專利名稱：有效抑制建筑物對外界擾動響應(yīng)的方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為抑制建筑物對例如風、地震等外界擾動的響應(yīng)的設(shè)備和方法。
為使建筑物對抗象地震、風和交通之類振動負荷的一種傳統(tǒng)方法是使建筑物的結(jié)構(gòu)強度足以承受那些外界負荷。但在近代，已經(jīng)提出一種所謂地震隔離的見解，并已為使建筑物免受地震負荷而付諸實踐。該地震隔離是要通過一種軟而有彈性的支撐物來支撐該建筑物，并通過該支撐物的大的形變能力來吸收該地震負荷。關(guān)于該地震隔離的一個問題是雖然該隔離作用對于切斷通過該支撐物所要感生的振動負荷是有效的，但有時當振動負荷被直接感生而不是經(jīng)過其支撐物傳遞到該建筑物時，卻使情況變得更壞。這樣一些情況發(fā)生在建筑物因風，或例如在橋梁因車輛經(jīng)過其上而振動時。這時，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的地震隔離技術(shù)，則振動量將易于變得更大。
為了解決這些麻煩事情，本發(fā)明人已通過第62-241045號日本專利申請推薦一種用于建筑物的振動抑制設(shè)備。通過該專利申請所揭示的是這樣一種抑制振動的設(shè)備，它包括有一個槽和一種保存在該槽中的液體，該槽要安裝在該建筑物的屋頂上，以便抑制建筑物的振動。當建筑物振動時，建筑物的振動能量引起該液體，以某一等于該建筑物自然頻率的晃動自然頻率同該建筑物諧振地晃動。結(jié)果，隨著該建筑物的振動能量傳遞到該液體而抑制了該建筑物的振動。在該說明書中陳述了保留在槽中的液體的重量最好重于該建筑物的1%以便確保其有效性。
關(guān)于上述設(shè)備和用于抑制一種建筑物振動的若干方法的一個問題是該設(shè)備具有很窄的諧振帶，僅在其被激勵到正好是它的自然頻率時才起作用。所以難于確定槽的尺寸和液體的量，以便使晃動的自然頻率恰好同建筑物的振動諧振。此外，如果該建筑物的自然頻率因其材料的損壞而偏移，則該設(shè)備就失諧。
另一個問題是因為晃動過程中的衰減系數(shù)通常遠小于普通建筑物的衰減系數(shù)，所以液體的晃動要持續(xù)很久。因此，在例如風和地震等外界擾動結(jié)束以后，所述液體繼續(xù)晃動，因而該液體就變成一個激勵該建筑物的振源了。
為了解決這樣一些寓于先有方法和設(shè)備中的不足之處，本發(fā)明旨在為此而提供一種用于抑制建筑物對各種外界擾動響應(yīng)的方法以及具有相當寬頻帶的設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種用于抑制一種其自由振動可迅速穩(wěn)定下來的建筑物響應(yīng)的設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種有效地衰減建筑物的渦旋運動的設(shè)備。
就本發(fā)明的一個方面而言，這種按照本發(fā)明的設(shè)備包括(a)借此限定某一內(nèi)部空間的圍墻，(b)保存在該圍墻中并具有一自由表面的液體，以及(c)配置于該圍墻中以便使液流紊動的阻礙裝置，從而使該液體具有至少一個晃動自然頻率，并且該阻礙裝置增大了晃動的衰減系數(shù)。
就本發(fā)明的另一方面而言，提供有一種用于抑制建筑物的振動的方法，該建筑物具有某一自然頻率，該方法包括有以下各步驟(a)將至少一個圍墻固定于該建筑物上，該圍墻限定出某一內(nèi)部空間，(b)將至少一個阻礙裝置固定到該圍墻上以便使該阻礙裝置保持在該圍墻里面以及(c)為該圍墻提供液體以便使該內(nèi)部空間的某一預(yù)定部分灌滿該液體，使該阻礙裝置浸沒在該液體中，而該液體具有一個自由表面，其中該圍墻的尺寸和其液量被如此確定以使該液體在由該阻礙裝置擾動晃動時的晃動自然頻率一般等于該建筑物和水流的自然頻率。


圖1示出一個建筑物和裝在該建筑物頂上的本發(fā)明為抑制各種外界擾動的設(shè)備。
圖2示出一種說明該建筑物和設(shè)備的震動特征的二自由度振動器。
圖3是本發(fā)明設(shè)備的第一實施例的平面圖。
圖4是本發(fā)明第一種實施例的垂直剖面圖。
圖5是按照本發(fā)明第一種實施例的垂直剖面圖。
圖6示出一種當該建筑物配備有本發(fā)明的設(shè)備時的建筑物的響應(yīng)頻譜。
圖7示出一種當該建筑物未配備此設(shè)備時的建筑物的響應(yīng)頻譜。
圖8是本發(fā)明的第二實施例的垂直剖面圖。
圖9是本發(fā)明的第二實施例的平面圖。
圖10是本發(fā)明的第三實施例的垂直剖面圖。
圖11是本發(fā)明第三實施例的平面圖。
圖12是本發(fā)明第四實施例的垂直剖面圖。
圖13是本發(fā)明第四實施例的平面圖。
圖14是本發(fā)明第五實施例的垂直剖面圖。
圖15是本發(fā)明第六實施例的剖面圖。
圖16是本發(fā)明第六實施例的平面圖。
下文將對本發(fā)明的幾個最佳實施例進行詳細描述。
(1)第一種最佳實施例示于圖3和4中的第一最佳實施例包括有具有圓底板1和圓筒形側(cè)壁3、保留在該圍墻3內(nèi)的水5以及設(shè)置在圍墻3中并浸沒在水5中的五個水車裝置4。正如該二圖所示，該水車裝置4包括有在其下端固定于底板1上的從那里豎立著的軸桿6、用于圍繞軸桿6旋轉(zhuǎn)運動的、固定在軸桿6一端上的軸承裝置7以及在其各靠近側(cè)連固到軸承裝置7的四個葉片8。通常每個葉片8的遠離側(cè)被彎成與其它部件垂直以便使四個葉片8形成在一個平面圖中的逆時針方向旋轉(zhuǎn)的
字形。
如圖1所示，通過將支撐裝置11夾在底板1(詳見圖4)和建筑物頂面之間而將上述設(shè)備9固定在建筑物10的頂上。支撐裝置11包括有若干鋼板和若干由彈性材料(如橡皮)制成的薄板，這兩種板材是相間地、水平地分層設(shè)置的。由于這種結(jié)構(gòu)，所以支撐裝置11在水平方向上具有比較低的剛度，而在垂直方向上卻具有較高的剛度。
當該建筑物響應(yīng)于風的負荷或地震而引起該建筑物各種運動時，保留在圍墻3里的水5就晃動。隨同該晃動的水流就使水車4轉(zhuǎn)動，同時葉片8使水5在其周圍紊動。通過在其周圍引起不規(guī)則的水流和渦流，水車4消耗掉以晃動形式的水的勢能。這樣，就使水的晃動逐漸衰減。通過適當?shù)卣{(diào)整該圍墻的尺寸和保留在圍墻中的水量可調(diào)節(jié)晃動的自然頻率，使其與該建筑物的自然頻率一致。所以，當該建筑物振動時，水中發(fā)生晃動，從而抑制該建筑物的振動，同時利用阻礙裝置衰減這種振動能量，該阻礙裝置在本實施例中就是水車。結(jié)果，振動，也就是說該建筑物對外界各種擾動的響應(yīng)，就借助該設(shè)備而有效地被抑制了。
該設(shè)備之所以有效不僅在于該建筑物的抑制性的反向運動，而且在于該建筑物的渦動。如前所述，當該建筑物打旋時，在水中就發(fā)生旋渦運動，從而消耗掉該建筑物的振動能量。
因為水車4被如此配置，以致通過打亂正常水流而增強對晃動的衰減作用，水車4可為打亂正常水流的其它阻礙裝置所取代。例如可將軸承連固到該軸桿，以便消除水車4的旋轉(zhuǎn)運動。
圖5示出第一種實施例之一，其中多個水車4被連固到軸桿6。通過變更配置在水5中的水車個數(shù)，就可調(diào)整其衰減因數(shù)。
下面將從數(shù)學(xué)觀點出發(fā)對該振動抑制設(shè)備的作用進行說明根據(jù)豪斯納方程(Housner′sequations)，有效質(zhì)量MT和晃動自然頻率表達如下M1＝(1/4)(5/6)2(27/8)R·tanh(27/8]]>/(
H)·M式中M1晃動中的水的有效質(zhì)量H水深R水槽的半徑M保留在水槽中的水的總質(zhì)量4pi2f2＝(H/R)
tanh〔27/6]]>·(H/R)〕
Pi圓周及其直徑之比值根據(jù)以上方程式，對于H＝2m，和R＝15m的情況來說，則有效質(zhì)量M1＝812噸，而自然周期(自然頻率的倒數(shù))為11.7秒。
只要有效質(zhì)量和晃動的自然頻率是已知的，則從振動觀點來看，該設(shè)備的各種作用可由一個普通振動器來模擬，該振動器組成如下用一彈簧支撐某一質(zhì)量M，該彈簧的剛度為K，并且將一阻尼系數(shù)為C的減震器與該彈簧平行地連固到該質(zhì)量。該模型被稱為福格特模型(VoigtModel)。這個模型的自然頻率Fn可近似地由下列方程式給定Fn＝K/M]]>/2PiPi圓周與其直徑的比值因此，通過使用上式，可求得該彈簧的有效剛度K。
當然，該建筑物也可由一種其特性與設(shè)備9的特性不同的福格特模型所模擬。所以，一種裝備有振動抑制設(shè)備的建筑物可用一對福格特模型來模擬如圖2所示，它們是一個裝在另一個的頂上的。
現(xiàn)在將通過參考所謂二自由度振動系統(tǒng)的圖2對該實施例的作用進行說明。一個質(zhì)量-彈簧-減振器系統(tǒng)A示意地代表了該建筑物的振動特征。質(zhì)量20、彈簧21和減振器22分別代表該方式的有效質(zhì)量、有效剛度和有效衰減，它們都是由該建筑物的結(jié)構(gòu)特性所確定的。一個質(zhì)量-彈簧-減振器系統(tǒng)B代表本設(shè)備。質(zhì)量23、彈簧24和減振器25分別代表有效質(zhì)量、彈簧的有效剛度和晃動的衰減系數(shù)。減振器25的特性主要決定于液體的粘度和水車的幾何形狀。
就該晃動的有效質(zhì)量是小于該建筑物的有效質(zhì)量的百分之幾而論，在該建筑物和晃動的自然頻率中的偶合效應(yīng)是可忽略不計的。因此當該建筑物的自然頻率與該設(shè)備的自然頻率相等時，則該配對的二自由度系統(tǒng)的自然頻率也就相等。
該建筑物的自然頻率Fb確定如下Fbn＝Kn/Mn]]>/2Pi式中Kn該建筑物的模型剛度Mn該建筑物的模型質(zhì)量因此，借助于上述各方程式使該設(shè)備的自然頻率等于該建筑物的自然頻率就成為可能了。
由于當該建筑物因地震等而振動時，該重量的振動與該建筑物的振動相諧振，該建筑物的振動幅度是依靠該振動抑制設(shè)備而減小的。該設(shè)備起所謂動態(tài)阻尼器的作用。換言之，該建筑物的振動能量被傳遞到該設(shè)備，并在水中產(chǎn)生晃動。該振動能量一旦被傳遞到該設(shè)備時，則通過該水車把它逐漸地消耗掉。該建筑物振動幅度的減小正比于被傳遞到該設(shè)備并消耗于其中的振動能量的量。于是借助本設(shè)備就可抑制該建筑物的振動或響應(yīng)了。
在上面的說明中，為使說明簡單起見，由第一方式代表該建筑物的振動特征，從而在那個基礎(chǔ)上來說明該振動抑制設(shè)備的各種作用。但是，該振動抑制設(shè)備的應(yīng)用不只限于抑制建筑物的第一方式，而是也可應(yīng)用于抑制建筑物的任何其它方式。此時，最好將所述振動抑制設(shè)備安裝在該建筑物在該目標方式下位移很大的地方。因此，可將該抑制設(shè)備安裝在一個或若干中間樓層上。
(2)本發(fā)明的第二實施例圖8和9示出用于抑制建筑物響應(yīng)的本設(shè)備的一個改型實施例。本實施例備有一種漂浮裝置30和為將該漂浮裝置拉緊到該圍墻的拉緊裝置31以代替第一種實施例中浸沒于水中的水車。在本實施例中，在水5的表面上正漂浮著24個漂浮裝置30和同樣數(shù)量的線繩31，這些線繩一端被接到該漂浮裝置30，而另一端被接到圍墻3，把該漂浮裝置的位移量限制到某一預(yù)定的范圍以內(nèi)。
借助上述結(jié)構(gòu)，當在水中發(fā)生晃動時，不但漂浮裝置30，而且拉緊裝置31都使伴隨著晃動的正常水流紊動。所以通過由漂浮裝置30和拉緊裝置31所引起的不規(guī)則的局部水流而消耗掉晃動的勢能。因此還通過本實施例而使衰減系數(shù)增大了。
(3)本發(fā)明的第三最佳實施例在本發(fā)明的第三最佳實施例中，配備有一種用于抑制建筑物響應(yīng)的設(shè)備，該設(shè)備包括有漂浮在水(5)表面上的漂浮裝置40，將該漂浮裝置40拉緊到圍墻3的拉緊裝置42、具有許多穿通的孔眼，并將水區(qū)分隔成若干分段的網(wǎng)眼裝置43以及用于使該網(wǎng)眼裝置43定位于各予定位置的定位器41。該網(wǎng)眼裝置43比水5的深度H短，因而是浸沒在水中的。
借助第三最佳實施例，使伴隨晃動的水流紊動得比上一實施例情況更加厲害得多，這是由于所述漂浮裝置40、拉緊裝置42以及網(wǎng)眼裝置43而造成的。所以，使衰減系數(shù)大為增高。
在該圖中，網(wǎng)眼裝置43都被設(shè)置成可在平面圖上形成一個格柵。但是就該網(wǎng)眼裝置43可使水流紊動而論，網(wǎng)眼裝置43不應(yīng)局限于格柵狀，而是可用其它形狀。另外，可將網(wǎng)眼裝置43水平設(shè)置，這是因為該種晃動伴隨著水的垂直運動。
(4)本發(fā)明的第四最佳實施例圖12和13表示本發(fā)明的第四種改型實施例。按照這個實施例，在水5中配置有若干細長彈性部件50，該部件的一端固定于圍墻3的底部，其另一端是自由的。由于部件50的密度小于水的密度，所以借助其浮力而使部件50半漂浮地豎立著。這些部件一般是直的，但它們不必需是直的。在形狀上的各種不規(guī)則性可以增強衰減作用。
當水5在圍墻3中晃動時，彈性部件50就按照水流而搖晃。主要依靠部件50和水之間的磨擦力和由部件50所引起水的紊動而使晃動衰減。
(5)本發(fā)明的第五最佳實施例圖14示出第五最佳實施例，其中一種浸沒在水5中的阻礙裝置62是由一種彈性材料制成的，并包括有一主干60和若干連固于主干60上的分枝61。主干60的下端固定到圍墻3的底部而阻礙裝置豎立其上。
借助比上一實施例更加復(fù)雜的幾何形狀，阻礙裝置62在增強衰減作用上比細長部件50更有效。
(6)本發(fā)明的第六最佳實施例圖15和16示出第六最佳實施例，其中將砂70與水5一起保留在圍墻3中。當水5晃動時，砂70就與水5一起流動，并通過砂粒之間以及砂70和水5之間的磨擦力而消耗該勢能。
通過以上說明，使我們清楚地了解，本發(fā)明不限于上述各實施例，而是任何包括有(a)限定某一內(nèi)部空間的圍墻，(b)保存在該圍墻中的，并具有某一自由表面的液體，以及(c)置于該圍墻中以便使液流紊動的阻礙裝置等設(shè)備均可有效地對外界擾動所引起建筑物的響應(yīng)進行有效的抑制。
此外，就保存在圍墻中的液體具有某一晃動頻率而論，所述圍墻的幾何形狀不限于圓筒形，而是任何可使用的形狀。
憑借本發(fā)明可提供一種用于抑制外界各種擾動對建筑物響應(yīng)的方法及其具有相當寬頻帶的設(shè)備。
此外，本發(fā)明提供了用于抑制建筑物響應(yīng)的設(shè)備，該建筑物的自由振動是迅速穩(wěn)定的。
本發(fā)明的另一特征是提供一種有效地衰減建筑物渦旋運動的設(shè)備。
(5)實例圖6和7表示從對于某一建筑物模型進行使用和不用本發(fā)明的抑制建筑物響應(yīng)設(shè)備的試驗中所導(dǎo)出的試驗結(jié)果。圖6是裝有包括水和阻礙裝置的設(shè)備的建筑物模型的響應(yīng)時間歷程的頻譜圖。圖7是在建筑物模型中的該設(shè)備中不保存水的情況下的響應(yīng)頻譜圖。在0.7Hz左右的峰值就是該建筑物模型和晃動的自然頻率。在該設(shè)備保存水的情況下，出現(xiàn)在0.7Hz左右的峰值比在另一種不保存水的情況下要小得多。圖6中頻譜的總面積比圖7中的要小，這就意味著響應(yīng)的總功率在裝有抑制設(shè)備情況下是比較小的。反之，該建筑物的響應(yīng)是類似正弦形的，這是因為振動能量集中在0.7Hz左右的一段窄帶中。
因此，根據(jù)各種試驗，也證實了本發(fā)明的有效性。
權(quán)利要求
1.一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，該建筑物具有一自然頻率，特征在于該設(shè)備包括有(a)借以限定一個內(nèi)部空間的圍墻；(b)保存在該圍墻中并具有一自由表面的液體以及；(c)為使該液體紊動而配置在該圍墻中的阻礙裝置，從而該液體至少具有一個晃動自然頻率，而該阻礙裝置增大了該晃動的衰減系數(shù)。
2.按照權(quán)利要求1的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中該阻礙裝置包括至少一個裝在所述內(nèi)部空間并浸沒于所述液體中的水車以便在所述液體晃動時使液流紊動。
3.按照權(quán)利要求2的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于，其中所述水車由所述圍墻所支撐并可按所述液流轉(zhuǎn)動。
4.按照權(quán)利要求3的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中水車的數(shù)量是可變的。
5.按照權(quán)利要求3的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中至少一根軸桿被固定于圍墻，以便由此而垂直豎立，以及至少一個水車被可轉(zhuǎn)動地固定于每根軸桿上。
6.按照權(quán)利要求1的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中阻礙裝置包括至少一個漂浮在液面上的漂浮裝置以及至少一個為限制因漂動而撞擊圍墻的拉緊裝置。
7.按照權(quán)利要求6的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述拉緊裝置包括一根由彈性材料制成的線繩。
8.按照權(quán)利要求1的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述阻礙裝置包括至少一個浸沒在液體中的網(wǎng)眼裝置，所述網(wǎng)眼裝置具有許多穿過它用于限制并容許所述液體流過它的孔眼。
9.按照權(quán)利要求8的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述網(wǎng)眼裝置是一種金屬網(wǎng)。
10.按照權(quán)利要求1的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述阻礙裝置包括至少一個漂浮在液體表面上的漂浮裝置、至少一個為限制因漂動而撞擊所述圍墻的拉緊裝置以及至少一個浸沒在液體中的網(wǎng)眼裝置，所述網(wǎng)眼裝置具有許多穿過它的孔眼，以便限制和容許所述液體流過它。
11.按照權(quán)利要求1的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述阻礙裝置包括至少一個浸沒在液體中并在其至少歡斯潭ǖ轎降南賦げ考
12.按照權(quán)利要求11的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述細長部件具有至少一個從所述部件延伸出來的分枝。
13.按照權(quán)利要求1的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述阻礙裝置包括有混合在所述液體中的顆粒。
14.按照權(quán)利要求13的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述顆粒是砂粒。
15.按照權(quán)利要求1至14之一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的設(shè)備，特征在于其中所述圍墻具有圓形水平剖面、并且所述液體還具有一個渦旋自然頻率。
16.一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的方法，所述建筑物具有一個自然頻率和某一對應(yīng)于它的自然方式，所述方法特征在于包括下列步驟(a)將至少一個圍墻固定到所述建筑物上，所述圍墻限定一個內(nèi)部空間;(b)將至少一個阻礙裝置固定到所述圍墻以便使所述阻礙裝置保持在圍墻里面;以及(c)為所述圍墻供應(yīng)液體，以便使所述內(nèi)部空間的某一預(yù)定部分灌滿所述液體，而所述液體具有一個自由表面。其中所述圍墻的尺寸和所述液體的量要確定得可使所述液體的晃動自然頻率一般與所述建筑物的自然頻率相等。
17.按照權(quán)利要求15的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的方法，特征在于把所述圍墻定位于所述建筑物的自然方式具有某一顯著位移的位置上，并且所述晃動自然頻率與所述建筑物的自然頻率相等。
18.按照權(quán)利要求16的一種用于有效抑制建筑物對外界各種擾動響應(yīng)的方法，特征在于其中所述液體還具有某一與所述建筑物的渦旋運動的自然頻率相等的渦旋自然頻率。
全文摘要
用于抑制建筑物對風和地震等外界擾動響應(yīng)的方法及其設(shè)備。該方法包括a.將至少一個限定一內(nèi)部空間的圍墻固定到建筑物，b.將至少一阻礙裝置固定到圍墻使其保持在圍壁內(nèi)c.對圍墻供以具有一自由面的液體使其充滿內(nèi)部空間的預(yù)定部分，圍墻尺寸及液量的確定致使液體晃動自然頻率與建筑物自然頻率一致。該設(shè)備包括a，所述圍墻，b，所述液體及c，置于圍墻內(nèi)，為擾動液流從而使液體的晃動具有至少一個自然頻率，并增大晃動衰減系數(shù)的阻礙裝置。
文檔編號F16F15/023GK1033208SQ88102899
公開日1989年5月31日 申請日期1988年5月10日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月17日
發(fā)明者佐藤孝典 申請人:清水建設(shè)株式會社