調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD課件

TMD在高層結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與分析1TMD在高層結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與分析1目錄CONTENTS/TMD的的定義及基本原理NO.1/TMD構(gòu)造布置的多樣性NO.2/TMD在工程上的應(yīng)用NO.3/TMD能否用于抗震NO.4/總結(jié)NO.5/參考文獻(xiàn)NO.62目錄CONTENTS/TMD的的定義及基本原理NO.1/NO.1TMD的定義及基本原理3NO.1TMD的定義及基本原理3

圖二 TMD模型NO.1TMD的定義及基本原理圖一

受簡諧激勵的無阻尼吸振器和主質(zhì)量TMD(TunedMassDamper)減振系統(tǒng)由彈簧或吊索、質(zhì)量塊、阻尼器(指粘滯阻尼桿或稱ViscousDampingDevice。VDD)組成，通過技術(shù)手段，其固有振動頻率與主結(jié)構(gòu)所控振型頻率諧振，安裝在結(jié)構(gòu)的特定位置。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時，其慣性質(zhì)量與主結(jié)構(gòu)受控振型諧振，來吸收主結(jié)構(gòu)受控振型的振動能量，從而達(dá)到抑制受控結(jié)構(gòu)振動的效果。TMD結(jié)構(gòu)應(yīng)用的現(xiàn)代思想的最早來源是1909年Frahm研究的動力吸振器。FRAhm的吸振器圖解如左圖。在簡諧荷載作用下，可顯示出當(dāng)所連接的吸振器的固有頻率被調(diào)諧為激振頻率時，主質(zhì)量M能保持完全靜止。4 圖二 TMD模型NO.1TMD的定義及基本原理圖一 NO.2TMD構(gòu)造布置的多樣性5NO.2TMD構(gòu)造布置的多樣性5NO.2TMD構(gòu)造布置的多樣性各種形式的TMD6NO.2TMD構(gòu)造布置的多樣性各種形式的TMD6NO.3TMD在工程上的應(yīng)用7NO.3TMD在工程上的應(yīng)用7一、澳大利亞悉尼Centerpoint塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用安裝TMD的第一個結(jié)構(gòu)是悉尼的Centerpoint塔。作為結(jié)構(gòu)的供水和防火設(shè)施，塔的水箱和一個液壓吸振器一起被設(shè)計到TMD中用以減小風(fēng)致運(yùn)動。水塔懸掛于回轉(zhuǎn)塔的徑向構(gòu)件上，隨后又將一個40t重的輔助質(zhì)量安裝在中間錨固環(huán)上以進(jìn)一步控制第二振型的振動。加速度測定結(jié)果表明，風(fēng)致加速度響應(yīng)減少了40%—50%。單擺型TMD結(jié)構(gòu)的例子還包括加拿大多倫多CN塔、位于日本Osaka的水晶塔等。其中高157m的水晶塔也利用了置于結(jié)構(gòu)頂部的儲水箱作為單擺TMD。8一、澳大利亞悉尼Centerpoint塔NO.3TMD在工程N(yùn)O.3TMD在工程上的應(yīng)用二、紐約Citicorp中心Citicorp中心高279m，大樓底部僅設(shè)置了4根粗大的柱子支撐整個大廈，水平剛度較柔，在強(qiáng)風(fēng)作用下，水平擺動很大，該大樓最后采用了約3630KN重的混凝土調(diào)頻質(zhì)量塊。該TMD安裝于建筑的59樓，在這個高度，建筑物可以用一個約為20000t的簡單模態(tài)質(zhì)量表設(shè)計，TMD固定于其上形成圖二所示的2-DOF系統(tǒng)。實驗結(jié)果和實際觀測顯示，TMD能將建筑的風(fēng)致加速度水平減少約50%。9NO.3TMD在工程上的應(yīng)用二、紐約Citicorp中心9三、合肥電視塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用合肥電視塔總高339m，結(jié)構(gòu)經(jīng)建模分析后表明，塔的基本自振周期為6.43s，在設(shè)計風(fēng)荷載作用下的加速度響應(yīng)將超出人體舒適度要求。由于電視塔的振動響應(yīng)一第一階振型響應(yīng)為主，故利用塔上60t重的生活消防水箱作為TMD的質(zhì)量，將TMD振動頻率調(diào)至塔的基本自振頻率附近，并附加適當(dāng)?shù)淖枘岜?，實施TMD風(fēng)振振動控制。10三、合肥電視塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用合肥電視塔總高33三、合肥電視塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用由加速度響應(yīng)比例來看，最優(yōu)的頻率比和最優(yōu)阻尼比分別是1.02和0.07。最大的加速度減振率達(dá)到了49%。為獲得電視塔風(fēng)振響應(yīng)的最大減振率需要進(jìn)行TMD參數(shù)的優(yōu)化分析從而確定TMD的三個重要參數(shù)即質(zhì)量、頻率和阻尼比。由于電視塔的風(fēng)振響應(yīng)是以第一振型為主，故TMD應(yīng)調(diào)諧至結(jié)構(gòu)第一階頻率。設(shè)計時水箱總質(zhì)量為60000kg，故TMD質(zhì)量即為60000kg，因而TMD與電視塔第一階振型廣義質(zhì)量的比值為0.0196。固定質(zhì)量比，變化TMD與結(jié)構(gòu)第一振型的頻率比和TMD阻尼比可計算出各種控制情況下電視塔(以第12質(zhì)點(diǎn)響應(yīng)為代表)和TMD的位移和加速度響應(yīng)。11三、合肥電視塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用由加速度響應(yīng)比例來三、合肥電視塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用本文比較了設(shè)與不設(shè)TMD的電視塔的風(fēng)振振型加速度響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。表1列出了設(shè)與不設(shè)TMD時,電視塔各階振型響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差,安裝TMD后第一階振型加速度響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差大大降低了從左圖我們還能得到一個結(jié)論：TMD不能降低高階振型響應(yīng)12三、合肥電視塔NO.3TMD在工程上的應(yīng)用本文比較了設(shè)與不設(shè)NO.4TMD能否用于抗震13NO.4TMD能否用于抗震13NO.4TMD能否用于抗震T．T．Soong先生曾指出：幾乎所有的TMD運(yùn)用都是為了減弱風(fēng)致運(yùn)動，然而TMD的抗震效果仍然是一個重要的問題，雖然到目前為止的研究還沒有給出結(jié)論性的結(jié)果，但可以指出的是，由于以下的原因，在地震荷載作用下TMD的效果不及風(fēng)荷載作用下的效果。第一，地震的高頻部分使得建筑結(jié)構(gòu)的高階振型通常被激發(fā)，而結(jié)構(gòu)的第一階振型表現(xiàn)不充分，但常規(guī)的TMD調(diào)諧至結(jié)構(gòu)基本頻率，因此在這些情況下可能不能減小總的響應(yīng)。第二，如一部分研究者所指出的，由于TMD因結(jié)構(gòu)運(yùn)動被動地產(chǎn)生響應(yīng)，因此使響應(yīng)歷程的第一峰值不容易降低。為了對TMD在地震作用下的有效性進(jìn)行研究，這里選取某150m鋼混框剪結(jié)構(gòu)（一階振型周期3.3s，頻率0.3Hz）進(jìn)行風(fēng)時程工況和地震工況分析。為了加以對比，設(shè)置TMD方案和阻尼器方案。TMD方案所用質(zhì)量為100t(質(zhì)量比為0．4％)；阻尼器方案為14套沿y方向在結(jié)構(gòu)上部隔層安置的套索(toggle)連接的阻尼器，每層兩套。14NO.4TMD能否用于抗震T．T．Soong先生曾指出：幾NO.4TMD能否用于抗震1、進(jìn)行風(fēng)時程工況下TMD方案與阻尼器方案減震效果對比由表可見，在加設(shè)TMD或阻尼器以后，樓層加速度、基地位移角、基底剪力和彎矩都有明顯改善，且本次試驗的阻尼器方案減振效果尚略優(yōu)于TMD方案。15NO.4TMD能否用于抗震1、進(jìn)行風(fēng)時程工況下TMD方案與阻NO.4TMD能否用于抗震2、進(jìn)行地震程工況下TMD方案與阻尼器方案減震效果對比分析所用的地震波分別為：（1）1940年的ElCentro波NS成分(卓越周期0．55s)（2）1952年的Taft波EW成分(卓越周期1s)（3）長周期成分比較顯著的1968年日本十勝海域地震時在八戶港灣觀測到的Hachinohe波(卓越周期約2．7s)地震波峰值均被調(diào)幅至55Gal，相當(dāng)于7．5度下的多遇地震。16NO.4TMD能否用于抗震2、進(jìn)行地震程工況下TMD方案與阻NO.4TMD能否用于抗震2、進(jìn)行地震程工況下TMD方案與阻尼器方案減震效果對比第二，TMD不適合用于控制結(jié)構(gòu)的基底剪力。對于剪切型結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)的基底剪力伴隨地震的加速度時程改變。而對于天然地震波，加速度的峰值往往是突然產(chǎn)生的，此時結(jié)構(gòu)的基底剪力最大，但正如一些學(xué)者指出的第二點(diǎn)，TMD的啟動需要時間，因此無法及時減小驟至的基底剪力。對于這個結(jié)果，我們可以總結(jié)如下兩個結(jié)論：1.只有當(dāng)?shù)卣鸬淖吭筋l率與結(jié)構(gòu)受控振型頻率非常接近時，TMD才能發(fā)揮效果。

振和地震的荷載特點(diǎn)不同，二者相比風(fēng)荷載的特點(diǎn)是低峰值、低頻率、長持時，而地震的特點(diǎn)是高峰值、高頻率、短持時。因此風(fēng)致振動的危害主要是長持時造成的樓層加速度給居住者帶來不適的問題；而地震的危害則是高峰值造成的樓層位移給結(jié)構(gòu)帶來破壞的問題。二者減振的目的不同，因此減振的原理也不同。TMD的減振原理基于共振理論，如果振動沒有通過共振放大，TMD是不能發(fā)揮作用的。地震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要是由地震超高的峰值加速度帶來的，而通常是沒有共振產(chǎn)生的。對于上述模型，ElCentro波和Taft波的卓越頻率是結(jié)構(gòu)一階振型頻率的數(shù)倍，顯然TMD也很難發(fā)揮作用。從表6可見，TMD方案只有Hachinohe波下的頂點(diǎn)位移減振率超過了阻尼器方案。由于Hachinohe波的長周期成分恰在本結(jié)構(gòu)一階振型3.3s的周期(頻率0.3Hz)附近最為顯著，因此結(jié)構(gòu)第一階振型的反應(yīng)在一定程度上通過共振放大了，也因此才能使TMD發(fā)揮比較明顯的作用。結(jié)果表明：在風(fēng)時程工況下與阻尼器方案減振效果幾乎相同的TMD方案，在地震工況下的減振效果卻不甚理想，與此產(chǎn)生對比的是阻尼器方案的減振效果依然明顯。17NO.4TMD能否用于抗震2、進(jìn)行地震程工況下TMD方案與阻NO.4TMD能否用于抗震我們還可以從TMD對扭轉(zhuǎn)所起的作用來進(jìn)一步說明TMD能否用于用于抗震。

扭轉(zhuǎn)位移比可以從幾何上直接度量結(jié)構(gòu)各樓層的扭轉(zhuǎn)振動特性，即樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移與該樓層位移平均值的比值。上述150m鋼混框剪結(jié)構(gòu)裙樓以上樓層的位移比曲線見右圖。加設(shè)TMD后，結(jié)構(gòu)各樓層的扭轉(zhuǎn)位移比不但沒有減小反而有所增加。由于扭轉(zhuǎn)振型觸發(fā)時，TMD不可能恰好并一直在其平衡位置保持靜止，其帶來的質(zhì)量偏心和慣性力加劇了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用。18NO.4TMD能否用于抗震我們還可以從TMDNO.5總結(jié)總體上來講，TMD在控制結(jié)構(gòu)振動方面是一種有效的減振裝置，且已被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制，綜上所述，我們可以得到如下的結(jié)論：(1)

TMD是一種十分有效的高層建筑抗風(fēng)手段，但不建議使用TMD用于抗震。(2)TMD對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)有一定負(fù)面作用。19NO.5總結(jié)總體上來講，TMD在控制結(jié)構(gòu)振動方面是一種有效的NO.6參考文獻(xiàn)[1]SOONGT.T，DARGUSHG．Passiveenergydissipationsystemsinstructuralengineering[M]．董平，譯．北京：科學(xué)出版社，2005：173，202-203．[2]JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：19．[3]陳永祁.彭程.馬良喆調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)在高層結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的總結(jié)與研究[會議論文]2013.[4]蔡丹繹