調(diào)頻液體阻尼器及其結(jié)構(gòu)分析PPT課件

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容： 10.1 調(diào)頻液體阻尼器及其結(jié)構(gòu)分析簡介調(diào)頻液體阻尼器的減振原理調(diào)頻液體阻尼器結(jié)構(gòu)分析減振控制的工程應(yīng)用實例 第1頁/共21頁 被動調(diào)頻減振裝置主要利用減振裝置的自振頻率與結(jié)構(gòu)的受控頻率相調(diào)頻時，將結(jié)構(gòu)本身的振動能量轉(zhuǎn)換到被動調(diào)頻裝置上，達到耗散能量、控制結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的目的。被動調(diào)頻減振裝置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）調(diào)頻液體阻尼器（TLD）概 述第2頁/共21頁調(diào)頻液體阻尼器簡介動側(cè)壓力在地震或風(fēng)荷載作用下，調(diào)頻液體阻尼器（TLD）將產(chǎn)生振動，使得固定水箱中的液體晃動，并在其表面形成波浪。（1）矩形、圓柱形或圓環(huán)形水箱，利用水晃動時表面波浪的作用力（2）U型管狀水箱，利用水晃

2、動時產(chǎn)生的水平慣性力晃動的液體和波浪對TLD箱壁產(chǎn)生的動壓力差動壓力差造價低、易安裝、維護少、自動激活性能好、容易匹配調(diào)頻頻率等（減振作用）液體運動引起的慣性力慣性力TLD原理圖優(yōu)點分類第3頁/共21頁調(diào)頻液體阻尼器的減振原理調(diào)頻液體阻尼器的減振原理基本假定：基本假定：TLD水箱為剛性；箱體的運動是小幅度的；液體無粘滯性，不可壓縮，無旋；TLD所在結(jié)構(gòu)層只作沿x方向的水平運動，其水平加速度為 。kxt（ ）12( , , )( , , )( , , )(101)x z tx z tx z t 速度勢函數(shù)流體的剛體運動勢函數(shù)不動容器由于勢函數(shù)作用下水中不平衡所產(chǎn)生的的液壓力對應(yīng)的勢函數(shù)1.矩形深

3、水TLD它們分別滿足拉普拉斯方程：21220(102)0(103) 式(10-2)和(10-3)相應(yīng)的邊界條件和初始條件分別為：hzx(a) 剖面圖abyx(b) 平面圖矩形深水TLD圖122121000012120000001200010410 510 6010 7zhzh()( )zztt( )()zzx,akx,a|zz|g|gtt|dt,|dtzz|x (t),|xx第4頁/共21頁根據(jù)式(10-1)和(10-7)，可求得相應(yīng)的矩形TLD中水晃動反應(yīng)總的速度勢函數(shù)：1,3 ,.222()cosh(, )( )cos()( )1082cosh4109( )tanh1010iikiiiiz

4、hixaax z tbtx xtihaaabiigithaa 根據(jù)矩形TLD中水的晃動速度勢函數(shù)的表達式(10-8)，可得矩形TLD中水內(nèi)部任一點處的液動壓力為：10 11wp ( x,z,t )t 矩形TLD對結(jié)構(gòu)的控制力，即TLD左右水箱壁上液動壓力的的合力為 ： 001,3,(0, , )( , , )2( )( )tanh10 12TLDwwhhikiiFtpz t dzpa z t dz bbi habh x tti ha 第5頁/共21頁2.矩形淺水矩形淺水TLDTLDTLDTLDF( )Pth1haaxz淺液TLD制振原理110 192gha淺液矩形TLD水晃動的頻率為 ：010

5、20uwxz矩形淺水水箱中水的運動：111021suuupuwxtxzxwwwpuwgtxzz ( ()bhhz邊界層22111022suuupuuwxtxzxzpgz ()bhzh h 邊界層外 00 ()0 ()1023 ()()uxawzhwuztxppz 邊界條件uw、bhpsx 分別為水在x和z方向的流速為液面波高為邊界層厚度為液動壓力為水的動粘滯度水箱設(shè)置結(jié)構(gòu)層風(fēng)振加速度 第6頁/共21頁邊界層外，水的運動可認為是有勢流，假設(shè)速度勢函數(shù)為：( , , )( , )cosh ()1024x z tG x tk hz, ,cosh ()1025, ,sinh ()Gu x z tk h

6、zxxw x z tkGk hzz222( )01026( )(1) ( )( )HsuhtxuTugghuxtxxx 水晃動速度與速度勢函數(shù)關(guān)系：1tanh()1027tanh ()1028tanh()tanh (),(0,1, 2,) 1029112(1)10302Hkhkhk hkhnTk hknahshb水表面動粘滯阻尼系數(shù)b水箱的寬度s液體表面粘性影響因子，一般在02之 間將式（10-24）代入方程（10-20）、（10-21）、（10-22），經(jīng)轉(zhuǎn)換，可導(dǎo)出矩形淺水水箱中水運動的控制方程：第7頁/共21頁3.3.圓形淺水圓形淺水TLDTLD2arh2az（a） 正面（b） 平面淺液

7、TLD制振原理考慮到水箱對結(jié)構(gòu)的反饋制振力是由于水的晃動壓力所引起的，因此減振力為： 00220()()10 341()10 352TLDxax ahhTLDnFtbP tdzP tdzFgb對于圓柱形容器，由伯努利方程可知： 222, , ,()()10372rp rz tghzvvw第8頁/共21頁1038rvv( , , , )|()|1040r ar ap rz tghz200, , ,()1041rhrp rz taghz dzd 略去邊界層的粘滯力，可以得到圓柱形容器中的液體提供的減振力：2arh2az（a） 正面（b） 平面淺液TLD制振原理將式（10-38）、式（10-39）代

8、入（10-37）中，同時略去w的影響，得： 對于波液波動，存在： |01039rr av在容器側(cè)壁處，由邊界可知：第9頁/共21頁4.4.調(diào)頻液體柱狀阻尼器調(diào)頻液體柱狀阻尼器TLCDTLCD在U型管中加設(shè)開有小孔的隔板，孔洞的面積可調(diào)。利用液體振蕩過程中產(chǎn)生的阻尼消耗能量達到減小結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的目的。液體在流經(jīng)小孔前后，因截面突然變化，運動的流體將產(chǎn)生局部水頭損失（能量損耗），這種損失是TLCD耗散能量的主要部分?？烧{(diào)節(jié)液體的長度L、寬度b，液體的質(zhì)量，使管中液體的振蕩頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相等或相近，從而達到最好的減振效果。減振力管狀水箱中水晃動所產(chǎn)生的水平慣性力對水箱壁的作用TLCD減振原理圖

9、第10頁/共21頁()()1042mkkIA LB xAB wx 210432kAALww w tAgw tABx ()1047kU tABw tALx U型水箱中水的總慣性力為：根據(jù)達朗貝爾原理，由平衡條件可得U型管狀水箱中水晃動的運動方程為： 水箱對結(jié)構(gòu)的控制力可認為是U型管狀水箱中水運動的水平慣性力對水箱壁的作用。U型管狀水箱作用在結(jié)構(gòu)第k層上的控制力為 ：221044LLLkBwwwxL 式（10-43）可變換為：21045LgLU形管狀水箱中水晃動的自振頻率：水箱的非線性阻尼比： 1104624Lw tgL第11頁/共21頁U U型管狀水箱的相關(guān)參數(shù)對控制效果的影響規(guī)律主要有：型管狀

10、水箱的相關(guān)參數(shù)對控制效果的影響規(guī)律主要有：（1）U型水箱的B值越大，結(jié)構(gòu)反應(yīng)越小，減振效果越好；（2）U型水箱隔板阻尼對結(jié)構(gòu)反應(yīng)控制效果有一個最佳點，其位置在換算阻尼比值為05%之間；（3）B值對U型水箱中水晃動反應(yīng)的影響不十分顯著，一般B越大，水晃動反應(yīng)越大；（4）U型水箱隔板阻尼對其中水晃動反應(yīng)的影響是明顯的，隔板阻尼越大，水晃動反應(yīng)越??；（5）相同條件下，U型水箱中水的質(zhì)量越大，TLCD的減振效果越好；（6）U型水箱中水晃動的自振頻率與原結(jié)構(gòu)自振頻率接近時，TLCD的減振效果最好；（7）相同條件下，B/L越大（但必須小于1），TLCD的減振效果越好；只要合理地選擇U型水箱的參數(shù)，那就可使

11、U型水箱對結(jié)構(gòu)振動控制的效果較佳。第12頁/共21頁5.5.新式新式TLDTLD圖中附加磁性流體式TLD(TMFD)、圓錐式TLD、斜底式TLD設(shè)計的主要目的是優(yōu)化TLD中液體的晃動力。 圖3斜底式TLD示意圖圖1 附加磁性流體TLD圖4 內(nèi)表面帶凹槽的TLD圖5 帶有夾板式網(wǎng)篩的TLD示意圖圖6 夾板式網(wǎng)篩示意圖圖中內(nèi)表面帶凹槽的TLD(WSDE)與帶夾板網(wǎng)篩的TLD設(shè)計的主要目的是增加水箱內(nèi)液體的耗能。圖2 圓錐式TLD模型示意圖第13頁/共21頁圖7 旋轉(zhuǎn)擋板式TLD示意圖 圖8 可移動擋板式TLD示意圖帶擋板式TLD設(shè)計的主要目的則是拓寬TLD的有效頻率帶寬。圖9 可控式TMD-TLD

12、混合調(diào)頻系統(tǒng)示意圖可控式TMD-TLD混合調(diào)頻系統(tǒng)能夠保證結(jié)構(gòu)物在工程振動中出現(xiàn)頻率偏移時的減振效果。第14頁/共21頁調(diào)頻液體阻尼器結(jié)構(gòu)分析 10 48TLDMx tC x tKx tp tHFt 2*TLD21*2( )1050210511052TiiiiiiijjjjjjjTq tq tq tptL HFttttHqtLM 22*1,1054i ikkntx xikkiF FkkSzHSz T()()(1,2,., )10 49djdjdjdjjdjdjjdjm xtcxtx tkxtx tmHx tjm設(shè)置TLD的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動方程：TLD的運動方程：利用振型疊加法，式（10-48）、

13、（10-49）變?yōu)椋壕哂蠺LD的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)自功率譜密度函數(shù)為： 2*1,1055ddkkndx xkF FkkSHSzTLD相對結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的自功率譜密度函數(shù)為：1.TLD對結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的控制分析第15頁/共21頁 11222011122201,10561057ii iiddddn mxx xixkn mxx xxkSzdkSdk結(jié)構(gòu)和阻尼器的位移響應(yīng)標準差：41220120,10 58,10 59ii iii ixx xixx xiSzdSzd結(jié)構(gòu)速度和加速度響應(yīng)的標準差：2.TLD2.TLD對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制分析對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制分析 ( )1060gTLDMx tCx tKx tM

14、I x tHFt 被簡化為n個質(zhì)點的結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的自由度設(shè)為n，則設(shè)有TLD的結(jié)構(gòu)運動方程為：TLD的運動方程為： T()()( )1061djdjdjdjjdjdjjdjgdjm xtcxtxtkxtxtm x tmHx t 利用振型疊加法，式（10-60）、式（10-61）變?yōu)椋?22*12( )10 622( )10 63/10 64TiiiiiijgTLDjjjjjjjgnjiijjiq tq tq tx tL HFttttHqx tmm j結(jié)構(gòu)第j振型參與系數(shù)第16頁/共21頁( ), ( )(),( )()i ti ti tgkTLDdxteq tHeFtHe 122122

15、()()1065()()1066idxjgxdgHSdHSd設(shè)可以求得結(jié)構(gòu)和阻尼器的位移響應(yīng)標準差為：減振控制的工程應(yīng)用實例南京電視塔是一座以廣播電視發(fā)射為主，兼有觀光、娛樂等多功能的高聳結(jié)構(gòu)，如圖所示。塔總高310.1m，塔身的主體是由三條互成120度夾角、下大上小的預(yù)應(yīng)力混凝土柱肢構(gòu)成，柱肢為薄壁箱形截面，中間每隔25m左右用預(yù)應(yīng)力混凝土連梁把它們相連。高度169.78m202.29m處的大塔樓支承在這三條柱肢上，在大塔樓上設(shè)有旋轉(zhuǎn)餐廳等設(shè)施；高度235.28m246.61m處的小塔樓設(shè)有貴賓廳。小塔樓上部設(shè)有通風(fēng)機房，再往上則分別為鋼筋混凝土筒、平臺及鋼桅桿。第17頁/共21頁貴賓觀光廳

16、風(fēng)機房237.91241.31 小塔剖面圖AAAABB TLD裝置的種類為了保證電視塔在八級風(fēng)中正常工作，并對游客開放，就要降低小塔樓處的加速度響應(yīng)。在小塔樓上部的風(fēng)機房中，設(shè)置A、B兩種圓柱形TLD裝置，以減輕風(fēng)振型反應(yīng)，同時給維修人員留下進出通道。南京電視塔 0.000169.780202.290235.480246.610天線鋼桅桿（方形）混凝土桅桿（方形）小塔樓混凝土桅桿（圓形）大塔樓綜合層連梁塔肢12345678910111213141516 (a) 立面圖 n南京電視塔立面圖 (b) 豎向串聯(lián)多自由體系第18頁/共21頁30個相同的多層環(huán)形TLD被安裝在建筑物的頂部，沿周邊布置。每個TLD分為9