專利名稱：一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高層建筑設(shè)備減振領(lǐng)域，更具體地為一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置和方法
背景技術(shù)：
塔體的劇烈振動(dòng)會(huì)使塔體產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲、傾斜、塔板效率下降，導(dǎo)致無法維持正常的生產(chǎn)運(yùn)行而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。持續(xù)而劇烈的振動(dòng)還會(huì)造成塔體裙座應(yīng)力變化幅度過大形成疲勞裂紋，導(dǎo)致設(shè)備的開裂破壞，甚至?xí)斐扇藛T的傷亡，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。我國大型石化企業(yè)多建在沿海地區(qū)，生產(chǎn)裝置常承受臺(tái)風(fēng)等風(fēng)載荷的作用，風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)導(dǎo)致的塔設(shè)備破壞更為突出，風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備破壞的事故已多次發(fā)生。石化生產(chǎn)裝置的建設(shè)周期長達(dá)幾年，不少設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝就位后要空置一段時(shí)間后才能投入生產(chǎn)?？罩盟O(shè)備內(nèi)沒有物料，對(duì)風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的阻尼不同于操作狀態(tài)下的設(shè)備，即使進(jìn)行了合理的操作條件下的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)，塔設(shè)備也可能在空置期間發(fā)生風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)而破壞。因此，對(duì)由風(fēng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的高塔設(shè)備振動(dòng)的研究和振動(dòng)控制裝置的研發(fā)是一個(gè)亟待解決的實(shí)際問題。目前，減振的主要思路是通過采用各種措施，達(dá)到增加結(jié)構(gòu)的阻尼、剛度、固有頻率，或影響結(jié)構(gòu)周圍卡門渦街的形成，從而達(dá)到避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)誘導(dǎo)振動(dòng)的目的。常規(guī)減振方法如下
主要通過降低塔高，增大內(nèi)徑，或增加塔的厚度，可增大塔的固有頻率，但這很大程度上取決于工藝條件許可的情況下進(jìn)行，而且會(huì)增加塔的制造成本。采用拉索控制，交叉支撐等方式來使塔器固定，以減弱塔器的振動(dòng)，但這種方法往往受場(chǎng)地空間的限制而不易實(shí)現(xiàn)。沿塔體周圍焊接一些螺旋式或軸向式翅片可以消除渦旋的形成或改變渦旋的脫落方式，從而減弱風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)。但塔器通常有外保溫層，且安裝有眾多的附件，所以這種方法實(shí)際操作起來往往困難很大，且成本較大。合理布置塔器的梯子、平臺(tái)、管線和其他附件，有利于消除或破壞卡門渦街的形成，這是一種減緩或消除風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的措施，但大多依賴于人員的工程經(jīng)驗(yàn)，并無很好的理論依據(jù)及實(shí)施方法。以上這些措施在工程實(shí)踐中的運(yùn)用表明，很多情況下僅采取這種措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。近年來，結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制的理論與實(shí)踐應(yīng)用都得到了飛速發(fā)展，其中的被動(dòng)控制技術(shù)因其減振機(jī)理明確、控制效果顯著、經(jīng)濟(jì)效益可觀的優(yōu)點(diǎn)，一直是世界各國學(xué)者的研究重點(diǎn)，該技術(shù)已日趨成熟。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper),簡稱TMD,是最常用的一種被動(dòng)控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。它是在結(jié)構(gòu)物頂部或上部某位置上加上慣性質(zhì)量，并配以彈簧和阻尼器與主體結(jié)構(gòu)相連。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的振動(dòng)頻率接近主結(jié)構(gòu)的頻率，控制策略為應(yīng)用子結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)控制振型共振達(dá)到動(dòng)力吸振的目的，應(yīng)用阻尼結(jié)構(gòu)不斷消耗主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的能量來降低主結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。如圖1，為了說明TMD系統(tǒng)的吸振原理，將被控的主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和TMD子系統(tǒng)模型簡化為兩自由度的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為
J Ot1X1 + (q + c2)Xj + (^1 + k2 )xt — C2X — k2x2 = F(t)
Jfi1X1 + cqX+ kyX) ~ _ ~ 0
其中，Wl1為被控主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，k{為被控制結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)，C1為被控主結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)，X1為被控主結(jié)構(gòu)離開平衡位置的位移；/W2為TMD系統(tǒng)的質(zhì)量，k2為TMD系統(tǒng)的
剛度系數(shù)，C2為TMD系統(tǒng)的阻尼系數(shù),X2為TMD系統(tǒng)離開平衡位置的位移；設(shè)主結(jié)構(gòu)受簡
諧激勵(lì) F(f) ::::: F(} Sill OJt ,頻率為
可求得運(yùn)動(dòng)方程的解為
'礎(chǔ)=_(k2 - Q m2+ic2cS)F(t)_
'[Ar1 + k2 - G^ml + i(C1 + C2^Kt2 - ^m2 + ic2m) - (k2 + ic2m)2< ^
x 妁=_(lr2+iC26j)F(0_
2' [^1 + k2- ^m1 + + c2)G>\(k2 - €f}m2 + ic2m) - (k2 + ic2oS)2
顯然，通過選取適當(dāng)?shù)腡MD系統(tǒng)參數(shù)/ 2、k2和C1,可以有效地減小被控主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，極大地提高設(shè)備的安全性能。TMD作為一種被動(dòng)控制方式，因其構(gòu)造簡單，易于安裝，維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不需要外力，并且控制效果明顯，有著其他方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)控制中有廣闊應(yīng)用前景。但是不同的TMD系統(tǒng)對(duì)主結(jié)構(gòu)的減震率也不同，如果TMD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置不適當(dāng)，TMD的質(zhì)量，頻率和阻尼器阻尼選擇不佳，減震率不高，減震效果不明顯。
發(fā)明內(nèi)容
為了提高減震率，本發(fā)明提供一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，包括布置在高聳塔設(shè)備上的TMD (調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)系統(tǒng)，所述TMD系統(tǒng)布置在高聳塔設(shè)備的頂部，所述TMD由質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、阻尼器構(gòu)成，其特征于所述TMD系統(tǒng)包括三個(gè)或四個(gè)TMD。所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述三個(gè)TMD互相間隔120°。所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述四個(gè)TMD互相間隔90°。所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述TMD系統(tǒng)的質(zhì)量與所述高聳塔設(shè)備的質(zhì)量的質(zhì)量比為I. 0%到2. 0%。所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述TMD系統(tǒng)的頻率與所述高聳塔設(shè)備一階固有頻率的頻率比為0. 9到I. I。所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述TMD的阻尼器的阻尼系數(shù)為40-100kg/mm*s。本發(fā)明還提供一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，所述減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，步驟如下
在高聳塔設(shè)備上設(shè)置TMD (調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)系統(tǒng)，所述TMD系統(tǒng)包括三個(gè)或四個(gè)TMD ； 調(diào)整TMD系統(tǒng)質(zhì)量與高聳塔設(shè)備質(zhì)量的質(zhì)量比；
調(diào)整TMD系統(tǒng)的頻率與高聳塔設(shè)備一階固有頻率的頻率比；
調(diào)整TMD的阻尼器阻尼系數(shù)。所述的減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中所述三個(gè)TMD設(shè)置成互相間隔120。。所述的減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中所述四個(gè)TMD設(shè)置成互相間隔90。。所述的減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中調(diào)整所述TMD系統(tǒng)質(zhì)量與所高聳塔設(shè)備質(zhì)量的質(zhì)量比為I. 0%到2. 0%。所述的減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中調(diào)整所述TMD系統(tǒng)的頻率與所述高聳塔設(shè)備一階固有頻率的頻率比為0. 9到I. I。所述的減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中調(diào)整所述TMD的阻尼器的阻尼系數(shù)為 40-100kg/mm*s。
圖I是TMD系統(tǒng)吸振原理 圖2是是對(duì)高聳塔安裝減振裝置一般流程 圖3a至圖3d是用于減輕高聳塔風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的TMD系統(tǒng)布置的四種形式 圖4是風(fēng)載荷角度與風(fēng)振控制效果的關(guān)系 圖5是風(fēng)振控制效果與質(zhì)量比的關(guān)系 圖6是風(fēng)振控制效果與頻率比的關(guān)系 圖7是風(fēng)振控制效果與阻尼系數(shù)的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式TMD主要有質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)組成，TMD質(zhì)量塊可以利用水箱、混凝土塊或裝鉛的鋼箱，彈簧系統(tǒng)可用普通的螺旋彈簧或氣動(dòng)彈簧，阻尼器通常用油壓阻尼器。如圖2所示是對(duì)高聳塔安裝減振裝置一般流程，在確定高聳塔需要TMD系統(tǒng)后，安裝TMD系統(tǒng)在高聳塔上。(I) TMD系統(tǒng)安裝位置的確定。高聳塔的振動(dòng)能量主要集中在低階頻率尤其是一階頻率上。對(duì)高聳塔的振動(dòng)控制，主要考慮第一階振型和第二階振型的振動(dòng)。TMD系統(tǒng)安裝于主振型位移最大處的控制效果最佳，對(duì)于一般高聳塔，由于只需要對(duì)第一階振型的振動(dòng)進(jìn)行控制，TMD控制裝置安裝于高聳塔的頂層控制效果最好。(2) TMD系統(tǒng)布置形式的確定圖3a至圖3d是可用于減輕高聳塔風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)(以下簡稱風(fēng)振控制)的TMD系統(tǒng)布置的四種形式，本發(fā)明主要考慮到風(fēng)載荷角度不同時(shí)，風(fēng)振控制的效果是不同的，因此研究了風(fēng)載荷角度與風(fēng)振控制效果的關(guān)系，參見圖4，其中風(fēng)振控制效果用塔頂共振振幅的減小量表示。由圖4可看出，當(dāng)采用布置方式I或布置方式II時(shí)，風(fēng)振控制效果隨風(fēng)載荷角度的不同而不同，有時(shí)甚至毫無效果；而采用布置方式III或布置方式IV時(shí)，風(fēng)振控制效果顯著并十分穩(wěn)定，因此，一般的減輕高聳塔振動(dòng)的裝置的TMD系統(tǒng)的布置方式采用布置方式III或布置方式IV，即采用三個(gè)TMD互相間隔120°，或采用四個(gè)TMD互相間隔90°。利用有限元分析軟件ANSYS中，用彈簧阻尼單元combinl4和mass21質(zhì)量單元可以對(duì)TMD系統(tǒng)進(jìn)行分析。對(duì)加裝TMD系統(tǒng)的高聳塔進(jìn)行諧響應(yīng)分析，獲得最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)。(3) TMD系統(tǒng)質(zhì)量與高聳塔質(zhì)量的最佳質(zhì)量比的確定
采用有限元分析軟件ANSYS結(jié)果表明風(fēng)振控制效果隨質(zhì)量比的增大而提高，但質(zhì)量比增大到一定程度，風(fēng)振控制的效果已經(jīng)不明顯，一般質(zhì)量比取I. 0%到2. 0%。(4)最佳頻率比的確定
風(fēng)振控制效果與頻率比(即TMD系統(tǒng)的頻率與高聳塔一階固有頻率的比值)的確定。有限元分析結(jié)果表明隨頻率比的不同，風(fēng)振控制效果也不同，當(dāng)頻率比0.9到I. I附近時(shí)，控制效果最好。(5)最佳阻尼系數(shù)的確定
有限元分析結(jié)果表明風(fēng)振控制效果隨TMD的阻尼器阻尼系數(shù)的增大而提高，但阻尼系數(shù)增大到一定程度，控制效果反而隨阻尼系數(shù)的增大而降低。一般阻尼系數(shù)選取40-100kg/mm*s0(6)結(jié)構(gòu)風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)減振效果分析
采用最佳TMD系統(tǒng)布置形式和最佳質(zhì)量比、頻率比和阻尼器后，利用有限元分析高聳塔在風(fēng)載荷作用下的振動(dòng)響應(yīng)，可以確定高聳塔的風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)明顯減輕。具體實(shí)例
某高聳塔為沿海地區(qū)某石化裝置中的第一萃取精餾塔，該塔總高49800mm，裙座高度為5700mm，裙座內(nèi)徑為$ 2400/$ 4000mm，塔體內(nèi)徑為￠2400，塔體壁厚為14臟，裙座壁厚為16mm，上下封頭均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，塔體總重69. 93噸。該塔屬于高聳高柔結(jié)構(gòu)，安裝就位后，在風(fēng)載荷作用下有明顯的振動(dòng)效應(yīng)，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。(I)確定將TMD系統(tǒng)安裝在該第一萃取精餾塔頂層，TMD系統(tǒng)中TMD的布置方式采用布置方式III或布置方式IV。在有限元分析軟件ANSYS中，利用彈簧阻尼單元和質(zhì)量單元可以對(duì)所述TMD系統(tǒng)和第一萃取精餾塔進(jìn)行分析。對(duì)加裝TMD控制系統(tǒng)的精餾塔進(jìn)行諧響應(yīng)分析，以確定最佳的TMD系統(tǒng)的最佳質(zhì)量比、頻率比和阻尼器。 (2) TMD系統(tǒng)質(zhì)量與第一萃取精餾塔質(zhì)量最佳質(zhì)量比的確定
圖5是風(fēng)振控制效果與質(zhì)量比(即TMD系統(tǒng)總質(zhì)量與塔體總質(zhì)量的比值)的關(guān)系圖。本例取質(zhì)量比I. 5%，對(duì)應(yīng)TMD總質(zhì)量為I. 049噸。( 3 )最佳頻率比的確定
圖6是風(fēng)振控制效果與頻率比(即TMD系統(tǒng)的頻率與第一萃取精餾塔一階固有頻率的比值)的關(guān)系圖。本例取頻率比0. 99，對(duì)應(yīng)彈簧系統(tǒng)剛度系數(shù)為2. 68N/mm。
(4)最佳阻尼系數(shù)的確定
圖7是風(fēng)振控制效果與阻尼系數(shù)的關(guān)系圖。本例取阻尼系數(shù)為64Kg/mm*s。(5)結(jié)構(gòu)風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)減振效果分析
采用TMD系統(tǒng)布置方式III或布置方式IV和TMD系統(tǒng)的最佳質(zhì)量比、頻率比和阻尼器。利用有限元分析了精餾塔在風(fēng)載荷作用下的振動(dòng)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的控制效果可達(dá)到64%，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全控制的目標(biāo)。 上述的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置及其方法，設(shè)計(jì)合理，與傳統(tǒng)的減振控制技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)越性在于
I) TMD系統(tǒng)主要有質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)組成，TMD質(zhì)量塊可以利用水箱、混凝土塊或裝鉛的鋼箱，彈簧系統(tǒng)可用普通的螺旋彈簧或氣動(dòng)彈簧，阻尼器通常用油壓阻尼器；不同于麻煩且昂貴的傳統(tǒng)減振措施，整個(gè)TMD系統(tǒng)構(gòu)造簡單，易于安裝，維護(hù)方便且造價(jià)低廉
MTv o2) TMD系統(tǒng)減振機(jī)理明確，控制效果顯著，能有效減小主結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，在合理選取質(zhì)量、剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的情況下，研究表明它對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制的最佳效果可達(dá)50%以上。3)TMD系統(tǒng)的減振效果十分顯著，因此主結(jié)構(gòu)可以減少加固結(jié)構(gòu)并簡化施工，從而可以節(jié)約工程造價(jià)并加快施工速度。4)可以充分利用已有的結(jié)構(gòu)設(shè)置TMD系統(tǒng)，并對(duì)某些難以采取傳統(tǒng)措施進(jìn)行減振控制的高塔，提供了難以替代的減振策略。
權(quán)利要求
1.一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，包括布置在高聳塔設(shè)備上的TMD (調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)系統(tǒng)，所述TMD系統(tǒng)布置在高聳塔設(shè)備的頂部，所述TMD由質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、阻尼器構(gòu)成，其特征于所述TMD系統(tǒng)包括三個(gè)或四個(gè)TMD。
2.如權(quán)利要求I的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述三個(gè)TMD互相間隔 120。。
3.如權(quán)利要求I的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述四個(gè)TMD互相間隔 90。。
4.如權(quán)利要求I的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述TMD系統(tǒng)的質(zhì)量與所述高聳塔設(shè)備的質(zhì)量的質(zhì)量比為I. 0%到2. 0%。
5.如權(quán)利要求I的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述TMD系統(tǒng)的頻率與所述高聳塔設(shè)備一階固有頻率的頻率比為0. 9到I. I。
6.如權(quán)利要求I的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，其中所述TMD的阻尼器的阻尼系數(shù)為40-100kg/mm*s。
7.一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，步驟如下 在高聳塔設(shè)備上設(shè)置TMD (調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)系統(tǒng)，所述TMD系統(tǒng)包括三個(gè)或四個(gè)TMD ； 調(diào)整TMD系統(tǒng)質(zhì)量與高聳塔設(shè)備質(zhì)量的質(zhì)量比； 調(diào)整TMD系統(tǒng)的頻率與高聳塔設(shè)備一階固有頻率的頻率比； 調(diào)整TMD的阻尼器阻尼系數(shù)。
8.如權(quán)利要求7的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中所述三個(gè)TMD設(shè)置成互相間隔120°。
9.如權(quán)利要求7的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中所述四個(gè)TMD設(shè)置成互相間隔90°。
10.如權(quán)利要求7的一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法，其中調(diào)整所述TMD系統(tǒng)質(zhì)量與所高聳塔設(shè)備質(zhì)量的質(zhì)量比為I. 0%到2. 0%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的裝置，包括布置在高聳塔設(shè)備上的TMD(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)系統(tǒng)，所述TMD系統(tǒng)布置在高聳塔設(shè)備的頂部，所述TMD由質(zhì)量塊、彈簧系統(tǒng)、阻尼器構(gòu)成，所述TMD系統(tǒng)包括三個(gè)或四個(gè)TMD，本發(fā)明還提供了一種減輕高聳塔設(shè)備風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的方法。整個(gè)TMD系統(tǒng)構(gòu)造簡單，易于安裝，維護(hù)方便且造價(jià)低廉。
文檔編號(hào)E04B1/98GK102644337SQ201210147768
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者丁振宇, 朱曉升, 陳冰冰, 高增梁 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)