調(diào)頻質(zhì)量阻尼器

Den Hartog(Ormondroyd and Den Hartog，1928)最早研究了主系統(tǒng)中沒有阻尼時的無阻尼和有阻尼動力吸振器理論，他們提出了吸振器的基本原理及確定適當參數(shù)的過程。主系統(tǒng)的阻尼包含在Bishop和Welbou"para" label-module="para">

Jennlge和Frohrib(1977)數(shù)值計算廠控制建筑物結(jié)構(gòu)中彎曲和扭轉(zhuǎn)模式的移動—轉(zhuǎn)動吸振器系統(tǒng)。Ioi和Ikeda(1978)提出了主系統(tǒng)在小阻尼情況下這些優(yōu)化吸振器參數(shù)修正因子的經(jīng)驗公式。Randall等(1981)提山了在系統(tǒng)中考慮阻尼影響的這些參數(shù)的設(shè)計圖表。Warburton和Ayorinde(1 980)進一步用表列出了最大動力放大因子、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。

為了增強用于減小主系統(tǒng)最大動力響應(yīng)的吸振器的效果，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一個沒有阻尼的線性加三次方彈簧(即Duffing型彈簧)之上的主系統(tǒng)的動力響應(yīng)。他將“消除帶”定義為規(guī)格化主系統(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，Pipes(1953)研究了一個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。

為了改進動力吸振器的性能，Snowdon(1960)研究了固體型吸振器對減小主系統(tǒng)響應(yīng)的性能，表明采用剛度正比于頻率和恒定阻尼系數(shù)材料的動力吸振器能顯著減小主系統(tǒng)的共振振動，其性能明顯優(yōu)于彈簧—阻尼筒型吸振器。Srinivasan(1969)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，消除帶變小了。Snowdon(1974)研究了其他可能的吸振器形式，如三—單元吸振器的，顯示如果第三單元(即輔助彈簧)與阻尼器串聯(lián)，主系統(tǒng)幅值能減小15%～30%，但這種減小對頻率非常敏感，在實際中它將影響吸振器的性能。

以上所述的許多早期研究局限于動力吸振器在工作頻率與基本頻率相協(xié)調(diào)的機械工程系統(tǒng)中的應(yīng)用。但建筑結(jié)構(gòu)所受到的如風和地震的環(huán)境荷載的作用具有許多頻率分量，而通常叫做調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)的動力吸振器在復(fù)雜多自度和有阻尼建筑結(jié)構(gòu)中的性能是不一樣的。在過去20多年中，許多研究與開發(fā)工作因此而定位于研究TMD在這種振動環(huán)境中的效果。在以下幾節(jié)中將說明TMD的理論與實踐在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的情況。2100433B

TMD結(jié)構(gòu)應(yīng)用的現(xiàn)代思想的最早來源是早在1909年Frahm(Frahm，1909；Den Hartog，1 956)研究的動力吸振器。Frahm的吸振器的圖解見圖7．1)，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。在簡諧荷載作用下，可顯示出當所連接的吸振器的固有頻率被確定為(或調(diào)諧為)激勵頻率時，主質(zhì)量M能保持完全靜止。

TLD又叫調(diào)頻液體阻尼器，是一種被動耗能減振裝置。

近年來進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過程中產(chǎn)生的動側(cè)力來提供減振作用。其具有構(gòu)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，可兼作供水水箱使用。

質(zhì)量－彈簧－阻尼器系統(tǒng)研究背景

調(diào)諧液體阻尼器是一種固定在結(jié)構(gòu)樓層（或頂層）上的水箱。當結(jié)構(gòu)在地震作用下而發(fā)生振動時，將帶動水箱一起運動，使水箱中的水晃動起來產(chǎn)生波浪，此波浪對水箱壁的動水壓力就構(gòu)成了對結(jié)構(gòu)的減振力。國內(nèi)外對TLD用 于結(jié)構(gòu)風振、地震反應(yīng)控制研究較多。TLD用于結(jié)構(gòu)抗風抗震控制已處于工程設(shè)計和實施階段。面向工程設(shè)計，對TLD系統(tǒng)參數(shù)取值及簡化設(shè)計進行研究，具有一定的應(yīng)用前景。同時高層鋼結(jié)構(gòu)重量輕、阻尼系數(shù)小，所以更易采用結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)，研究的主要目的旨在利用單個和多個調(diào)頻液體阻尼器減小高層鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時的參數(shù)取值問題及高層鋼結(jié)構(gòu)-調(diào)頻液體阻尼器系統(tǒng)抗震控制簡化設(shè)計方法，將多個調(diào)頻液體阻尼器系統(tǒng)的固有頻率按線性分布進行設(shè)計即形成MTLD系統(tǒng)，研究其最優(yōu)頻帶寬取值及高層鋼結(jié)構(gòu)-MTLD系統(tǒng)簡化設(shè)計方法，為調(diào)頻液體阻尼器的工程設(shè)計和實施提供參考。

質(zhì)量－彈簧－阻尼器系統(tǒng)TLD簡化模型

采用Housner質(zhì)量-彈簧模型，引入液體阻尼，從而形成質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)。設(shè)某一n層高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，TLD系統(tǒng)設(shè)置于第k層，結(jié)構(gòu)受基底地震加速度擾動輸入，在地震作用下，水箱中的水將產(chǎn)生振動，箱壁產(chǎn)生的動液壓力可分為脈動壓力和振蕩壓力，脈動壓力與水箱加速度成正比，但方向相反；振蕩壓力取決于液體振蕩的波高和頻率。兩種動液壓力可分別采用兩個與箱體聯(lián)接形式不同的等效質(zhì)量的振蕩效應(yīng)來模擬。

質(zhì)量－彈簧－阻尼器系統(tǒng)研究結(jié)論

（1）將單個和多個調(diào)頻液體阻尼器引入高層鋼結(jié)構(gòu)抗震中，由于其裝置簡單、經(jīng)濟，因而具有一定的工程應(yīng)用前景。

（2）研究根據(jù)“高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”，對高層鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02，對TLDs和MTLD的位置都假定設(shè)置于同一樓層。

（3）研究了單個和多個調(diào)頻液體阻尼器設(shè)計參數(shù)，提供的設(shè)計參數(shù)可供工程設(shè)計查用，可以不考慮振型參與系數(shù)的影響；設(shè)計過程可為設(shè)計人員采用。

（4）數(shù)值分析及仿真分析表明，采用 目標函數(shù)設(shè)計的單個和多個調(diào)頻液體阻尼器控制效果基本相同。

（5）采用目標函數(shù)設(shè)計的多個調(diào)頻液體阻尼器，較采用目標函數(shù)，設(shè)計的多個調(diào)頻液體阻尼器控制效果好；而且由于MTLD具有一定減震頻帶寬，所以MTLD較TLD/TLDs具有更好的魯棒性。

（6）多振型控制時，可設(shè)置多個TLD/TLDs/MTLD系統(tǒng)，忽略振型間的相互作用，仿照本研究的設(shè)計思想與方法進行設(shè)計。 2100433B

將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)裝入結(jié)構(gòu)的目的是減少在外力作用F基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件的消能要求值。在該情況下，這種減小是通過將結(jié)構(gòu)振動的一些能量傳遞給以最簡單的形式固定或連接在主要結(jié)構(gòu)的輔助質(zhì)量—彈簧—阻尼筒系統(tǒng)構(gòu)成的TMD來完成的。