建筑质量调谐阻尼器和调频液体阻尼器

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1、 目录目录l调谐质量阻尼器调谐质量阻尼器由由质块质块，弹簧弹簧与与阻尼系统阻尼系统组成。组成。l当结构在外激励作用下产生振动时，带动当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMDTMD系统一系统一起振动，起振动，TMDTMD系统产生的惯性力反作用到结构上，调谐系统产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对主结构的振动产生调谐作用，从这个惯性力，使其对主结构的振动产生调谐作用，从而达到减小结构振动反应的目的。而达到减小结构振动反应的目的。TMDTMD结构应用的现代思想的结构应用的现代思想的最早来源最早来源是是FrahmFrahm在在19091909年研究的动力吸振器。年研究的动力吸振器。Fr

2、ahmFrahm的吸振器的图解见图的吸振器的图解见图7 71 1，它，它由一个小质量由一个小质量m m和一个刚度为和一个刚度为A A的弹的弹簧连接于弹簧刚度为簧连接于弹簧刚度为K K的主质量的主质量M M。在简谐荷载下，当所连接的吸振器在简谐荷载下，当所连接的吸振器的的固有频率固有频率被确定为被确定为激励频率激励频率时，时，主质量主质量M M能能保持完全静止保持完全静止。l研究者们尝试了通过引入研究者们尝试了通过引入非线性吸振器弹簧非线性吸振器弹簧来来加宽调谐加宽调谐频率范围频率范围，Roberson(1962)Roberson(1962)研究了将动力吸振器支承于主研究了将动力吸振器支承于主系

3、统的没有阻尼的线性弹簧上的动力响应。他将系统的没有阻尼的线性弹簧上的动力响应。他将“消除带消除带”定义为定义为主系统幅值小于主系统幅值小于1 1的共振峰值之间的频率带。的共振峰值之间的频率带。非线性非线性吸振器吸振器的这个带宽很清楚地表明了的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要宽得多比线性吸振器要宽得多。lPipes(1953)Pipes(1953)研究了有双曲正弦特征的强化弹簧，并得出研究了有双曲正弦特征的强化弹簧，并得出弹簧中非线性的影响是要弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰阻止尖锐共振峰的出现，并将相的出现，并将相对小幅值的奇次谐分量引入吸振器和主系统的运动中。对小幅值的奇次谐分量引入

4、吸振器和主系统的运动中。lSnowdonSnowdon研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能，研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能，表明采用表明采用恒定阻尼系数材料恒定阻尼系数材料和和刚度正比于频率刚度正比于频率的动力吸振的动力吸振器能显著的减小主系统的共振振动，其性能明显优于弹器能显著的减小主系统的共振振动，其性能明显优于弹簧簧阻尼筒型吸振器。阻尼筒型吸振器。lSrinivasanSrinivasan分析了分析了平行阻尼动力吸振器平行阻尼动力吸振器，即一个辅助无，即一个辅助无阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下，当阻尼阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下，当阻尼频率被精确调

5、谐到激励频率时，主系统将保持静止，但在频率被精确调谐到激励频率时，主系统将保持静止，但在该情况下，消除带也变小了。该情况下，消除带也变小了。lSnowdonSnowdon研究了其他可能的吸振器形式，如研究了其他可能的吸振器形式，如三单元吸振器三单元吸振器，显示如果第三单元与阻尼器串联，主系统幅值能减小显示如果第三单元与阻尼器串联，主系统幅值能减小15153030，但这种减小对频率是非常敏感的，在实际中它，但这种减小对频率是非常敏感的，在实际中它将影响吸振器的性能。将影响吸振器的性能。lIoiIoi和和IkedaIkeda提出了主系统在小阻尼情况下吸振器参数优提出了主系统在小阻尼情况下吸振器参数

6、优化的经验公式。化的经验公式。RandallRandall等提出了在系统中考虑阻尼影响等提出了在系统中考虑阻尼影响的这些参数的设计图表。的这些参数的设计图表。WarburtonWarburton和和AyorindeAyorinde则进一步则进一步用表列出了用表列出了最大动力放大因子最大动力放大因子、调谐频率比调谐频率比及及特定质量比特定质量比和和主系统阻尼比主系统阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。的吸振器阻尼比的优化值。l台北台北101101大厦是目前世界第一高楼，总高度大厦是目前世界第一高楼，总高度502m502m，共，共100100层，在层，在8787层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆，

7、层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆，可减振可减振 40 60 (风振或地震风振或地震)；l阿联酋阿联酋2828层七星级大酒店，为了抵抗地震和风振，在弧层七星级大酒店，为了抵抗地震和风振，在弧形支撑杆内安装了单自由形支撑杆内安装了单自由 度摆动的度摆动的TMDTMD系统，实现减振。系统，实现减振。l近近20年来，国内外学者针对单个年来，国内外学者针对单个TMD系统的理论和技术方法，提出了系统的理论和技术方法，提出了多 调 谐 质 量 阻 尼 器多 调 谐 质 量 阻 尼 器 的 概 念，简 称的 概 念，简 称MTMD。MTMD系统可对受较宽频带系统可对受较宽频带的外激励的结构进行振动控制

8、，效果的外激励的结构进行振动控制，效果明显。上海青浦电视塔高明显。上海青浦电视塔高168m，在离，在离地面地面137.5m的一段悬挂的一段悬挂11个质量摆个质量摆，这这 1 1 个 质 量 摆 的 自 振 周 期 为个 质 量 摆 的 自 振 周 期 为0.398Hz0.487Hz，它们组成的频带，它们组成的频带与风激励所产生的电视塔与风激励所产生的电视塔振动频带基振动频带基本吻合本吻合，经测试发现，电视塔天线端，经测试发现，电视塔天线端位移的位移的控制效果为控制效果为20.3，塔楼的，塔楼的加速加速度反应最大值的度反应最大值的控制效果控制效果为为36.4。地震动时程l现阶段，国内外学者对现阶

9、段，国内外学者对TMD系统进行了改进和扩展，形系统进行了改进和扩展，形成了利用成了利用结构内部的设备、装置等结构内部的设备、装置等作为质量体对结构的作为质量体对结构的振动能量进行消耗，简称振动能量进行消耗，简称ETMD。此系统克服了。此系统克服了TMD系系统需要增加额外质量的不足，减轻了系统承载的负担。统需要增加额外质量的不足，减轻了系统承载的负担。目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制。其优点目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制。其优点是是调谐质量与平台剩余质量之比可达调谐质量与平台剩余质量之比可达200以上以上，是普通，是普通TMD系统的系统的40倍，减振效果良好。倍，减振效果良好。

10、地震动时程l能有效衰减主结构的振动反应能有效衰减主结构的振动反应：在合理选取质量、刚度：在合理选取质量、刚度系数、阻尼比等结构体系调谐参数的情况下，主结构的地系数、阻尼比等结构体系调谐参数的情况下，主结构的地震反应（位移、加速度）可衰减震反应（位移、加速度）可衰减3060，可有效衰减，可有效衰减主结构在各种外部振动冲击下（地震、风、海浪等）的振主结构在各种外部振动冲击下（地震、风、海浪等）的振动反应；动反应；l可以充分利用主结构已有的结构作为可以充分利用主结构已有的结构作为TMD系统，系统，不必专不必专门设置调谐装置；门设置调谐装置；l采用采用TMD系统对于系统对于某些难以采取传统加强措施的结

11、构某些难以采取传统加强措施的结构，如高层结构、高层塔架结构、大跨度结构、海洋平台等重如高层结构、高层塔架结构、大跨度结构、海洋平台等重大结构，提供了一条难以替代的减振措施；大结构，提供了一条难以替代的减振措施；l节省工程造价节省工程造价：由于：由于TMD系统对主结构的减振作用明显，系统对主结构的减振作用明显，所以主结构可以所以主结构可以减小构件截面尺寸、减小配筋、简化施工；减小构件截面尺寸、减小配筋、简化施工；l不仅适用于新建结构的减振控制，而且也适用于不仅适用于新建结构的减振控制，而且也适用于已有建已有建筑的减振控制。筑的减振控制。l对于某个对于某个TMD系统，应尽量以控制主结构的系统，应尽

12、量以控制主结构的低阶振型低阶振型为为目标；目标；l单个单个TMD用于结构控制时其用于结构控制时其有效频率较窄有效频率较窄，控制效果不，控制效果不稳定。可以通过稳定。可以通过增加增加TMD系统的数量系统的数量以应对较宽频带的激以应对较宽频带的激励；励；l对于以某一振型为主要控制目标的对于以某一振型为主要控制目标的TMD系统，其最优装系统，其最优装设位置是设位置是该振型最大反应向量的质点处该振型最大反应向量的质点处；l对于具有对于具有多个振型多个振型的主结构减振控制，可以适当的主结构减振控制，可以适当增大增大 TMD系统的系统的阻尼阻尼或者设置或者设置多个多个TMD系统。系统。调频液体阻尼器调频液

13、体阻尼器(Tuned Liquid Damper(Tuned Liquid Damper，简称，简称TLD)TLD)是是一种被动耗能减振装置，近年来进行了大量的研究和一种被动耗能减振装置，近年来进行了大量的研究和应用。调谐液体阻尼器利用应用。调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃动固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造简其具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点，优点，可兼作供水水箱使用可兼作供水水箱使用。TLDTLD减振控制理论依据水箱水的水深与水箱振动方向的比减振

14、控制理论依据水箱水的水深与水箱振动方向的比值可分为值可分为浅水理论浅水理论和和深水理论深水理论。l浅水理论由于水深较浅，考虑液体运动的非线性，浅水理论由于水深较浅，考虑液体运动的非线性，液面液面晃荡大晃荡大从而从而加大了结构的阻尼加大了结构的阻尼，产生减振效果，但浅水水，产生减振效果，但浅水水箱只适合做阻尼器，箱只适合做阻尼器，不适合其它用途不适合其它用途，所以生活、消防等，所以生活、消防等所需的水箱需要专门的大空间来放置，提高了工程造价，所需的水箱需要专门的大空间来放置，提高了工程造价，因此比较适合塔式等高耸结构因此比较适合塔式等高耸结构;l深水理论卞要假设是深水理论卞要假设是液面运动是微幅

15、液面运动是微幅的，用线性理论来的，用线性理论来刻画液体的运动，与之对应的深水水箱则可以刻画液体的运动，与之对应的深水水箱则可以方便地用生方便地用生活水箱改装活水箱改装，既不用制作专门的水箱，也不需要额外的盛，既不用制作专门的水箱，也不需要额外的盛放空间，造价低，适合生活、办公用的高层建筑。放空间，造价低，适合生活、办公用的高层建筑。l第一个在高层建筑中应用第一个在高层建筑中应用TLDTLD来减少风振反应的例子是日来减少风振反应的例子是日本横滨的本横滨的“Shin Yokohama PrinceShin Yokohama Prince旅馆旅馆”。在它的顶部安。在它的顶部安装了水箱作为装了水箱作为

16、TLD.TLD.l如图所示。大连地区由于临海，存在风力较大的情况。如图所示。大连地区由于临海，存在风力较大的情况。当地的基本风压可达当地的基本风压可达0.75kN/m0.75kN/m2 2。大连国贸大厦的高宽比为。大连国贸大厦的高宽比为6.7,6.7,横向较柔，风振影响大，为减小横向振幅和最大加速度，横向较柔，风振影响大，为减小横向振幅和最大加速度，提高结构整体的安全度和顶层风振的舒适度，在该结构中提高结构整体的安全度和顶层风振的舒适度，在该结构中配置水箱设计成了减振控制装置配置水箱设计成了减振控制装置TLD.TLD.l为提高为提高TLD的减振效果，的减振效果，Fujino等利用多个水箱作为等

17、利用多个水箱作为TLD(简称简称MTLD)进行进行MTLD结构减振体系的研究结构减振体系的研究.水箱被水箱被分为若干个小水箱分为若干个小水箱(如图如图6)，图，图7是是STLD系统与系统与MTLD系统系统的能量耗散随频率比的变化。的能量耗散随频率比的变化。l经济经济:基本上不增加或只增加很少的土建费用就可以达到基本上不增加或只增加很少的土建费用就可以达到 减振的目的减振的目的;l简单易行简单易行:可方便地将盛水容器放置在建筑物上可方便地将盛水容器放置在建筑物上;l适用于适用于短期和长期短期和长期使用使用;l较少的维护费用较少的维护费用;l多用途多用途:利用水箱可同时作为供水装置和阻尼器。利用水箱可同时作为供水装置和阻尼器。