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(dāng) 結(jié) 構(gòu) 在 外 激 勵(lì) 作 用 下 產(chǎn) 生 振 動(dòng) 時(shí) ， 帶 動(dòng) TMD系 統(tǒng) 一起 振 動(dòng) ， TMD系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 的 慣 性 力 反 作 用 到 結(jié) 構(gòu) 上 ， 調(diào) 諧這 個(gè) 慣 性 力 ， 使 其 對(duì) 主 結(jié) 構(gòu) 的 振 動(dòng) 產(chǎn) 生 調(diào) 諧 作 用 ， 從而 達(dá) 到 減 小 結(jié) 構(gòu) 振 動(dòng) 反 應(yīng) 的 目 的 。 TMD結(jié) 構(gòu) 應(yīng) 用 的 現(xiàn) 代 思 想 的 最 早 來 源是 Frahm在 1909年 研 究 的 動(dòng) 力 吸 振 器 。Frahm的 吸 振 器 的 圖 解 見 圖 7

2、1， 它由 一 個(gè) 小 質(zhì) 量 m和 一 個(gè) 剛 度 為 A的 彈簧 連 接 于 彈 簧 剛 度 為 K的 主 質(zhì) 量 M。在 簡(jiǎn) 諧 荷 載 下 ， 當(dāng) 所 連 接 的 吸 振 器的 固 有 頻 率 被 確 定 為 激 勵(lì) 頻 率 時(shí) ，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(dòng) 力 吸 振 器 支 承 于 主系 統(tǒng) 的 沒 有 阻 尼 的 線 性 彈 簧 上 的 動(dòng) 力 響 應(yīng) 。 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(gè) 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(qiáng) 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(duì) 小 幅 值 的 奇 次 諧 分 量 引 入 吸 振 器 和 主 系 統(tǒng) 的 運(yùn) 動(dòng) 中 。 lSnowdon研 究 了 固 體 型 吸 振 器 對(duì) 減 小 主 系 統(tǒng) 響 應(yīng) 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(dòng) 力 吸 振器 能 顯 著 的 減 小 主 系 統(tǒng) 的 共 振 振 動(dòng) ， 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(dòng) 力 吸 振 器 ， 即 一 個(gè) 輔 助 無阻 尼 質(zhì) 量 平 行 加 裝 于 一 個(gè) 吸 振 器 。 在 這 種 情 況 下 ， 當(dāng) 阻 尼頻 率 被 精 確 調(diào) 諧 到 激 勵(lì) 頻 率 時(shí) ， 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(duì) 頻 率 是 非 常 敏 感 的 ， 在 實(shí) 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(yàn) 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(shè) 計(jì) 圖 表 。 Warburton和 Ayorinde則 進(jìn) 一 步用 表 列 出 了 最 大 動(dòng) 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(tái) 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(gè) 房 間 內(nèi) 掛 有 一 個(gè) 端 部 帶 阻 尼 的 大 復(fù) 擺 ，可 減 振 40 60 (風(fēng) 振 或 地 震 )； l阿 聯(lián) 酋 28層 七 星 級(jí) 大 酒 店 ， 為 了 抵 抗 地 震 和 風(fēng) 振 ， 在 弧形 支 撐 桿 內(nèi) 安 裝 了 單 自 由 度 擺 動(dòng) 的 TMD系 統(tǒng) ， 實(shí) 現(xiàn) 減 振 。 l近 20年 來 ， 國

7、內(nèi) 外 學(xué) 者 針 對(duì) 單 個(gè)TMD系 統(tǒng) 的 理 論 和 技 術(shù) 方 法 ， 提 出 了多 調(diào) 諧 質(zhì) 量 阻 尼 器 的 概 念 ， 簡(jiǎn) 稱MTMD。 MTMD系 統(tǒng) 可 對(duì) 受 較 寬 頻 帶的 外 激 勵(lì) 的 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 振 動(dòng) 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(gè) 質(zhì) 量 擺 ，這 1 1 個(gè) 質(zhì) 量 擺 的 自 振 周 期 為0.398Hz0.487Hz， 它 們 組 成 的 頻 帶與 風(fēng) 激 勵(lì) 所 產(chǎn) 生 的 電 視 塔 振 動(dòng) 頻 帶 基本 吻 合 ， 經(jīng) 測(cè) 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(yīng) 最 大 值 的 控 制 效 果 為 36.4 。地震動(dòng)時(shí)程 l現(xiàn) 階 段 ， 國 內(nèi) 外 學(xué) 者 對(duì) TMD系 統(tǒng) 進(jìn) 行 了 改 進(jìn) 和 擴(kuò) 展 ， 形成 了 利 用 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 部 的 設(shè) 備 、 裝 置 等 作 為 質(zhì) 量 體 對(duì) 結(jié) 構(gòu) 的振 動(dòng) 能 量 進(jìn) 行 消 耗 ， 簡(jiǎn) 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(fù) 擔(dān) 。目 前 該 系 統(tǒng) 已 經(jīng) 被 應(yīng) 用 于 海 洋 平 臺(tái) 的 振 動(dòng) 控 制

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

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

11、 的 減 振 控 制 ， 而 且 也 適 用 于 已 有 建筑 的 減 振 控 制 。 l對(duì) 于 某 個(gè) TMD系 統(tǒng) ， 應(yīng) 盡 量 以 控 制 主 結(jié) 構(gòu) 的 低 階 振 型 為目 標(biāo) ；l單 個(gè) TMD用 于 結(jié) 構(gòu) 控 制 時(shí) 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(yīng) 對(duì) 較 寬 頻 帶 的 激勵(lì) ；l對(duì) 于 以 某 一 振 型 為 主 要 控 制 目 標(biāo) 的 TMD系 統(tǒng) ， 其 最 優(yōu) 裝設(shè) 位 置 是 該 振 型 最 大 反 應(yīng) 向 量 的 質(zhì) 點(diǎn) 處 ；l對(duì) 于 具 有 多 個(gè) 振 型 的 主 結(jié) 構(gòu)

12、 減 振 控 制 ， 可 以 適 當(dāng) 增 大 TMD系 統(tǒng) 的 阻 尼 或 者 設(shè) 置 多 個(gè) TMD系 統(tǒng) 。 調(diào) 頻 液 體 阻 尼 器 (Tuned Liquid Damper， 簡(jiǎn) 稱 TLD)是一 種 被 動(dòng) 耗 能 減 振 裝 置 ， 近 年 來 進(jìn) 行 了 大 量 的 研 究 和應(yīng) 用 。 調(diào) 諧 液 體 阻 尼 器 利 用 固 定 水 箱 中 的 液 體 在 晃 動(dòng)過 程 中 產(chǎn) 生 的 動(dòng) 側(cè) 力 來 提 供 減 振 作 用 。 其 具 有 構(gòu) 造 簡(jiǎn)單 ， 安 裝 容 易 ， 自 動(dòng) 激 活 性 能 好 ， 不 需 要 啟 動(dòng) 裝 置 等優(yōu) 點(diǎn) ， 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(dòng) 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(yùn) 動(dòng) 的 非 線 性 ， 液 面晃 蕩 大 從 而 加 大 了 結(jié) 構(gòu) 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(jià) ，因 此 比 較 適 合 塔 式 等 高 聳

14、結(jié) 構(gòu) ;l深 水 理 論 卞 要 假 設(shè) 是 液 面 運(yùn) 動(dòng) 是 微 幅 的 ， 用 線 性 理 論 來刻 畫 液 體 的 運(yùn) 動(dòng) ， 與 之 對(duì) 應(yīng) 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(jià) 低 ， 適 合 生 活 、 辦 公 用 的 高 層 建 筑 。 l第 一 個(gè) 在 高 層 建 筑 中 應(yīng) 用 TLD來 減 少 風(fēng) 振 反 應(yīng) 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(fēng) 力 較 大 的 情 況 。當(dāng) 地 的 基 本 風(fēng) 壓 可 達(dá) 0.75kN/m2。 大 連 國 貿(mào) 大 廈 的 高 寬 比 為6.7,橫 向 較 柔 ， 風(fēng) 振 影 響 大 ， 為 減 小 橫 向 振 幅 和 最 大 加 速 度 ，提 高 結(jié) 構(gòu) 整 體 的 安 全 度 和 頂 層 風(fēng) 振 的 舒 適 度 ， 在 該 結(jié) 構(gòu) 中配 置 水 箱 設(shè) 計(jì) 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(gè) 水 箱 作 為TLD(簡(jiǎn) 稱 MTLD)進(jìn) 行 MTLD結(jié) 構(gòu) 減 振 體 系 的 研 究 .水 箱 被分 為 若 干 個(gè) 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(jì) :基 本 上 不 增 加 或 只 增 加 很 少 的 土 建 費(fèi) 用 就 可 以 達(dá) 到 減 振 的 目 的 ;l簡(jiǎn) 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(hù) 費(fèi) 用 ;l多 用 途 :利 用 水 箱 可 同 時(shí) 作 為 供 水 裝 置 和 阻 尼 器 。