调谐质量阻尼器应用 调谐质量阻尼器在振动控制中的应用与发展

! 94!

第36卷第8期西建筑 Vol. 36No. 8 山2010年3月M ar. 2010SHANXI ARCH IT ECTURE

文章编号:1009 6825(2010) 08 0094 02

调谐质量阻尼器在振动控制中的应用与发展

王金田 耿文昌 鞠翱天

摘 要:对T M D 系统的振动控制原理进行了分析, 结合T M D 系统在土木工程中的实际应用讲述了其发展过程, 最后指

出该系统的优点及应用中应该注意的一些问题, 并针对问题提出了相应的解决方法。关键词:T M D 系统, 减振控制, 调谐, 主结构, 应用中图分类号:T U 311. 3

随着我国经济建设的高速发展, 一些高层建筑、大型桥梁、海洋平台等重大工程大量兴建, 这些结构在地震、风、海浪等外荷载的作用下容易产生较大的振动。因此进行这些结构的振动控制研究是十分必要的。作为被动控制技术之一的调谐质量阻尼器是一种发展较为成熟的振动控制系统, 减振效果明显, 施工操作简单, 因而被广泛应用于国内外的工程中。

文献标识码:A

移的位移反应动力放大系数; p 0/k 1为主结构在外激励作用下的最大等效静力位移; 1为主结构的固有频率, 1=

11; 2

为T M D 系统的固有频率, 2=22; 为外激励的频率; f 为T M D 系统与主结构的固有频率比, f = 2/ 1; h 为外激励与主结构的频率比, h = / 1; 为T M D 系统与主结构的质量比, =m 2/m 1。

由式(3) , 式(4) 可得出受简谐激励的结构被动调谐减振机理如下:1) 当T M D 的固有频率 2等于主结构的激励频率 时, p 0

A =0, (x 2-x 1) K 2=-P 0。k 11

x 1=0表明, 使主结构达到最优调谐减振效果的调谐条件是, 即: 2= , 则f =h 。此时:x 1=

T M D 系统的固有频率等于主结构的激励频率。(x 2-x 1) K 2=-P 0表明, 当满足上述调谐条件时, T M D 系统向主结构施加一个惯性力, 其大小与激励外力相等, 方向相反。这就是T M D 系统调谐减振的机理。2) 当T M D 的固有频率 2等于主结构的固有频率 1时, f =1。此时考虑主结构最不利的振动反应即主结构受p 0

A =0。x 1=0表明, 当主k 11

结构被外激励激发共振时, 使主结构达到最优调谐减振效果的调激励共振, 1= , h =1。此时, x 1=

谐条件是, T M D 系统的固有频率等于主结构的固有频率。3) 当 1= 2时, 即当激励频率偏离T M D 系统的固有频率时, 可能导致主结构产生很大的振动反应。这说明无阻尼T M D 系统的调谐减振体系只适用于外激励频率稳定的情况, 即较窄频带的外

(1) (2)

激励。

1 TMD 系统的减振原理分析

调谐质量阻尼器(T uned M ass Damper , 简称T M D) 是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动系统, 一般支撑或悬挂在结构上。T M D 对结构进行振动控制的机理是:当结构在外激励作用下产生振动时, 带动T M D 系统一起振动, T M D 系统产生的惯性力反作用到结构上, 调谐这个惯性力, 使其对主结构的振动产生调谐作用, 从而达到减少结构振动反应的目的。为了说明T M D 的减振原理, 将T M D 系统和主结构简化为两自由度的质量、弹簧、阻尼体系, 如图1

所示。

忽略主结构和T M D 系统的阻尼, 该体系的运动方程为:

m 1 x 1+(k 1+k 2) x 1-k 2x 2=P (t )

m 2 x 2+k 2(x 2-x 1) =0

2 TMD 系统的工程实际应用与发展

T M D 系统最早由Fr ahm 在1909年发明, 当时称之为动力吸振器, 主要用于控制各种机械的振动, 随后才被逐渐引入到土木

工程领域中用于减振控制。国内外许多工程都已经将该系统用于振动控制, 取得了良好的控制效果。中国台北101大厦是目前世界第一高楼, 总高度502m, 共100层, 在87层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆, 可减振40%~60%(风振或地震) 。阿联酋28层七星级大酒店, 为了抵抗地震和风振, 在弧形支撑杆内安装了单自由度摆动的T M D 系统, 实现了减振。

近20年来, 国内外的学者们借鉴单个T M D 系统的理论和技

其中, m 1为主结构的质量; k 1为主结构的刚度; m 2为T M D 系统的质量; k 2为T M D 系统的刚度; x 1为主结构相对于地面的位移; x 2为T M D 系统相对于地面的位移。设主结构受简谐激励P(t) =p 0sin t , 频率为 。

利用传递函数解法可求得主结构和T M D 系统的位移反应x 1和x 2:

x 1=A 1=

p 0p 0

A 1, x 2=A 。

121

(3)

f 2-h 2

h -h [1+f (1+ ) ]+f f 2

A 2=(4)

h -h [1+f (1+ ) ]+f 其中, A 1, A 2分别为主结构和T M D 系统相对于等效静力位

收稿日期:2009 12 03

术方法, 提出了多调谐质量阻尼器的概念(M ultiple T uned M ass

Damper) , 简称M T M D 。M T M D 系统可对受较宽频带的外激励的结构进行振动控制, 效果明显。上海青浦电视塔, 高168m, 在离地面137. 5m 的一段悬挂11个质量摆, 这11个质量摆的自振周

作者简介:王金田(1984 ) , 男, 烟台大学土木工程学院硕士研究生, 山东烟台 264005

耿文昌(1967 ) , 男, 工程师, 烟台市工程建设第一监理有限公司, 山东烟台 264005鞠翱天(1986 ) , 男, 烟台大学土木工程学院硕士研究生, 山东烟台 264005

第36卷第8期西建筑 Vol. 36No. 8 山2010年3月M ar. 2010SHANXI ARCH ITECTURE

! 95!

文章编号:1009 6825(2010) 08 0095 03

砖砌体截面温度场分析

苗生龙 崔道伟

摘 要:结合实测砌体内部温度变化情况, 采用一些与试验条件相近的简化条件和假定, 借助大型有限元分析软件A N SYS 建立砌体试件在高温下的模型, 并进行温度场分析, 将计算结果与试验数据对比后得出两者基本吻合的结论。关键词:砖砌体, 高温环境, 温度场, 模型, 耐火极限中图分类号:T U 522. 3

建筑结构发生火灾时, 各种材料处于高温环境中, 构件的温度会逐渐上升。对砌体结构来说, 其主要材料为块体和砂浆, 由于二者均具有不可燃烧性和热惰性, 内部会逐渐形成不均匀的温度分布。一方面, 高温条件下块体和砂浆体积膨胀, 导致砌体结构内部产生较大的温度应力, 并发生内力重分布; 另一方面, 高温下块体和砂浆的特征发生变化, 主要表现为强度下降、变形增大等。

本文主要通过实测砌体内部温度变化情况, 并通过与有限元期分别为0. 398Hz~0. 487Hz, 它们组成的频带与风激励所产生的电视塔振动频带基本吻合, 经测试发现, 电视塔天线端位移被控制效果为20. 3%, 塔楼加速度响应最大值控制效果为36. 4%。

现阶段, 国内外的学者们对T M D 系统进行了改进和扩展, 形成了利用结构内部质量作为减振质量的扩展质量调谐阻尼器(Extended T uned M ass Damper, 简称ET M D) 的振动控制新概念, 此系统克服了T M D 系统需要增加额外质量的不足, 减轻了系统承载的负担。目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制。其优点是调谐质量与平台剩余质量之比可达200%以上, 是普通T M D 系统的40倍, 减振效果良好。

文献标识码:A

程序ANSYS 对砌体试件的升温过程进行非线性瞬态温度场的模拟分析进行比较, 为计算或分析砖砌体结构耐火极限和高温承载力提供参考。

1 试验概况

根据G BJ 129 90砌体基本力学性能试验方法标准[1]的规定, 对于普通砖砌体抗压试件采用长1砖半, 宽1砖, 高12砖的模型, 理论尺寸为240mm ∀365mm ∀746mm 。试件采用实心黏土在设计和装设T M D 系统时, 还应注意以下问题:1) 对于具有多个振型的主结构减振控制, 可以适当增大T M D 系统的阻尼或者设置多个T M D 系统。2) 对某个T M D 系统, 应尽量以控制主结构的低阶振型为目标。3) T M D 用于结构控制时其有效频率较窄、控制效果不稳定。此时, 可以适当增加T M D 系统的数量, 以应对较宽频带的激励。4) 对于某一振型为主要控制目标的T M D 系统, 其最优装设位置是该振型最大反应向量的质点处。

4 结语

T M D 系统减振机理明确, 减振效果在工程应用中也已得到验证。尽管还有一些不完善的地方, 但是随着对ET M D 系统的深入研究与应用, 整个T M D 系统在高层结构、大跨度桥梁结构、海洋平台等重大工程中发挥的减振作用将会越来越明显。

3 TMD 系统的优点和应用中应该注意的问题

与传统的减振控制技术相比较, T M D 系统具有以下优越性:

1) 能有效地衰减主结构的振动反应:在合理选取质量、刚度系数、参考文献:

阻尼比等结构体系调谐参数的情况下, 主结构的地震反应(位移、[1] 周福霖. 工程结构减震控制[M ]. 北京:地震出版社, 1997:加速度等) 可衰减30%~60%, 可有效衰减主结构在各种外部振动冲击下(地震、风、海浪等) 的振动反应。2) 采用T M D 系统对主

211 225.

[2] 李宏男, 李忠献, 祁 皑, 等. 结构振动与控制[M ].北京:中

结构进行动力调谐, 无需对主结构采取传统的加强措施, 这对于国建筑工业出版社, 2005:202 208. 某些难以采取传统加强措施的结构, 如高层结构、高层塔架结构、[3] 王均刚, 马汝建, 赵 东, 等. T M D 振动控制结构的发展及大跨度结构、海洋平台等重大结构, 提供了一条难以替代的减振措施。3) 节省工程造价:由于T M D 系统对主结构的减振作用明显, 所以主结构可以减小构件截面尺寸、减少配筋、简化施工。4) 不仅适用于新建结构的减振控制, 也特别适用于已有结构的减振优化。5) 可以充分利用主结构已有的结构作为T M D 系统, 不必专门设置调谐装置。6) 一次性装设, 永久使用, 无需维修或调换。

应用[J].济南大学学报, 2006, 20(2) :172 174.

[4] 林均岐, 王云剑. 调谐质量阻尼器的优化分析[J].地震工程与工程振动, 1996, 16(1) :116 121.

[5] 龙复兴, 张 旭, 顾 平, 等. 调谐质量阻尼器系统控制地震

反应的若干问题[J].地震工程与工程振动, 1996, 16(2) :87 94.

Development and application of tuned mass damper for vipation control

WANG Jin tian GENG Wen chang JU Ao tian

Abstract:V ipation control principle of the T M D system was analyzed, and t he development process of T M D system in the practical applica

tion of civil eng ineering w as descr ibed. T he advantages of the system and some of the problems should pay attention in the application were concluded and the correspo nding solutio ns w ays were giv en.

Key words:T M D systems, v ipation co ntrol, tuning, t he main st ructure, application

收稿日期:2009 11 29

作者简介:苗生龙(1982 ) , 男, 助教, 中国矿业大学徐海学院建筑与安全工程系, 江苏徐州 221008

崔道伟(1984 ) , 男, 助理工程师, 中国矿业大学徐海学院建筑与安全工程系, 江苏徐州 221008