减振效果明显且可调、布置灵活等特点。在飓风或地震作用下，阻尼器内部的调谐质量能够转动，定轴陀螺能够提供反向力矩减小结构水平变形，阻尼器整体具有耗散外部动能的功能，从而保证结构安全。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，该阻尼器包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架、固定在限位墙上的陀螺外支撑轴、依靠电力旋转的陀螺转子、陀螺内支撑轴、能够在水平面上转动的环形框筒、安装在环形框筒底部的万向滚动球铰、固定在结构主体上的限位墙以及提供电力的电机等。

阻尼器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具有内、外两个框架，陀螺内框架(2)通过转轴固定在陀螺外框架(1)内测，陀螺转子(4)通过陀螺内支撑轴(5)固定在陀螺内框架(2)内部中间位置，陀螺外框架(1)与陀螺外支撑轴(3)固定连接，使转子自转轴具有两个转动自由度。从而确保陀螺装置在动力作用下以一定的角速度旋转，产生具有抵抗水平正交两向位移的力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，从而能够抑制结构产生较大水平位移或偏转。所述环形框筒(6)安装在主体结构内壁(10)与限位墙(8)之间。

环形框筒与固定在结构或环形框筒限位墙的距离为0.01米至0.1米，限位墙的高度为环形框筒高度的0.65倍以上。确保环形框筒在振动中不发生严重的倾覆或滑移。

正常状态下，陀螺转子的旋转轴线保持竖直方向，且保证在两正交水平方向都均匀对称布置。在环形框筒底部需均匀布置万向滚动球铰，且在同一径向下至少布置两个以上，保证正常情况下的环形框筒处于水平布置状态。万向滚动球铰与主体结构的接触面上涂有润滑剂。电机为整体陀螺装置供电，各陀螺转子在运动时以相同的角速度匀速旋转。

固定在结构主体上的限位墙具有足够大的刚度，在动力作用下不发生相对于结构主体的变形。

在飓风或地震等动力作用下，阻尼器中的定轴陀螺系统能够提供反向力矩减小结构水平变形，环形框筒能够转动，提供抑制结构水平扭转的转动惯性矩，从而控制结构多维动力响应的目的。

本发明的具体减振原理如下：对于二自由度陀螺，当陀螺转子不发生自转且与陀螺外支撑轴连接的主体结构发生相对转动时，由于陀螺仪框架轴承内摩擦的影响，陀螺内支撑轴将被带动而改变原来的方位。当陀螺转子以高速绕其自转轴旋转时，绕陀螺外框架轴(或内框架轴)承受因主体结构发生相对转动而产生的冲击力矩时，陀螺仪的转子轴的方位没有明显的改变，转子轴只作微小振荡，这就陀螺的稳定现象。可见，二自由度陀螺仪具有产生抵抗干扰力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，即陀螺仪的定轴性或稳定性。因此，当陀螺的转速足够大时，利用陀螺的定轴性可以控制结构绕竖向轴的弯曲变形即水平位移，从而避免结构发生破坏。

在扭转方向，由于安有万向滚动球铰的环形框筒可以绕结构竖向轴转动，从而形成与结构扭转运动相反的转动惯性矩而耗散结构动能，也可以适当地减少结构的扭转位移。

本发明通过在结构上布置多个可以快速自转的二自由度陀螺，利用其定轴性减小结构水平位移。同时布置可旋转环形框筒，提供抗扭转动惯性矩，可以减轻结构的扭转位移。总体上可以改善原结构的动力特性，实现在外部动力作用下能够转移和耗散结构本应该承受的部分动能的功能，实现多维耗能，从而降低原有建筑结构的破坏程度。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明中的二自由度陀螺能够通过高速转动给结构提供力矩，保证结构的水平位移在限定范围内。陀螺的体积较小，可以采用均匀分散布置的方式。陀螺的转动速度实时可调，减振效果可控。

2)本发明中的环形框筒系统可以提供控制扭转的调谐转动惯性矩减少结构的扭转，从而转移和耗散结构主体的动能，实现了多维减振的功能。

3)本发明可以根据结构形式灵活调整方案，在不同高度布置。所需空间较小，构造简单，减震耗能性价比突出。

附图说明

图1本发明沿建筑横截面的剖面示意图；

图2本发明沿建筑纵截面的剖面示意图；

图3本发明中单体陀螺三维侧视图。

图中：1、陀螺外框架，2、陀螺内框架，3、陀螺外支撑轴，4、陀螺转子，5、陀螺内支撑轴，6、环形框筒，7、万向滚动球铰，8、限位墙，9、电机，10、结构内壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图3所示，本实施例的应用对象为一高80米的塔式结构，上部横截面为圆形，平均直径约为20米。本实施例包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架1、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架2、固定在限位墙8上的陀螺外支撑轴3、依靠电力旋转的陀螺转子4、陀螺内支撑轴5、能够在水平面上转动的环形框筒6、安装在环形框筒6底部的万向滚动球铰7、固定在结构主体上的限位墙8以及提供电力的电机9等。所有部件均可以为钢材料或合金材料。阻尼器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具有外框架1和内框架2两个框架，使陀螺转子具有两个转动自由度。

本实施例中，环形框筒6的高度为2米，内半径为7米，外半径为9.5米。环形框筒6与环形框筒限位墙8的间距为0.1米，限位墙8的高度为1.8米，厚度为0.5米。确保环形框筒6在振动中不发生严重的倾覆或滑移。

本实施例中，共有8个陀螺，对于每个陀螺，陀螺转子4的直径为0.8米，厚度为0.2米。正常状态下，陀螺转子4的旋转轴线保持在竖直方向，且保证在两正交水平方向都均匀对称布置。

在环形框筒6底部需均匀布置万向滚动球铰7，且在同一径向下并列布置两个，在圆周均匀布置，共有8组。万向滚动球铰3与主体结构的接触面上涂有润滑剂。

电机9为整体陀螺装置供电，各陀螺转子4在运动时以相同的角速度匀速旋转，最大转速为3000转/秒。

本实施例的控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器是按如下步骤制作的：

首先，根据实际结构的平面尺寸、基本周期、估算的质量、转动惯量和刚度等确定控制结构多维振动的陀螺阻尼器的总体质量。再确定单个陀螺转子4质量、尺寸和最大转速以及环形框筒6的质量及电机9总功率。

其次，根据设计方案，加工制作各个部件。对于塔式结构或高耸结构，如果计划安装的位置没有平面楼板或托梁，需要沿结构内壁补建具有足够刚度的托梁，以便有足够空间安放环形框筒6。在托梁外端部还需要浇筑刚性限位墙8。将底部安有万向滚动球铰7的环形框筒6安装在托梁上部，并位于主体结构内壁10和限位墙8之间，保证环形框筒6严格水平并与限位墙8具有适当的空隙。

然后在限位墙8外部均匀对称安装陀螺，保证对称和均匀。陀螺的外支撑轴3与限位墙8固接。将各个陀螺的电线汇总并与电机9相连。电机9可固定在主体结构上。电机控制开关可安放在结构控制室以便根据结构振动情况启动陀螺进行匀速自转。

以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (7)

1.一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：包括能够绕建筑结构某一水平轴转动的陀螺外框架(1)、能够绕与前述水平轴相正交的水平轴转动的陀螺内框架(2)、固定在限位墙(8)上的陀螺外支撑轴(3)、依靠电力旋转的陀螺转子(4)、陀螺内支撑轴(5)、能够在水平面上转动的环形框筒(6)、安装在环形框筒(6)底部的万向滚动球铰(7)、固定在结构主体上的限位墙(8)以及提供电力的电机(9)，其中，所述的阻尼器中的陀螺装置为二自由度陀螺仪，即具有内、外两个框架，陀螺内框架(2)通过转轴固定在陀螺外框架(1)内侧，陀螺转子(4)通过陀螺内支撑轴(5)固定在陀螺内框架(2)内部中间位置，陀螺外框架(1)与陀螺外支撑轴(3)固定连接，从而使转子自转轴具有两个转动自由度，确保陀螺装置在动力作用下以一定的角速度旋转，产生具有抵抗水平正交两向干扰的力矩，力图保持其自转轴相对惯性空间方位不变的特性，从而能够抑制结构产生较大水平位移或偏转；所述环形框筒(6)安装在主体结构内壁(10)与限位墙(8)之间。

2.根据权利要求1所述的一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：环形框筒(6)与固定在结构或环形框筒限位墙(8)的距离为0.01米至0.1米，限位墙(8)的高度为环形框筒(6)高度的0.65倍以上，确保环形框筒(6)在振动中不发生严重的倾覆或滑移。

3.根据权利要求1所述的一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：正常状态下，陀螺转子(4)的旋转轴线保持竖直方向，且保证在两正交水平方向都均匀对称布置。

4.根据权利要求1所述的一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：在环形框筒(6)底部均匀布置万向滚动球铰(7)，且在同一径向下至少布置两个以上，保证正常情况下的环形框筒(6)处于水平布置状态；万向滚动球铰(3)与主体结构的接触面上涂有润滑剂。

5.根据权利要求1所述的一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：电机(9)为整体陀螺装置供电，各陀螺转子(4)在运动时以相同的角速度匀速旋转。

6.根据权利要求1所述的一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器，其特征在于：固定在结构主体上的限位墙(8)具有足够大的刚度，在动力作用下不发生相对于结构主体的变形。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的一种控制结构多维振动的陀螺减振阻尼器的制作方法，其特征在于：制作步骤如下：

首先，根据实际结构的平面尺寸、基本周期、估算的质量、转动惯量和刚度确定控制结构多维振动的陀螺阻尼器的总体质量，再确定单个陀螺转子(4)质量、尺寸和最大转速以及环形框筒(6)的质量及电机(9)总功率；

其次，根据设计方案，加工制作各个部件，对于塔式结构或高耸结构，如果计划安装的位置没有平面楼板或托梁，需要沿结构内壁补建具有足够刚度的托梁，以便有足够空间安放环形框筒(6)；在托梁外端部还需要浇筑刚性限位墙(8)；将底部安有万向滚动球铰(7)的环形框筒(6)安装在托梁上部，并位于主体结构内壁(10)和限位墙(8)之间，保证环形框筒(6)严格水平并与限位墙(8)具有适当的空隙；

然后，在限位墙(8)外部均匀对称安装陀螺，保证对称和均匀，陀螺的外支撑轴(3)与限位墙(8)固接；将各个陀螺的电线汇总并与电机(9)相连；电机(9)固定在主体结构上，电机控制开关安放在结构控制室以便根据结构振动情况启动陀螺进行匀速自转。

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