[建筑]質量調諧阻尼器和液體阻尼器

1、 目錄目錄l調諧質量阻尼器調諧質量阻尼器由由質塊質塊，彈簧彈簧與與阻尼系統(tǒng)阻尼系統(tǒng)組成。組成。l當結構在外激勵作用下產生振動時，帶動當結構在外激勵作用下產生振動時，帶動tmdtmd系統(tǒng)一系統(tǒng)一起振動，起振動，tmdtmd系統(tǒng)產生的慣性力反作用到結構上，調諧系統(tǒng)產生的慣性力反作用到結構上，調諧這個慣性力，使其對主結構的振動產生調諧作用，從這個慣性力，使其對主結構的振動產生調諧作用，從而達到減小結構振動反應的目的。而達到減小結構振動反應的目的。tmdtmd結構應用的現(xiàn)代思想的結構應用的現(xiàn)代思想的最早來源最早來源是是frahmfrahm在在19091909年研究的動力吸振器。年研究的動力吸振器。fr

2、ahmfrahm的吸振器的圖解見圖的吸振器的圖解見圖7 71 1，它，它由一個小質量由一個小質量m m和一個剛度為和一個剛度為a a的彈的彈簧連接于彈簧剛度為簧連接于彈簧剛度為k k的主質量的主質量m m。在簡諧荷載下，當所連接的吸振器在簡諧荷載下，當所連接的吸振器的的固有頻率固有頻率被確定為被確定為激勵頻率激勵頻率時，時，主質量主質量m m能能保持完全靜止保持完全靜止。l研究者們嘗試了通過引入研究者們嘗試了通過引入非線性吸振器彈簧非線性吸振器彈簧來來加寬調諧加寬調諧頻率范圍頻率范圍，roberson(1962)roberson(1962)研究了將動力吸振器支承于主研究了將動力吸振器支承于主系

3、統(tǒng)的沒有阻尼的線性彈簧上的動力響應。他將系統(tǒng)的沒有阻尼的線性彈簧上的動力響應。他將“消除帶消除帶”定義為定義為主系統(tǒng)幅值小于主系統(tǒng)幅值小于1 1的共振峰值之間的頻率帶。的共振峰值之間的頻率帶。非線性非線性吸振器吸振器的這個帶寬很清楚地表明了的這個帶寬很清楚地表明了比線性吸振器要寬得多比線性吸振器要寬得多。lpipes(1953)pipes(1953)研究了有雙曲正弦特征的強化彈簧，并得出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彈簧中非線性的影響是要阻止尖銳共振峰阻止尖銳共振峰的出現(xiàn)，并將相的出現(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。對小幅值的奇次諧分量引入

4、吸振器和主系統(tǒng)的運動中。lsnowdonsnowdon研究了固體型吸振器對減小主系統(tǒng)響應的性能，研究了固體型吸振器對減小主系統(tǒng)響應的性能，表明采用表明采用恒定阻尼系數(shù)材料恒定阻尼系數(shù)材料和和剛度正比于頻率剛度正比于頻率的動力吸振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動力吸振器平行阻尼動力吸振器，即一個輔助無，即一個輔助無阻尼質量平行加裝于一個吸振器。在這種情況下，當阻尼阻尼質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

5、諧到激勵頻率時，主系統(tǒng)將保持靜止，但在頻率被精確調諧到激勵頻率時，主系統(tǒng)將保持靜止，但在該情況下，消除帶也變小了。該情況下，消除帶也變小了。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，如三單元吸振器三單元吸振器，顯示如果第三單元與阻尼器串聯(lián)，主系統(tǒng)幅值能減小顯示如果第三單元與阻尼器串聯(lián)，主系統(tǒng)幅值能減小15153030，但這種減小對頻率是非常敏感的，在實際中它，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。將影響吸振器的性能。lioiioi和和ikedaikeda提出了主系統(tǒng)在小阻尼情況下吸振器參數(shù)優(yōu)提出了主系統(tǒng)在小阻尼情況下吸振器參數(shù)

6、優(yōu)化的經(jīng)驗公式?；慕?jīng)驗公式。randallrandall等提出了在系統(tǒng)中考慮阻尼影響等提出了在系統(tǒng)中考慮阻尼影響的這些參數(shù)的設計圖表。的這些參數(shù)的設計圖表。warburtonwarburton和和ayorindeayorinde則進一步則進一步用表列出了用表列出了最大動力放大因子最大動力放大因子、調諧頻率比調諧頻率比及及特定質量比特定質量比和和主系統(tǒng)阻尼比主系統(tǒng)阻尼比的吸振器阻尼比的優(yōu)化值。的吸振器阻尼比的優(yōu)化值。l臺北臺北101101大廈是目前世界第一高樓，總高度大廈是目前世界第一高樓，總高度502m502m，共，共100100層，在層，在8787層的一個房間內掛有一個端部帶阻尼的大復擺，

7、層的一個房間內掛有一個端部帶阻尼的大復擺，可減振可減振 40 60 ( (風振或地震風振或地震) )；l阿聯(lián)酋阿聯(lián)酋2828層七星級大酒店，為了抵抗地震和風振，在弧層七星級大酒店，為了抵抗地震和風振，在弧形支撐桿內安裝了單自由形支撐桿內安裝了單自由 度擺動的度擺動的tmdtmd系統(tǒng)，實現(xiàn)減振。系統(tǒng)，實現(xiàn)減振。l近近20年來，國內外學者針對單個年來，國內外學者針對單個tmd系統(tǒng)的理論和技術方法，提出了系統(tǒng)的理論和技術方法，提出了多 調 諧 質 量 阻 尼 器多 調 諧 質 量 阻 尼 器 的 概 念 ， 簡 稱的 概 念 ， 簡 稱mtmd。mtmd系統(tǒng)可對受較寬頻帶系統(tǒng)可對受較寬頻帶的外激勵的

8、結構進行振動控制，效果的外激勵的結構進行振動控制，效果明顯。上海青浦電視塔高明顯。上海青浦電視塔高168m，在離，在離地面地面137.5m的一段懸掛的一段懸掛11個質量擺個質量擺，這這 1 1 個 質 量 擺 的 自 振 周 期 為個 質 量 擺 的 自 振 周 期 為0.398hz0.487hz，它們組成的頻帶，它們組成的頻帶與風激勵所產生的電視塔與風激勵所產生的電視塔振動頻帶基振動頻帶基本吻合本吻合，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，電視塔天線端，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，電視塔天線端位移的位移的控制效果為控制效果為20.3，塔樓的，塔樓的加速加速度反應最大值的度反應最大值的控制效果控制效果為為36.4。地震動時程l現(xiàn)階段，

9、國內外學者對現(xiàn)階段，國內外學者對tmd系統(tǒng)進行了改進和擴展，形系統(tǒng)進行了改進和擴展，形成了利用成了利用結構內部的設備、裝置等結構內部的設備、裝置等作為質量體對結構的作為質量體對結構的振動能量進行消耗，簡稱振動能量進行消耗，簡稱etmd。此系統(tǒng)克服了。此系統(tǒng)克服了tmd系系統(tǒng)需要增加額外質量的不足，減輕了系統(tǒng)承載的負擔。統(tǒng)需要增加額外質量的不足，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。其優(yōu)點目前該系統(tǒng)已經(jīng)被應用于海洋平臺的振動控制。其優(yōu)點是是調諧質量與平臺剩余質量之比可達調諧質量與平臺剩余質量之比可達200以上以上，是普通，是普通tmd系統(tǒng)的系統(tǒng)的40倍，減振效果良好。倍

10、，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能有效衰減主結構的振動反應：在合理選取質量、剛度：在合理選取質量、剛度系數(shù)、阻尼比等結構體系調諧參數(shù)的情況下，主結構的地系數(shù)、阻尼比等結構體系調諧參數(shù)的情況下，主結構的地震反應（位移、加速度）可衰減震反應（位移、加速度）可衰減3060，可有效衰減，可有效衰減主結構在各種外部振動沖擊下（地震、風、海浪等）的振主結構在各種外部振動沖擊下（地震、風、海浪等）的振動反應；動反應；l可以充分利用主結構已有的結構作為可以充分利用主結構已有的結構作為tmd系統(tǒng)，系統(tǒng)，不必專不必專門設置調諧裝置；門設置調諧裝置；l采用采用tmd系統(tǒng)對于系統(tǒng)對于某些難以采取

11、傳統(tǒng)加強措施的結構某些難以采取傳統(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；大結構，提供了一條難以替代的減振措施；l節(jié)省工程造價節(jié)省工程造價：由于：由于tmd系統(tǒng)對主結構的減振作用明顯，系統(tǒng)對主結構的減振作用明顯，所以主結構可以所以主結構可以減小構件截面尺寸、減小配筋、簡化施工；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的減振控制，而且也適用于不僅適用于新建結構的減振控制，而且也適用于已有建已有建筑的減振控制。筑的減振控制。l對于某個對于某個tmd系統(tǒng)，應盡量以控制主

12、結構的系統(tǒng)，應盡量以控制主結構的低階振型低階振型為為目標；目標；l單個單個tmd用于結構控制時其用于結構控制時其有效頻率較窄有效頻率較窄，控制效果不，控制效果不穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^穩(wěn)定。可以通過增加增加tmd系統(tǒng)的數(shù)量系統(tǒng)的數(shù)量以應對較寬頻帶的激以應對較寬頻帶的激勵；勵；l對于以某一振型為主要控制目標的對于以某一振型為主要控制目標的tmd系統(tǒng)，其最優(yōu)裝系統(tǒng)，其最優(yōu)裝設位置是設位置是該振型最大反應向量的質點處該振型最大反應向量的質點處；l對于具有對于具有多個振型多個振型的主結構減振控制，可以適當?shù)闹鹘Y構減振控制，可以適當增大增大 tmd系統(tǒng)的系統(tǒng)的阻尼阻尼或者設置或者設置多個多個tmd系統(tǒng)。系統(tǒng)。調頻

13、液體阻尼器調頻液體阻尼器(tuned liquid damper(tuned liquid damper，簡稱，簡稱tld)tld)是是一種被動耗能減振裝置，近年來進行了大量的研究和一種被動耗能減振裝置，近年來進行了大量的研究和應用。調諧液體阻尼器利用應用。調諧液體阻尼器利用固定水箱中的液體在晃動固定水箱中的液體在晃動過程中產生的動側力來提供減振作用。過程中產生的動側力來提供減振作用。其具有構造簡其具有構造簡單，安裝容易，自動激活性能好，不需要啟動裝置等單，安裝容易，自動激活性能好，不需要啟動裝置等優(yōu)點，優(yōu)點，可兼作供水水箱使用可兼作供水水箱使用。tldtld減振控制理論依據(jù)水箱水的水深與水箱

14、振動方向的比減振控制理論依據(jù)水箱水的水深與水箱振動方向的比值可分為值可分為淺水理論淺水理論和和深水理論深水理論。l淺水理論由于水深較淺，考慮液體運動的非線性，淺水理論由于水深較淺，考慮液體運動的非線性，液面液面晃蕩大晃蕩大從而從而加大了結構的阻尼加大了結構的阻尼，產生減振效果，但淺水水，產生減振效果，但淺水水箱只適合做阻尼器，箱只適合做阻尼器，不適合其它用途不適合其它用途，所以生活、消防等，所以生活、消防等所需的水箱需要專門的大空間來放置，提高了工程造價，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結構因此比較適合塔式等高聳結構; ;l深水理論卞要假設是深水理論卞要

15、假設是液面運動是微幅液面運動是微幅的，用線性理論來的，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刻畫液體的運動，與之對應的深水水箱則可以方便地用生方便地用生活水箱改裝活水箱改裝，既不用制作專門的水箱，也不需要額外的盛，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。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第一個在高層建筑中應用tldtld來減少風振反應的例子是日來減少風振反應的例子是日本橫濱的本橫濱的“shin yokohama princeshin yokohama prince旅館旅館”。在它的頂部安。在它的頂部安裝了

16、水箱作為裝了水箱作為tld.tld.l如圖所示。大連地區(qū)由于臨海，存在風力較大的情況。如圖所示。大連地區(qū)由于臨海，存在風力較大的情況。當?shù)氐幕撅L壓可達當?shù)氐幕撅L壓可達0.75kn/m0.75kn/m2 2。大連國貿大廈的高寬比為。大連國貿大廈的高寬比為6.7,6.7,橫向較柔，風振影響大，為減小橫向振幅和最大加速度，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配置水箱設計成了減振控制裝置tld.tld.l為提高為提高tld的減振效果，的減振效果，fujino等利用多個水箱作為等利用多個水箱作為tld(簡稱簡稱mtld)進行進行mtld結構減振體系的研究結構減振體系的研究.水箱被水箱被分為若干個