[发明专利]一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于高层建筑设备减振领域，更具体地为一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置和方法。

背景技术

塔体的剧烈振动会使塔体产生严重弯曲、倾斜、塔板效率下降，导致无法维持正常的生产运行而造成严重的经济损失。持续而剧烈的振动还会造成塔体裙座应力变化幅度过大形成疲劳裂纹，导致设备的开裂破坏，甚至会造成人员的伤亡，引发严重的安全事故。我国大型石化企业多建在沿海地区，生产装置常承受台风等风载荷的作用，风诱导振动导致的塔设备破坏更为突出，风诱导振动导致设备破坏的事故已多次发生。石化生产装置的建设周期长达几年，不少设备现场安装就位后要空置一段时间后才能投入生产。空置塔设备内没有物料，对风诱导振动的阻尼不同于操作状态下的设备，即使进行了合理的操作条件下的抗振动设计，塔设备也可能在空置期间发生风诱导振动而破坏。因此，对由风诱导产生的高塔设备振动的研究和振动控制装置的研发是一个亟待解决的实际问题。

目前，减振的主要思路是通过采用各种措施，达到增加结构的阻尼、刚度、固有频率，或影响结构周围卡门涡街的形成，从而达到避免结构出现诱导振动的目的。常规减振方法如下：

主要通过降低塔高，增大内径，或增加塔的厚度，可增大塔的固有频率，但这很大程度上取决于工艺条件许可的情况下进行，而且会增加塔的制造成本。

采用拉索控制，交叉支撑等方式来使塔器固定，以减弱塔器的振动，但这种方法往往受场地空间的限制而不易实现。

沿塔体周围焊接一些螺旋式或轴向式翅片可以消除涡旋的形成或改变涡旋的脱落方式，从而减弱风诱导振动。但塔器通常有外保温层，且安装有众多的附件，所以这种方法实际操作起来往往困难很大，且成本较大。

合理布置塔器的梯子、平台、管线和其他附件，有利于消除或破坏卡门涡街的形成，这是一种减缓或消除风诱导振动的措施，但大多依赖于人员的工程经验，并无很好的理论依据及实施方法。

以上这些措施在工程实践中的运用表明，很多情况下仅采取这种措施是远远不够的。

近年来，结构风振控制的理论与实践应用都得到了飞速发展，其中的被动控制技术因其减振机理明确、控制效果显著、经济效益可观的优点，一直是世界各国学者的研究重点，该技术已日趋成熟。

调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper），简称TMD，是最常用的一种被动控制系统，在生产实践中得到了广泛应用。它是在结构物顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构相连。调谐质量阻尼器的振动频率接近主结构的频率，控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到动力吸振的目的，应用阻尼结构不断消耗主结构和子结构的能量来降低主结构的动力响应。

如图1，为了说明TMD系统的吸振原理，将被控的主结构系统和TMD子系统模型简化为两自由度的质量、弹簧、阻尼系统。该系统的运动方程为：

其中，为被控主结构的质量，为被控制结构的刚度系数，为被控主结构的阻尼系数，为被控主结构离开平衡位置的位移；为TMD系统的质量，为TMD系统的刚度系数，为TMD系统的阻尼系数，为TMD系统离开平衡位置的位移；设主结构受简谐激励，频率为。

可求得运动方程的解为：

显然，通过选取适当的TMD系统参数、和，可以有效地减小被控主结构的振动响应，极大地提高设备的安全性能。

TMD作为一种被动控制方式，因其构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，不需要外力，并且控制效果明显，有着其他方式无法比拟的优点，因此在高层建筑和高耸结构抗风控制中有广阔应用前景。但是不同的TMD系统对主结构的减震率也不同，如果TMD系统结构布置不适当，TMD的质量，频率和阻尼器阻尼选择不佳，减震率不高，减震效果不明显。

发明内容

为了提高减震率，本发明提供一种减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，包括布置在高耸塔设备上的TMD（调谐质量阻尼器）系统，所述TMD系统布置在高耸塔设备的顶部，所述TMD由质量块、弹簧系统、阻尼器构成，其特征于：所述TMD系统包括三个或四个TMD。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述三个TMD互相间隔120°。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述四个TMD互相间隔90°。

所述减轻高耸塔设备风诱导振动的装置，其中所述TMD系统的质量与所述高耸塔设备的质量的质量比为1.0%到2.0%。