專利名稱：一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置及其方法
技術領域：
本發明屬于高層建筑設備減振領域，更具體地為一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置和方法
背景技術：
塔體的劇烈振動會使塔體產生嚴重彎曲、傾斜、塔板效率下降，導致無法維持正常的生產運行而造成嚴重的經濟損失。持續而劇烈的振動還會造成塔體裙座應力變化幅度過大形成疲勞裂紋，導致設備的開裂破壞，甚至會造成人員的傷亡，引發嚴重的安全事故。我國大型石化企業多建在沿海地區，生產裝置常承受臺風等風載荷的作用，風誘導振動導致的塔設備破壞更為突出，風誘導振動導致設備破壞的事故已多次發生。石化生產裝置的建設周期長達幾年，不少設備現場安裝就位后要空置一段時間后才能投入生產。空置塔設備內沒有物料，對風誘導振動的阻尼不同于操作狀態下的設備，即使進行了合理的操作條件下的抗振動設計，塔設備也可能在空置期間發生風誘導振動而破壞。因此，對由風誘導產生的高塔設備振動的研究和振動控制裝置的研發是一個亟待解決的實際問題。目前，減振的主要思路是通過采用各種措施，達到增加結構的阻尼、剛度、固有頻率，或影響結構周圍卡門渦街的形成，從而達到避免結構出現誘導振動的目的。常規減振方法如下
主要通過降低塔高，增大內徑，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行，而且會增加塔的制造成本。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，但這種方法往往受場地空間的限制而不易實現。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，從而減弱風誘導振動。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、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誘導振動的措施，但大多依賴于人員的工程經驗，并無很好的理論依據及實施方法。以上這些措施在工程實踐中的運用表明，很多情況下僅采取這種措施是遠遠不夠的。近年來，結構風振控制的理論與實踐應用都得到了飛速發展，其中的被動控制技術因其減振機理明確、控制效果顯著、經濟效益可觀的優點，一直是世界各國學者的研究重點，該技術已日趨成熟。調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper),簡稱TMD,是最常用的一種被動控制系統，在生產實踐中得到了廣泛應用。它是在結構物頂部或上部某位置上加上慣性質量，并配以彈簧和阻尼器與主體結構相連。調諧質量阻尼器的振動頻率接近主結構的頻率，控制策略為應用子結構與主結構控制振型共振達到動力吸振的目的，應用阻尼結構不斷消耗主結構和子結構的能量來降低主結構的動力響應。如圖1，為了說明TMD系統的吸振原理，將被控的主結構系統和TMD子系統模型簡化為兩自由度的質量、彈簧、阻尼系統。該系統的運動方程為
J Ot1X1 + (q + c2)Xj + (^1 + k2 )xt — C2X — k2x2 = F(t)
Jfi1X1 + cqX+ kyX) ~ _ ~ 0
其中，Wl1為被控主結構的質量，k{為被控制結構的剛度系數，C1為被控主結構的阻尼系數，X1為被控主結構離開平衡位置的位移；/W2為TMD系統的質量，k2為TMD系統的
剛度系數，C2為TMD系統的阻尼系數,X2為TMD系統離開平衡位置的位移；設主結構受簡
諧激勵 F(f) ::::: F(} Sill OJt ,頻率為

可求得運動方程的解為
'礎=_(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，通過選取適當的TMD系統參數/ 2、k2和C1,可以有效地減小被控主結構的振動響應，極大地提高設備的安全性能。TMD作為一種被動控制方式，因其構造簡單，易于安裝，維護方便，經濟實用，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點，因此在高層建筑和高聳結構抗風控制中有廣闊應用前景。但是不同的TMD系統對主結構的減震率也不同，如果TMD系統結構布置不適當，TMD的質量，頻率和阻尼器阻尼選擇不佳，減震率不高，減震效果不明顯。

發明內容
為了提高減震率，本發明提供一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，所述減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，包括布置在高聳塔設備上的TMD (調諧質量阻尼器)系統，所述TMD系統布置在高聳塔設備的頂部，所述TMD由質量塊、彈簧系統、阻尼器構成，其特征于所述TMD系統包括三個或四個TMD。所述減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述三個TMD互相間隔120°。所述減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述四個TMD互相間隔90°。所述減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述TMD系統的質量與所述高聳塔設備的質量的質量比為I. 0%到2. 0%。所述減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述TMD系統的頻率與所述高聳塔設備一階固有頻率的頻率比為0. 9到I. I。所述減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述TMD的阻尼器的阻尼系數為40-100kg/mm*s。本發明還提供一種減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，所述減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，步驟如下
在高聳塔設備上設置TMD (調諧質量阻尼器)系統，所述TMD系統包括三個或四個TMD ； 調整TMD系統質量與高聳塔設備質量的質量比；
調整TMD系統的頻率與高聳塔設備一階固有頻率的頻率比；
調整TMD的阻尼器阻尼系數。所述的減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中所述三個TMD設置成互相間隔120。。所述的減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中所述四個TMD設置成互相間隔90。。所述的減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中調整所述TMD系統質量與所高聳塔設備質量的質量比為I. 0%到2. 0%。所述的減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中調整所述TMD系統的頻率與所述高聳塔設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備風誘導振動的方法，其中調整所述TMD的阻尼器的阻尼系數為 40-100kg/mm*s。


圖I是TMD系統吸振原理 圖2是是對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誘導振動的TMD系統布置的四種形式 圖4是風載荷角度與風振控制效果的關系 圖5是風振控制效果與質量比的關系 圖6是風振控制效果與頻率比的關系 圖7是風振控制效果與阻尼系數的關系圖。
具體實施例方式TMD主要有質量塊、彈簧系統、阻尼系統組成，TMD質量塊可以利用水箱、混凝土塊或裝鉛的鋼箱，彈簧系統可用普通的螺旋彈簧或氣動彈簧，阻尼器通常用油壓阻尼器。如圖2所示是對高聳塔安裝減振裝置一般流程，在確定高聳塔需要TMD系統后，安裝TMD系統在高聳塔上。(I) TMD系統安裝位置的確定。高聳塔的振動能量主要集中在低階頻率尤其是一階頻率上。對高聳塔的振動控制，主要考慮第一階振型和第二階振型的振動。TMD系統安裝于主振型位移最大處的控制效果最佳，對于一般高聳塔，由于只需要對第一階振型的振動進行控制，TMD控制裝置安裝于高聳塔的頂層控制效果最好。(2) TMD系統布置形式的確定圖3a至圖3d是可用于減輕高聳塔風誘導振動(以下簡稱風振控制)的TMD系統布置的四種形式，本發明主要考慮到風載荷角度不同時，風振控制的效果是不同的，因此研究了風載荷角度與風振控制效果的關系，參見圖4，其中風振控制效果用塔頂共振振幅的減小量表示。由圖4可看出，當采用布置方式I或布置方式II時，風振控制效果隨風載荷角度的不同而不同，有時甚至毫無效果；而采用布置方式III或布置方式IV時，風振控制效果顯著并十分穩定，因此，一般的減輕高聳塔振動的裝置的TMD系統的布置方式采用布置方式III或布置方式IV，即采用三個TMD互相間隔120°，或采用四個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質量單元可以對TMD系統進行分析。對加裝TMD系統的高聳塔進行諧響應分析，獲得最優的系統參數。(3) TMD系統質量與高聳塔質量的最佳質量比的確定
采用有限元分析軟件ANSYS結果表明風振控制效果隨質量比的增大而提高，但質量比增大到一定程度，風振控制的效果已經不明顯，一般質量比取I. 0%到2. 0%。(4)最佳頻率比的確定
風振控制效果與頻率比(即TMD系統的頻率與高聳塔一階固有頻率的比值)的確定。有限元分析結果表明隨頻率比的不同，風振控制效果也不同，當頻率比0.9到I. I附近時，控制效果最好。(5)最佳阻尼系數的確定
有限元分析結果表明風振控制效果隨TMD的阻尼器阻尼系數的增大而提高，但阻尼系數增大到一定程度，控制效果反而隨阻尼系數的增大而降低。一般阻尼系數選取40-100kg/mm*s0(6)結構風誘導振動減振效果分析
采用最佳TMD系統布置形式和最佳質量比、頻率比和阻尼器后，利用有限元分析高聳塔在風載荷作用下的振動響應，可以確定高聳塔的風誘導振動明顯減輕。具體實例
某高聳塔為沿海地區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，裙座內徑為$ 2400/$ 4000mm，塔體內徑為￠2400，塔體壁厚為14臟，裙座壁厚為16mm，上下封頭均為標準橢圓形封頭，塔體總重69. 93噸。該塔屬于高聳高柔結構，安裝就位后，在風載荷作用下有明顯的振動效應，嚴重影響了結構的安全可靠性。(I)確定將TMD系統安裝在該第一萃取精餾塔頂層，TMD系統中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量單元可以對所述TMD系統和第一萃取精餾塔進行分析。對加裝TMD控制系統的精餾塔進行諧響應分析，以確定最佳的TMD系統的最佳質量比、頻率比和阻尼器。 (2) TMD系統質量與第一萃取精餾塔質量最佳質量比的確定
圖5是風振控制效果與質量比(即TMD系統總質量與塔體總質量的比值)的關系圖。本例取質量比I. 5%，對應TMD總質量為I. 049噸。( 3 )最佳頻率比的確定
圖6是風振控制效果與頻率比(即TMD系統的頻率與第一萃取精餾塔一階固有頻率的比值)的關系圖。本例取頻率比0. 99，對應彈簧系統剛度系數為2. 68N/mm。
(4)最佳阻尼系數的確定
圖7是風振控制效果與阻尼系數的關系圖。本例取阻尼系數為64Kg/mm*s。(5)結構風誘導振動減振效果分析
采用TMD系統布置方式III或布置方式IV和TMD系統的最佳質量比、頻率比和阻尼器。利用有限元分析了精餾塔在風載荷作用下的振動響應。計算結果表明，對風誘導振動的控制效果可達到64%，滿足結構設計安全控制的目標。 上述的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置及其方法，設計合理，與傳統的減振控制技術相比，本發明優越性在于
I) TMD系統主要有質量塊、彈簧系統、阻尼系統組成，TMD質量塊可以利用水箱、混凝土塊或裝鉛的鋼箱，彈簧系統可用普通的螺旋彈簧或氣動彈簧，阻尼器通常用油壓阻尼器；不同于麻煩且昂貴的傳統減振措施，整個TMD系統構造簡單，易于安裝，維護方便且造價低廉
MTv o2) TMD系統減振機理明確，控制效果顯著，能有效減小主結構振動響應，在合理選取質量、剛度系數、阻尼系數等系統參數的情況下，研究表明它對結構風振控制的最佳效果可達50%以上。3)TMD系統的減振效果十分顯著，因此主結構可以減少加固結構并簡化施工，從而可以節約工程造價并加快施工速度。4)可以充分利用已有的結構設置TMD系統，并對某些難以采取傳統措施進行減振控制的高塔，提供了難以替代的減振策略。
權利要求
1.一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，包括布置在高聳塔設備上的TMD (調諧質量阻尼器)系統，所述TMD系統布置在高聳塔設備的頂部，所述TMD由質量塊、彈簧系統、阻尼器構成，其特征于所述TMD系統包括三個或四個TMD。
2.如權利要求I的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述三個TMD互相間隔 120。。
3.如權利要求I的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述四個TMD互相間隔 90。。
4.如權利要求I的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述TMD系統的質量與所述高聳塔設備的質量的質量比為I. 0%到2. 0%。
5.如權利要求I的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述TMD系統的頻率與所述高聳塔設備一階固有頻率的頻率比為0. 9到I. I。
6.如權利要求I的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，其中所述TMD的阻尼器的阻尼系數為40-100kg/mm*s。
7.一種減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，步驟如下 在高聳塔設備上設置TMD (調諧質量阻尼器)系統，所述TMD系統包括三個或四個TMD ； 調整TMD系統質量與高聳塔設備質量的質量比； 調整TMD系統的頻率與高聳塔設備一階固有頻率的頻率比； 調整TMD的阻尼器阻尼系數。
8.如權利要求7的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中所述三個TMD設置成互相間隔120°。
9.如權利要求7的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中所述四個TMD設置成互相間隔90°。
10.如權利要求7的一種減輕高聳塔設備風誘導振動的方法，其中調整所述TMD系統質量與所高聳塔設備質量的質量比為I. 0%到2. 0%。
全文摘要
本發明提供一種減輕高聳塔設備風誘導振動的裝置，包括布置在高聳塔設備上的TMD(調諧質量阻尼器)系統，所述TMD系統布置在高聳塔設備的頂部，所述TMD由質量塊、彈簧系統、阻尼器構成，所述TMD系統包括三個或四個TMD，本發明還提供了一種減輕高聳塔設備風誘導振動的方法。整個TMD系統構造簡單，易于安裝，維護方便且造價低廉。
文檔編號E04B1/98GK102644337SQ201210147768
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者丁振宇, 朱曉升, 陳冰冰, 高增梁 申請人:浙江工業大學