[建筑]質(zhì)量調(diào)諧阻尼器和液體阻尼器

1、 目錄目錄l調(diào)諧質(zhì)量阻尼器調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由由質(zhì)塊質(zhì)塊，彈簧彈簧與與阻尼系統(tǒng)阻尼系統(tǒng)組成。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)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)tmdtmd系統(tǒng)一系統(tǒng)一起振動(dòng)，起振動(dòng)，tmdtmd系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性力反作用到結(jié)構(gòu)上，調(diào)諧系統(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。而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。tmdtmd結(jié)構(gòu)應(yīng)用的現(xiàn)代思想的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(dòng)力吸振器。年研究的動(dòng)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(gè)小質(zhì)量由一個(gè)小質(zhì)量m m和一個(gè)剛度為和一個(gè)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(zhì)量的主質(zhì)量m m。在簡(jiǎn)諧荷載下，當(dāng)所連接的吸振器在簡(jiǎn)諧荷載下，當(dāng)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(lì)頻率激勵(lì)頻率時(shí)，時(shí)，主質(zhì)量主質(zhì)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(diào)諧加寬調(diào)諧頻率范圍頻率范圍，roberson(1962)roberson(1962)研究了將動(dòng)力吸振器支承于主研究了將動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)。他將系統(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(gè)帶寬很清楚地表明了的這個(gè)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(qiáng)化彈簧，并得出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(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。對(duì)小幅值的奇次諧分量引入

4、吸振器和主系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)中。lsnowdonsnowdon研究了固體型吸振器對(duì)減小主系統(tǒng)響應(yīng)的性能，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(dòng)力吸振的動(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(dòng)力吸振器平行阻尼動(dòng)力吸振器，即一個(gè)輔助無，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)

5、諧到激勵(lì)頻率時(shí)，主系統(tǒng)將保持靜止，但在頻率被精確調(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。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(duì)頻率是非常敏感的，在實(shí)際中它，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。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(yàn)公式?；慕?jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)圖表。的這些參數(shù)的設(shè)計(jì)圖表。warburtonwarburton和和ayorindeayorinde則進(jìn)一步則進(jìn)一步用表列出了用表列出了最大動(dòng)力放大因子最大動(dòng)力放大因子、調(diào)諧頻率比調(diào)諧頻率比及及特定質(zhì)量比特定質(zhì)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(tái)北臺(tái)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(gè)房間內(nèi)掛有一個(gè)端部帶阻尼的大復(fù)擺，

7、層的一個(gè)房間內(nèi)掛有一個(gè)端部帶阻尼的大復(fù)擺，可減振可減振 40 60 ( (風(fēng)振或地震風(fēng)振或地震) )；l阿聯(lián)酋阿聯(lián)酋2828層七星級(jí)大酒店，為了抵抗地震和風(fēng)振，在弧層七星級(jí)大酒店，為了抵抗地震和風(fēng)振，在弧形支撐桿內(nèi)安裝了單自由形支撐桿內(nèi)安裝了單自由 度擺動(dòng)的度擺動(dòng)的tmdtmd系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)減振。系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)減振。l近近20年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)單個(gè)年來，國(guó)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 器多 調(diào) 諧 質(zhì) 量 阻 尼 器 的 概 念 ， 簡(jiǎn) 稱的 概 念 ， 簡(jiǎn) 稱mtmd。mtmd系統(tǒng)可對(duì)受較寬頻帶系統(tǒng)可對(duì)受較寬頻帶的外激勵(lì)的

8、結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)控制，效果的外激勵(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(gè)質(zhì)量擺個(gè)質(zhì)量擺，這這 1 1 個(gè) 質(zhì) 量 擺 的 自 振 周 期 為個(gè) 質(zhì) 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(fēng)激勵(lì)所產(chǎn)生的電視塔與風(fēng)激勵(lì)所產(chǎn)生的電視塔振動(dòng)頻帶基振動(dòng)頻帶基本吻合本吻合，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電視塔天線端，經(jīng)測(cè)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(yīng)最大值的度反應(yīng)最大值的控制效果控制效果為為36.4。地震動(dòng)時(shí)程l現(xiàn)階段，

9、國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)tmd系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)展，形系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)展，形成了利用成了利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部的設(shè)備、裝置等結(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)稱振動(dòng)能量進(jìn)行消耗，簡(jiǎn)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(zhì)量的不足，減輕了系統(tǒng)承載的負(fù)擔(dān)。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。其優(yōu)點(diǎn)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。其優(yōu)點(diǎn)是是調(diào)諧質(zhì)量與平臺(tái)剩余質(zhì)量之比可達(dá)調(diào)諧質(zhì)量與平臺(tái)剩余質(zhì)量之比可達(dá)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(dòng)時(shí)程l能有效衰減主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)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：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）可衰減震反應(yīng)（位移、加速度）可衰減3060，可有效衰減，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)；動(dòng)反應(yīng)；l可以充分利用主結(jié)構(gòu)已有的結(jié)構(gòu)作為可以充分利用主結(jié)構(gòu)已有的結(jié)構(gòu)作為tmd系統(tǒng)，系統(tǒng)，不必專不必專門設(shè)置調(diào)諧裝置；門設(shè)置調(diào)諧裝置；l采用采用tmd系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)對(duì)于某些難以采取

11、傳統(tǒng)加強(qiáng)措施的結(jié)構(gòu)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；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)節(jié)省工程造價(jià)：由于：由于tmd系統(tǒng)對(duì)主結(jié)構(gòu)的減振作用明顯，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；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)的減振控制，而且也適用于不僅適用于新建結(jié)構(gòu)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(duì)于某個(gè)對(duì)于某個(gè)tmd系統(tǒng)，應(yīng)盡量以控制主

12、結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，應(yīng)盡量以控制主結(jié)構(gòu)的低階振型低階振型為為目標(biāo)；目標(biāo)；l單個(gè)單個(gè)tmd用于結(jié)構(gòu)控制時(shí)其用于結(jié)構(gòu)控制時(shí)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(yīng)對(duì)較寬頻帶的激以應(yīng)對(duì)較寬頻帶的激勵(lì)；勵(lì)；l對(duì)于以某一振型為主要控制目標(biāo)的對(duì)于以某一振型為主要控制目標(biāo)的tmd系統(tǒng)，其最優(yōu)裝系統(tǒng)，其最優(yōu)裝設(shè)位置是設(shè)位置是該振型最大反應(yīng)向量的質(zhì)點(diǎn)處該振型最大反應(yīng)向量的質(zhì)點(diǎn)處；l對(duì)于具有對(duì)于具有多個(gè)振型多個(gè)振型的主結(jié)構(gòu)減振控制，可以適當(dāng)?shù)闹鹘Y(jié)構(gòu)減振控制，可以適當(dāng)增大增大 tmd系統(tǒng)的系統(tǒng)的阻尼阻尼或者設(shè)置或者設(shè)置多個(gè)多個(gè)tmd系統(tǒng)。系統(tǒng)。調(diào)頻

13、液體阻尼器調(diào)頻液體阻尼器(tuned liquid damper(tuned liquid damper，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱tld)tld)是是一種被動(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)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。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)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)，優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)方向的比減振控制理論依據(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(yùn)動(dòng)的非線性，淺水理論由于水深較淺，考慮液體運(yùn)動(dòng)的非線性，液面液面晃蕩大晃蕩大從而從而加大了結(jié)構(gòu)的阻尼加大了結(jié)構(gòu)的阻尼，產(chǎn)生減振效果，但淺水水，產(chǎn)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(jià)，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結(jié)構(gòu)因此比較適合塔式等高聳結(jié)構(gòu); ;l深水理論卞要假設(shè)是深水理論卞要

15、假設(shè)是液面運(yùn)動(dòng)是微幅液面運(yùn)動(dòng)是微幅的，用線性理論來的，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(jià)低，適合生活、辦公用的高層建筑。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)用第一個(gè)在高層建筑中應(yīng)用tldtld來減少風(fēng)振反應(yīng)的例子是日來減少風(fēng)振反應(yīng)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(fēng)力較大的情況。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)?shù)氐幕撅L(fēng)壓可達(dá)當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓可達(dá)0.75kn/m0.75kn/m2 2。大連國(guó)貿(mào)大廈的高寬比為。大連國(guó)貿(mào)大廈的高寬比為6.7,6.7,橫向較柔，風(fēng)振影響大，為減小橫向振幅和最大加速度，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)成了減振控制裝置配置水箱設(shè)計(jì)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(gè)水箱作為等利用多個(gè)水箱作為tld(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱mtld)進(jìn)行進(jìn)行mtld結(jié)構(gòu)減振體系的研究結(jié)構(gòu)減振體系的研究.水箱被水箱被分為若干個(gè)