質(zhì)量調(diào)諧阻尼器和調(diào)頻液體阻尼器

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1、 目 錄 l調(diào) 諧 質(zhì) 量 阻 尼 器 由 質(zhì) 塊 ， 彈 簧 與 阻 尼 系 統(tǒng) 組 成 。l當 結 構 在 外 激 勵 作 用 下 產(chǎn) 生 振 動 時 ， 帶 動 TMD系 統(tǒng) 一起 振 動 ， TMD系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 的 慣 性 力 反 作 用 到 結 構 上 ， 調(diào) 諧這 個 慣 性 力 ， 使 其 對 主 結 構 的 振 動 產(chǎn) 生 調(diào) 諧 作 用 ， 從而 達 到 減 小 結 構 振 動 反 應 的 目 的 。 TMD結 構 應 用 的 現(xiàn) 代 思 想 的 最 早 來 源是 Frahm在 1909年 研 究 的 動 力 吸 振 器 。Frahm的 吸 振 器 的 圖 解 見 圖 7

2、1， 它由 一 個 小 質(zhì) 量 m和 一 個 剛 度 為 A的 彈簧 連 接 于 彈 簧 剛 度 為 K的 主 質(zhì) 量 M。在 簡 諧 荷 載 下 ， 當 所 連 接 的 吸 振 器的 固 有 頻 率 被 確 定 為 激 勵 頻 率 時 ，主 質(zhì) 量 M能 保 持 完 全 靜 止 。 l研 究 者 們 嘗 試 了 通 過 引 入 非 線 性 吸 振 器 彈 簧 來 加 寬 調(diào) 諧頻 率 范 圍 ， Roberson(1962)研 究 了 將 動 力 吸 振 器 支 承 于 主系 統(tǒng) 的 沒 有 阻 尼 的 線 性 彈 簧 上 的 動 力 響 應 。 他 將 “ 消 除 帶 ”定 義 為 主 系

3、 統(tǒng) 幅 值 小 于 1的 共 振 峰 值 之 間 的 頻 率 帶 。 非 線 性吸 振 器 的 這 個 帶 寬 很 清 楚 地 表 明 了 比 線 性 吸 振 器 要 寬 得 多 。lPipes(1953)研 究 了 有 雙 曲 正 弦 特 征 的 強 化 彈 簧 ， 并 得 出彈 簧 中 非 線 性 的 影 響 是 要 阻 止 尖 銳 共 振 峰 的 出 現(xiàn) ， 并 將 相對 小 幅 值 的 奇 次 諧 分 量 引 入 吸 振 器 和 主 系 統(tǒng) 的 運 動 中 。 lSnowdon研 究 了 固 體 型 吸 振 器 對 減 小 主 系 統(tǒng) 響 應 的 性 能 ，表 明 采 用 恒 定 阻

4、 尼 系 數(shù) 材 料 和 剛 度 正 比 于 頻 率 的 動 力 吸 振器 能 顯 著 的 減 小 主 系 統(tǒng) 的 共 振 振 動 ， 其 性 能 明 顯 優(yōu) 于 彈簧 阻 尼 筒 型 吸 振 器 。lSrinivasan分 析 了 平 行 阻 尼 動 力 吸 振 器 ， 即 一 個 輔 助 無阻 尼 質(zhì) 量 平 行 加 裝 于 一 個 吸 振 器 。 在 這 種 情 況 下 ， 當 阻 尼頻 率 被 精 確 調(diào) 諧 到 激 勵 頻 率 時 ， 主 系 統(tǒng) 將 保 持 靜 止 ， 但 在該 情 況 下 ， 消 除 帶 也 變 小 了 。 lSnowdon研 究 了 其 他 可 能 的 吸 振

5、器 形 式 ， 如 三 單 元 吸 振 器 ，顯 示 如 果 第 三 單 元 與 阻 尼 器 串 聯(lián) ， 主 系 統(tǒng) 幅 值 能 減 小 15 30 ， 但 這 種 減 小 對 頻 率 是 非 常 敏 感 的 ， 在 實 際 中 它將 影 響 吸 振 器 的 性 能 。lIoi和 Ikeda提 出 了 主 系 統(tǒng) 在 小 阻 尼 情 況 下 吸 振 器 參 數(shù) 優(yōu)化 的 經(jīng) 驗 公 式 。 Randall等 提 出 了 在 系 統(tǒng) 中 考 慮 阻 尼 影 響的 這 些 參 數(shù) 的 設 計 圖 表 。 Warburton和 Ayorinde則 進 一 步用 表 列 出 了 最 大 動 力 放 大

6、 因 子 、 調(diào) 諧 頻 率 比 及 特 定 質(zhì) 量 比和 主 系 統(tǒng) 阻 尼 比 的 吸 振 器 阻 尼 比 的 優(yōu) 化 值 。 l臺 北 101大 廈 是 目 前 世 界 第 一 高 樓 ， 總 高 度 502m， 共 100層 ， 在 87層 的 一 個 房 間 內(nèi) 掛 有 一 個 端 部 帶 阻 尼 的 大 復 擺 ，可 減 振 40 60 (風 振 或 地 震 )； l阿 聯(lián) 酋 28層 七 星 級 大 酒 店 ， 為 了 抵 抗 地 震 和 風 振 ， 在 弧形 支 撐 桿 內(nèi) 安 裝 了 單 自 由 度 擺 動 的 TMD系 統(tǒng) ， 實 現(xiàn) 減 振 。 l近 20年 來 ， 國

7、內(nèi) 外 學 者 針 對 單 個TMD系 統(tǒng) 的 理 論 和 技 術 方 法 ， 提 出 了多 調(diào) 諧 質(zhì) 量 阻 尼 器 的 概 念 ， 簡 稱MTMD。 MTMD系 統(tǒng) 可 對 受 較 寬 頻 帶的 外 激 勵 的 結 構 進 行 振 動 控 制 ， 效 果明 顯 。 上 海 青 浦 電 視 塔 高 168m， 在 離地 面 137.5m的 一 段 懸 掛 11個 質(zhì) 量 擺 ，這 1 1 個 質(zhì) 量 擺 的 自 振 周 期 為0.398Hz0.487Hz， 它 們 組 成 的 頻 帶與 風 激 勵 所 產(chǎn) 生 的 電 視 塔 振 動 頻 帶 基本 吻 合 ， 經(jīng) 測 試 發(fā) 現(xiàn) ， 電 視

8、 塔 天 線 端位 移 的 控 制 效 果 為 20.3 ， 塔 樓 的 加 速度 反 應 最 大 值 的 控 制 效 果 為 36.4 。地震動時程 l現(xiàn) 階 段 ， 國 內(nèi) 外 學 者 對 TMD系 統(tǒng) 進 行 了 改 進 和 擴 展 ， 形成 了 利 用 結 構 內(nèi) 部 的 設 備 、 裝 置 等 作 為 質(zhì) 量 體 對 結 構 的振 動 能 量 進 行 消 耗 ， 簡 稱 ETMD。 此 系 統(tǒng) 克 服 了 TMD系統(tǒng) 需 要 增 加 額 外 質(zhì) 量 的 不 足 ， 減 輕 了 系 統(tǒng) 承 載 的 負 擔 。目 前 該 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 被 應 用 于 海 洋 平 臺 的 振 動 控 制

9、 。 其 優(yōu) 點是 調(diào) 諧 質(zhì) 量 與 平 臺 剩 余 質(zhì) 量 之 比 可 達 200 以 上 ， 是 普 通TMD系 統(tǒng) 的 40倍 ， 減 振 效 果 良 好 。地震動時程 l能 有 效 衰 減 主 結 構 的 振 動 反 應 ： 在 合 理 選 取 質(zhì) 量 、 剛 度系 數(shù) 、 阻 尼 比 等 結 構 體 系 調(diào) 諧 參 數(shù) 的 情 況 下 ， 主 結 構 的 地震 反 應 （ 位 移 、 加 速 度 ） 可 衰 減 30 60 ， 可 有 效 衰 減主 結 構 在 各 種 外 部 振 動 沖 擊 下 （ 地 震 、 風 、 海 浪 等 ） 的 振動 反 應 ；l可 以 充 分 利 用

10、主 結 構 已 有 的 結 構 作 為 TMD系 統(tǒng) ， 不 必 專門 設 置 調(diào) 諧 裝 置 ；l采 用 TMD系 統(tǒng) 對 于 某 些 難 以 采 取 傳 統(tǒng) 加 強 措 施 的 結 構 ，如 高 層 結 構 、 高 層 塔 架 結 構 、 大 跨 度 結 構 、 海 洋 平 臺 等 重大 結 構 ， 提 供 了 一 條 難 以 替 代 的 減 振 措 施 ；l節(jié) 省 工 程 造 價 ： 由 于 TMD系 統(tǒng) 對 主 結 構 的 減 振 作 用 明 顯 ，所 以 主 結 構 可 以 減 小 構 件 截 面 尺 寸 、 減 小 配 筋 、 簡 化 施 工 ；l不 僅 適 用 于 新 建 結 構

11、 的 減 振 控 制 ， 而 且 也 適 用 于 已 有 建筑 的 減 振 控 制 。 l對 于 某 個 TMD系 統(tǒng) ， 應 盡 量 以 控 制 主 結 構 的 低 階 振 型 為目 標 ；l單 個 TMD用 于 結 構 控 制 時 其 有 效 頻 率 較 窄 ， 控 制 效 果 不穩(wěn) 定 。 可 以 通 過 增 加 TMD系 統(tǒng) 的 數(shù) 量 以 應 對 較 寬 頻 帶 的 激勵 ；l對 于 以 某 一 振 型 為 主 要 控 制 目 標 的 TMD系 統(tǒng) ， 其 最 優(yōu) 裝設 位 置 是 該 振 型 最 大 反 應 向 量 的 質(zhì) 點 處 ；l對 于 具 有 多 個 振 型 的 主 結 構

12、 減 振 控 制 ， 可 以 適 當 增 大 TMD系 統(tǒng) 的 阻 尼 或 者 設 置 多 個 TMD系 統(tǒng) 。 調(diào) 頻 液 體 阻 尼 器 (Tuned Liquid Damper， 簡 稱 TLD)是一 種 被 動 耗 能 減 振 裝 置 ， 近 年 來 進 行 了 大 量 的 研 究 和應 用 。 調(diào) 諧 液 體 阻 尼 器 利 用 固 定 水 箱 中 的 液 體 在 晃 動過 程 中 產(chǎn) 生 的 動 側(cè) 力 來 提 供 減 振 作 用 。 其 具 有 構 造 簡單 ， 安 裝 容 易 ， 自 動 激 活 性 能 好 ， 不 需 要 啟 動 裝 置 等優(yōu) 點 ， 可 兼 作 供 水 水

13、箱 使 用 。 TLD減 振 控 制 理 論 依 據(jù) 水 箱 水 的 水 深 與 水 箱 振 動 方 向 的 比值 可 分 為 淺 水 理 論 和 深 水 理 論 。l淺 水 理 論 由 于 水 深 較 淺 ， 考 慮 液 體 運 動 的 非 線 性 ， 液 面晃 蕩 大 從 而 加 大 了 結 構 的 阻 尼 ， 產(chǎn) 生 減 振 效 果 ， 但 淺 水 水箱 只 適 合 做 阻 尼 器 ， 不 適 合 其 它 用 途 ， 所 以 生 活 、 消 防 等所 需 的 水 箱 需 要 專 門 的 大 空 間 來 放 置 ， 提 高 了 工 程 造 價 ，因 此 比 較 適 合 塔 式 等 高 聳

14、結 構 ;l深 水 理 論 卞 要 假 設 是 液 面 運 動 是 微 幅 的 ， 用 線 性 理 論 來刻 畫 液 體 的 運 動 ， 與 之 對 應 的 深 水 水 箱 則 可 以 方 便 地 用 生活 水 箱 改 裝 ， 既 不 用 制 作 專 門 的 水 箱 ， 也 不 需 要 額 外 的 盛放 空 間 ， 造 價 低 ， 適 合 生 活 、 辦 公 用 的 高 層 建 筑 。 l第 一 個 在 高 層 建 筑 中 應 用 TLD來 減 少 風 振 反 應 的 例 子 是 日本 橫 濱 的 “ Shin Yokohama Prince旅 館 ” 。 在 它 的 頂 部 安裝 了 水 箱

15、 作 為 TLD. l如 圖 所 示 。 大 連 地 區(qū) 由 于 臨 海 ， 存 在 風 力 較 大 的 情 況 。當 地 的 基 本 風 壓 可 達 0.75kN/m2。 大 連 國 貿(mào) 大 廈 的 高 寬 比 為6.7,橫 向 較 柔 ， 風 振 影 響 大 ， 為 減 小 橫 向 振 幅 和 最 大 加 速 度 ，提 高 結 構 整 體 的 安 全 度 和 頂 層 風 振 的 舒 適 度 ， 在 該 結 構 中配 置 水 箱 設 計 成 了 減 振 控 制 裝 置 TLD. l為 提 高 TLD的 減 振 效 果 ， Fujino等 利 用 多 個 水 箱 作 為TLD(簡 稱 MTLD)進 行 MTLD結 構 減 振 體 系 的 研 究 .水 箱 被分 為 若 干 個 小 水 箱 (如 圖 6)， 圖 7是 STLD系 統(tǒng) 與 MTLD系 統(tǒng)的 能 量 耗 散 隨 頻 率 比 的 變 化 。 l經(jīng) 濟 :基 本 上 不 增 加 或 只 增 加 很 少 的 土 建 費 用 就 可 以 達 到 減 振 的 目 的 ;l簡 單 易 行 :可 方 便 地 將 盛 水 容 器 放 置 在 建 筑 物 上 ;l適 用 于 短 期 和 長 期 使 用 ;l較 少 的 維 護 費 用 ;l多 用 途 :利 用 水 箱 可 同 時 作 為 供 水 裝 置 和 阻 尼 器 。