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1、心 上海建设科技 第 1 期 气 蕊 奢 卢 气 考 乡 诊 收丫 尸 调频质量阻尼器 的设 计和安装 朱春 上 海 同济建设总公司 王沁平王 琦 中国船舶第九设计院 概述 调频 质量 阻尼器 TMD 是一种研究较早 且应用 广泛 的振动控制 装置 TMD 对结构 有明显 的抗震抗 风控制效果 对建筑功能影 响 小 且便于安装 维 修 更换 TMD 控制系统是在结构 的顶部或上部某 层加上惯性 质量 并配以弹簧和阻尼器 与主体结构 相连 当结 构在外荷 载作用 下产 生振 动时 就会带 动调频质量阻尼器一 起运 动 而调 频质量 阻尼器振 动时产生 的惯性力又反馈回来作用 于结构上 从而 起到
2、抑制结构振动的作用 它 的有效性已被大量 的 理论研究和实验所验证 并应用 于高层建筑 高耸 结构及桥梁等实际工 程中 实测结果表明TMD对结 构振动具有 较好的控制效果 利用 消防水箱做一个 摆式减振 器 P 工MD P endulouS T an k a s Tu n ed M ass D am P e r 也是一种切实可行的方法 2 调频质量阻尼器的组成 调频质量阻尼 器最重要 的部件是 质 量块 质 量块支撑系统 弹簧系统和阻尼器 系统 此外还 有 控制系统 安 全设备及 仪器等 2 1 质量块 调 频质量 阻尼器主 要是利用 质 量块与结构相 对运 动 时质量块惯性力对结构的作用来实
3、现减振 的目的 在高层建筑 中常采用 混凝土楼板或专门制 作的混凝土块等附加质量 而 在 电视塔中常采用塔 楼中水箱作为质量 块 一般而言 TMD质 量块 的重 量越大越好 但重量的增加并不 一定与控制效果的 提高成正 比 当其超过一定值以后 随着质量块的 增加 振动控制效果提高并不 明显 且TM D质量 太 大 势 必造成结构 的固有频率有 较大幅度的降低而 更接近脉动风的频率 使响应 增大 不仅起不到 减 振作用 反而加剧了结构的振动 一般认为T M D与 主体结构的质量比在0 00 5 一 0 0 3之间 2 2 弹簧系统 弹簧系统的作用是调整 TMD 自振频率 使之与 结构的被控自振频
4、率接近 以期达到对结构反应的 较好控制 当T M D的频率比被控频率略小时 控制 效 果最好 对于具体数值 需根据优化计算 弹簧系 统可用 普通 的螺旋 弹簧或用 气动 弹簧 通过调节预 充气体的压力来改 变弹簧刚度 制作 也可利用 消防 水箱做一个摆式减 振器 这种体系的优点在于 a 用水箱替代附加质量 取消了会造 成不利 作 用的巨大 的质量块 减小结构的负荷并节 约空间 b 柔索悬挂体系代替了支撑体系 将 滑动 或滚 动摩擦转换为柔索的 扭转 这样大大减小了一般 TMD 在运 动过程 中的摩阻力耗能 c 摆动水箱的动力特性类似于单摆 振 动中的 回复力主要来自水箱本身的重力 只要参数选用
5、合 适 可以省去弹簧 d 可进行任意向振动控制 造价低 易实现 2 3 阻尼系统 T M D 的阻尼系统不但限制T MD在一定 的范 围 内运动 而且能够起到使结构的风振反应减小 的作 用 所以 T M D阻尼系统 的实现与否是决定TMD系 统 能否起 到较好控制效果的关键 通 常采 用油压阻 尼器 它可以通 过 调节活塞面积和油的粘滞度来 控 制阻尼值 对于阻尼比的取值 一般认为 随着TMD 阻尼的增 大 其减振效果 更好 但由于 T MD 减振 是 通过其质量块与结构间 的相对运动来抑制被控结构 的振动 如果T M D的 阻尼较大 其弹性 元件的变形 能就会被较多 地消耗掉 使其质量块 的
6、振 动强度 减 弱 从而削弱 了TM D的制振能力 这说明 随着TMD 阻尼的增 大 振幅降低的幅度减小 由此可以看出 TM D的 阻尼比也是一个需 要优化的参数 结 构不 同 荷 载不同 最优阻尼比也 不同 TMD 阻尼 比的取 值范 围约 为 0 0 3 一 0 2 2 4 支撑系统 目前在国内外建筑物上已建造 的调频质量阻尼 器按其支撑方式 不同可分成悬吊式和 支撑式两类 保证质量块的运动具有高度的灵敏度 使质量块 与 结构间具有 很小 的摩擦力 是保证T MD有效发挥作 上海建设科技 第 1期 用 的前提 当采用支撑式时 质量块直接支撑在结 构上 由于质量块质量较大 运动时不可 避兔地
7、产 生较大的摩阻力 另一种办法是采用悬 吊式 将质 量块通过吊杆悬吊于结构上 由于挂 钩与质量块之 间摩擦很 小 质量块可自由晃动 3 安装和调试 下文以悬挂水箱为例子 简要 阐述调频质量 阻 尼器 的安装和 调试 3 1 通 过理论分析和计算可以得到 悬 挂水 箱减 振 器P l 1 MD 针对建筑结构 的最优控制参数 水箱 振 动 频率及 阻 尼比 为f d 二f l f l 为建筑结构的基 频 3 2 为了保证悬挂水 箱减振器和实际结构 的基 频接近 如条件允许 可通过布置传感器 实测建筑 结构的动力特性 试验一般是在环境激励 风脉动 和 或地脉动 的条件下进行的 由于输人不易确 定 很
8、难说应以所测得的哪 一点信号作 为建筑物的 输人信号 利用模态识别的方法 可以在系统输人 未知的情况下 仅利用输出 的响应信号来辩识系 统 这样就可以在不知道输人信号的情况下直接利 用脉动响应识别得到结构的模态 其中频率的识别 通过功率谱的峰值和相位谱 在频率点处相位为0 o 或 180 0 来确定 振型 用如下公式估计 中 吞 S p k S p p o 式中 咖 吞 分别 为k测点和p测点的 i阶振 型坐标值 茹为 k测点和p测点的互 动率谱 踢为 p 测点的自动率谱 这样可得 到结构前几阶段的频 率和振型 3 3 悬挂水箱阻尼器 可 用钢索悬挂于结构的主 梁上 连接点采用梨形 环 水箱能
9、在全方位运动 为 使水箱的频率达到实际结构的基频 可调整水箱悬 挂 长度l 考虑到水箱平动因素 以及水管提供的支 撑和阻尼效应 最好在水箱上 也布置传感器 以及 时 调 整水箱的振动频率 3 4 悬挂水 箱 阻尼器中用液压 系统来调节 阻尼 该系统由油 缸 整流单向调速阀 蓄 能器 油箱 截止 球阀 液 压软管及快速接头等组成 其原理见下 图 系统安装完毕后 通过旋转整 流单向调速阀的手 柄 至不 同的刻度值来调 整到 不同的阻尼系数 阻尼系 数边实测边 调节 调速阀 调整 阻尼装 置中油缸 的阀 门流量和 油箱的氮气压力 最终将水箱调 频质量 阻 尼器系统本身的阻尼 比调整 到设计值 液压系
10、统图 4 结论 调频质量阻尼器对建筑结构振动控制的效果 与 结构本身的振动有关 当结构振动较大时 阻尼系统 能 较充分地发挥作用 减振效果 更显 著 这种被 动控 制装置能发挥作用 的关键是调节质量和 阻尼 上述 基于实测 的安装调试方法 能使控制装置 的频率和 结构的基频很好吻合 避免了设计数据与实际状 态 不同引起的控制失效 并能排除一些构造 上的干扰 因素 收稿日期 2 0 0 01 120 嗒喃 豁 喻嘴 电 夕毗 沙以 砰 呱 成 种 肠 峪 卜叱 脚成冲嗽尹 麒 梦 嗽 砰 嗽 醉 职 冲 以 脚 嗽 脚 嘴 嘴峪 Hv M 新一代的锚具 更新换代的产品 柳州欧维姆建筑机械有限公司 地址 广西柳州市鸡喇路 5 号上海办事处 大连西路 25 3 号 电话 0 772 3 13 6 803玉龙大厦 B 座 20 3 室 传真 07 72 3 13 68 04电话 0 2 1 5 67 105 10 邮编 5 45 00 5 传真 0 2 1 5 69662 53 邮编 20 00 92 熟 砂 咔 一 沪 一 33 一
