质量调谐阻尼器和调频液体阻尼器

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1、 目 录 l调 谐 质 量 阻 尼 器 由 质 块 ， 弹 簧 与 阻 尼 系 统 组 成 。l当 结 构 在 外 激 励 作 用 下 产 生 振 动 时 ， 带 动 TMD系 统 一起 振 动 ， TMD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 ， 从而 达 到 减 小 结 构 振 动 反 应 的 目 的 。 TMD结 构 应 用 的 现 代 思 想 的 最 早 来 源是 Frahm在 1909年 研 究 的 动 力 吸 振 器 。Frahm的 吸 振 器 的 图 解 见 图 7

2、1， 它由 一 个 小 质 量 m和 一 个 刚 度 为 A的 弹簧 连 接 于 弹 簧 刚 度 为 K的 主 质 量 M。在 简 谐 荷 载 下 ， 当 所 连 接 的 吸 振 器的 固 有 频 率 被 确 定 为 激 励 频 率 时 ，主 质 量 M能 保 持 完 全 静 止 。 l研 究 者 们 尝 试 了 通 过 引 入 非 线 性 吸 振 器 弹 簧 来 加 宽 调 谐频 率 范 围 ， Roberson(1962)研 究 了 将 动 力 吸 振 器 支 承 于 主系 统 的 没 有 阻 尼 的 线 性 弹 簧 上 的 动 力 响 应 。 他 将 “ 消 除 带 ”定 义 为 主 系

3、 统 幅 值 小 于 1的 共 振 峰 值 之 间 的 频 率 带 。 非 线 性吸 振 器 的 这 个 带 宽 很 清 楚 地 表 明 了 比 线 性 吸 振 器 要 宽 得 多 。lPipes(1953)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 阻 止 尖 锐 共 振 峰 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 。 lSnowdon研 究 了 固 体 型 吸 振 器 对 减 小 主 系 统 响 应 的 性 能 ，表 明 采 用 恒 定 阻

4、 尼 系 数 材 料 和 刚 度 正 比 于 频 率 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 弹簧 阻 尼 筒 型 吸 振 器 。lSrinivasan分 析 了 平 行 阻 尼 动 力 吸 振 器 ， 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 。 lSnowdon研 究 了 其 他 可 能 的 吸 振

5、器 形 式 ， 如 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 15 30 ， 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 。lIoi和 Ikeda提 出 了 主 系 统 在 小 阻 尼 情 况 下 吸 振 器 参 数 优化 的 经 验 公 式 。 Randall等 提 出 了 在 系 统 中 考 虑 阻 尼 影 响的 这 些 参 数 的 设 计 图 表 。 Warburton和 Ayorinde则 进 一 步用 表 列 出 了 最 大 动 力 放 大

6、 因 子 、 调 谐 频 率 比 及 特 定 质 量 比和 主 系 统 阻 尼 比 的 吸 振 器 阻 尼 比 的 优 化 值 。 l台 北 101大 厦 是 目 前 世 界 第 一 高 楼 ， 总 高 度 502m， 共 100层 ， 在 87层 的 一 个 房 间 内 挂 有 一 个 端 部 带 阻 尼 的 大 复 摆 ，可 减 振 40 60 (风 振 或 地 震 )； l阿 联 酋 28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 度 摆 动 的 TMD系 统 ， 实 现 减 振 。 l近 20年 来 ， 国

7、内 外 学 者 针 对 单 个TMD系 统 的 理 论 和 技 术 方 法 ， 提 出 了多 调 谐 质 量 阻 尼 器 的 概 念 ， 简 称MTMD。 MTMD系 统 可 对 受 较 宽 频 带的 外 激 励 的 结 构 进 行 振 动 控 制 ， 效 果明 显 。 上 海 青 浦 电 视 塔 高 168m， 在 离地 面 137.5m的 一 段 悬 挂 11个 质 量 摆 ，这 1 1 个 质 量 摆 的 自 振 周 期 为0.398Hz0.487Hz， 它 们 组 成 的 频 带与 风 激 励 所 产 生 的 电 视 塔 振 动 频 带 基本 吻 合 ， 经 测 试 发 现 ， 电 视

8、 塔 天 线 端位 移 的 控 制 效 果 为 20.3 ， 塔 楼 的 加 速度 反 应 最 大 值 的 控 制 效 果 为 36.4 。地震动时程 l现 阶 段 ， 国 内 外 学 者 对 TMD系 统 进 行 了 改 进 和 扩 展 ， 形成 了 利 用 结 构 内 部 的 设 备 、 装 置 等 作 为 质 量 体 对 结 构 的振 动 能 量 进 行 消 耗 ， 简 称 ETMD。 此 系 统 克 服 了 TMD系统 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

9、 。 其 优 点是 调 谐 质 量 与 平 台 剩 余 质 量 之 比 可 达 200 以 上 ， 是 普 通TMD系 统 的 40倍 ， 减 振 效 果 良 好 。地震动时程 l能 有 效 衰 减 主 结 构 的 振 动 反 应 ： 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 地震 反 应 （ 位 移 、 加 速 度 ） 可 衰 减 30 60 ， 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 振动 反 应 ；l可 以 充 分 利 用

10、主 结 构 已 有 的 结 构 作 为 TMD系 统 ， 不 必 专门 设 置 调 谐 装 置 ；l采 用 TMD系 统 对 于 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 重大 结 构 ， 提 供 了 一 条 难 以 替 代 的 减 振 措 施 ；l节 省 工 程 造 价 ： 由 于 TMD系 统 对 主 结 构 的 减 振 作 用 明 显 ，所 以 主 结 构 可 以 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

11、 的 减 振 控 制 ， 而 且 也 适 用 于 已 有 建筑 的 减 振 控 制 。 l对 于 某 个 TMD系 统 ， 应 尽 量 以 控 制 主 结 构 的 低 阶 振 型 为目 标 ；l单 个 TMD用 于 结 构 控 制 时 其 有 效 频 率 较 窄 ， 控 制 效 果 不稳 定 。 可 以 通 过 增 加 TMD系 统 的 数 量 以 应 对 较 宽 频 带 的 激励 ；l对 于 以 某 一 振 型 为 主 要 控 制 目 标 的 TMD系 统 ， 其 最 优 装设 位 置 是 该 振 型 最 大 反 应 向 量 的 质 点 处 ；l对 于 具 有 多 个 振 型 的 主 结 构

12、 减 振 控 制 ， 可 以 适 当 增 大 TMD系 统 的 阻 尼 或 者 设 置 多 个 TMD系 统 。 调 频 液 体 阻 尼 器 (Tuned Liquid Damper， 简 称 TLD)是一 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 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 。 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 等优 点 ， 可 兼 作 供 水 水

13、箱 使 用 。 TLD减 振 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 浅 水 理 论 和 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 ， 液 面晃 荡 大 从 而 加 大 了 结 构 的 阻 尼 ， 产 生 减 振 效 果 ， 但 浅 水 水箱 只 适 合 做 阻 尼 器 ， 不 适 合 其 它 用 途 ， 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 ，因 此 比 较 适 合 塔 式 等 高 耸

14、结 构 ;l深 水 理 论 卞 要 假 设 是 液 面 运 动 是 微 幅 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 方 便 地 用 生活 水 箱 改 装 ， 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 。 l第 一 个 在 高 层 建 筑 中 应 用 TLD来 减 少 风 振 反 应 的 例 子 是 日本 横 滨 的 “ Shin Yokohama Prince旅 馆 ” 。 在 它 的 顶 部 安装 了 水 箱

15、 作 为 TLD. l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 0.75kN/m2。 大 连 国 贸 大 厦 的 高 宽 比 为6.7,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 中配 置 水 箱 设 计 成 了 减 振 控 制 装 置 TLD. l为 提 高 TLD的 减 振 效 果 ， Fujino等 利 用 多 个 水 箱 作 为TLD(简 称 MTLD)进 行 MTLD结 构 减 振 体 系 的 研 究 .水 箱 被分 为 若 干 个 小 水 箱 (如 图 6)， 图 7是 STLD系 统 与 MTLD系 统的 能 量 耗 散 随 频 率 比 的 变 化 。 l经 济 :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 ;l简 单 易 行 :可 方 便 地 将 盛 水 容 器 放 置 在 建 筑 物 上 ;l适 用 于 短 期 和 长 期 使 用 ;l较 少 的 维 护 费 用 ;l多 用 途 :利 用 水 箱 可 同 时 作 为 供 水 装 置 和 阻 尼 器 。