塔式抬高結(jié)構(gòu)的陀螺抗振阻尼器抗振研究

塔式抬高結(jié)構(gòu)的陀螺抗振阻尼器抗振研究

0結(jié)構(gòu)振動控制設(shè)計高結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)在正朝著越來越高、輕、厚的方向發(fā)展。隨著結(jié)構(gòu)高度的增加、剛性和衰減、橫向風(fēng)荷載的作用下，振動位移增大，影響正常使用。因此，近年來，在橫向風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)中存在的問題引起了人們的關(guān)注。高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)振設(shè)計,采用增加結(jié)構(gòu)自身剛度的方法不是經(jīng)濟合理的,這將大大增加工程造價,于是高聳結(jié)構(gòu)振動控制方法應(yīng)運而生.其概念是:在高聳結(jié)構(gòu)上某個部位設(shè)置一些控制裝置,如調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)頻液體阻尼器(TLD)和調(diào)頻彈簧阻尼器(TSD)等,在結(jié)構(gòu)振動時主動或被動地施加一組控制力,減小或抑制結(jié)構(gòu)振動反應(yīng),以滿足結(jié)構(gòu)變形和舒適度的要求.結(jié)構(gòu)振動控制裝置的造價要比增加結(jié)構(gòu)剛度的造價小很多,是一種低花費、高效益的方法,結(jié)構(gòu)振動控制設(shè)計改變了傳統(tǒng)的以結(jié)構(gòu)自身剛度抗振的設(shè)計方法,具有劃時代的意義.筆者利用陀螺力學(xué)基本原理,提出一種新型的高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)振阻尼器——陀螺抗振阻尼器,利用陀螺定向性來抑制高聳結(jié)構(gòu)的彈性振動.根據(jù)陀螺力學(xué)和隨機振動的基本理論,對陀螺抗振阻尼器的抗振機理進行了理論探討,并對陀螺抗振阻尼器的應(yīng)用效果進行了模型實驗.1抗振阻尼器的參數(shù)高聳結(jié)構(gòu)彈性體力學(xué)模型——彈性梁(見圖1).在距地面高h處,裝有均質(zhì)圓盤-陀螺抗振阻尼器,它可以繞桿身(OA桿)轉(zhuǎn)動.設(shè)陀螺抗振阻尼器質(zhì)量為m,質(zhì)心水平坐標為y,繞軸x回轉(zhuǎn)角速度矢為ω1,自轉(zhuǎn)角速度矢為ω2,對其質(zhì)心軸ξ的轉(zhuǎn)動慣量為Jξ,對軸ζ的轉(zhuǎn)動慣量為Jζ,則其離心慣性力大小為陀螺抗振阻尼器動量矩矢在軸x、y上的投影分別為由于高聳結(jié)構(gòu)在橫向隨機風(fēng)荷載作用下,振動屬于彈性振動,故設(shè)彈性梁的變形為彈性變形,則sinθ=θ,cosθ=1-θ2/2,將其代入式(2),并略去高階量,得陀螺力矩為將式(3)代入式(4),得根據(jù)彈性變形疊加原理,設(shè)抗彎剛度為EI,隨機風(fēng)荷載為F(t),得將式(1)和式(5)代入式(6),得到運動方程:對于同步回轉(zhuǎn),設(shè)ω1=ω2=ω0,則式(7)成為對于單輸入雙輸出平穩(wěn)隨機振動系統(tǒng),設(shè)HFy和HFθ為系統(tǒng)位移頻率響應(yīng)函數(shù),得其中,令B1+2B3=0,則由式(9)可知,在自轉(zhuǎn)角速度滿足式(10)的情況下,C處沒有線位移,只有角位移,說明陀螺抗振阻尼器,能夠利用陀螺定向性來抑制高聳結(jié)構(gòu)的彈性振動(變形).根據(jù)式(10)也可以確定陀螺抗振阻尼器的特征參數(shù).由式(9)也可以看到,在實際應(yīng)用陀螺抗振阻尼器時,必須避免B2B3-B1B4=0,否則系統(tǒng)將發(fā)生共振.系統(tǒng)速度、加速度頻率響應(yīng)函數(shù)分別為設(shè)隨機風(fēng)力譜為SFF,則位移均方響應(yīng)、速度均方響應(yīng)和加速度均方響應(yīng)分別為按位移均方響應(yīng)、速度均方響應(yīng)或加速度均方響應(yīng)取極小值的條件,通過偏導(dǎo)運算和優(yōu)化理論,不難確定陀螺抗振阻尼器的最佳參數(shù).2彈性梁與彈性梁的實驗?zāi)Ｐ凸P者以理論分析為依據(jù),在實驗室中制作了兩種實驗?zāi)Ｐ?分別為剛性基礎(chǔ)圓形截面彈性梁和矩形截面彈性梁,并進行了兩種不同的實驗.利用偏心塊激振來代替風(fēng)荷載.(1)安裝設(shè)備條件下的抗振阻尼器測試實驗中采用PVC管材,外徑D=32mm,內(nèi)徑d=29mm,高1700mm,橫向剛度29.4N/m,下端固定,上端自由(見圖2).電機定子固定于桿身上端,帶葉片圓輪可安裝于電機軸上,電機功率36W,轉(zhuǎn)速1400r/min,帶葉片圓輪直徑240mm,質(zhì)量0.225kg.偏心塊可安裝于電機軸上,偏心塊質(zhì)量0.015kg,偏心矩50mm.螺母可安裝于偏心塊上,以調(diào)節(jié)離心慣性力大小,每個螺母質(zhì)量0.015kg.實驗項目:①為了證實陀螺抗振阻尼器是否對塔式結(jié)構(gòu)具有抑振作用,筆者給定不同的8組自由端水平位移y數(shù)據(jù),用秒表分別測量了圓輪不轉(zhuǎn)動——不采用陀螺抗振阻尼器和圓輪轉(zhuǎn)動——采用陀螺抗振阻尼器兩種情況下,自由端振幅衰減至零的時間t,將所測結(jié)果繪制成圖(見圖3).②在同樣轉(zhuǎn)數(shù)和偏心距情況下,螺母個數(shù)越多,激振力越大,而結(jié)構(gòu)振動的振幅與激振力有直接關(guān)系,所以采用不同的螺母個數(shù)可以達到調(diào)節(jié)激振力大小的目的.為了進一步證實陀螺抗振阻尼器是否具有對塔式結(jié)構(gòu)有抑振作用,筆者給定自由端水平位移為零,偏心塊安裝于電機軸上(帶N個螺母),用振幅牌分別測量了不安裝圓輪——不采用陀螺抗振阻尼器(電機轉(zhuǎn)動)和安裝圓輪——采用陀螺抗振阻尼器(電機轉(zhuǎn)動)兩種情況下,桿自由端的穩(wěn)態(tài)振幅A.以激振力Fg作為水平坐標,穩(wěn)態(tài)振幅A作為豎向坐標,將測試結(jié)果繪制成圖(見圖4).(2)抗振阻尼器的應(yīng)用價值實驗項目和實驗結(jié)果與圓形截面彈性梁基本相同,本文中不再敘述.從實驗結(jié)果圖3看到,采用陀螺抗振阻尼器,能夠加快自由振動振幅的衰減,特別是對于較大的振幅,效果尤為明顯.由于采用了陀螺抗振阻尼器,振幅的衰減時間基本上與初始振幅大小無關(guān),此現(xiàn)象足以說明陀螺抗振阻尼器對于塔式高聳結(jié)構(gòu)的大幅振動(馳振),具有明顯的抑制作用.可以限制彈性桿的運動,與理論分析相吻合.結(jié)構(gòu)振動振幅隨激振力的大小而變化,采用陀螺抗振阻尼器以后,這種變化趨勢得到了明顯改進,特別是在大激振力、大振幅的情況下,這種改進更為顯著(見圖4).這足以說明陀螺抗振阻尼器完全能夠較好地抑制塔式高聳結(jié)構(gòu)在較強的風(fēng)荷載激勵下所產(chǎn)生的較大振幅.這正是采用陀螺抗振阻尼器明顯的優(yōu)勢.3螺釘抗振阻尼器參數(shù)陀螺抗振阻尼器抑振在原理上是可行的,在模型實驗中也是有效的.理論分析與實驗研究結(jié)果均表明,該阻尼器可以有效地抑制塔式高聳結(jié)構(gòu)的振動,風(fēng)荷載強度愈大,采用陀螺抗振阻尼器抗振效果愈明顯,采用陀螺抗振阻尼器,能夠抑制容易造成高聳結(jié)構(gòu)破壞