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1、精选优质文档-倾情为你奉上 调谐质量减震技术的研究及其应用前景作者：flybebrave 抄誊请注明作者摘要：阐述了调谐质量减震技术的减震原理及研究现状，归纳了影响调谐质量减震技术减震效果的因索及各因素对减震效果影响的规律，并且指出各因素存在参数优化的问题；通过对该技术工程应用的分析。提出目前调谐减震技术的可行性及存在的问题；综合分析了近几年调谐减震技术的主要发展方向，提出了该技术深入发展所需要解关键词：振动控制；调谐质量减震；研究；应用前言随着我国经济水平的不断提高，高层建筑及超高层建筑如雨后春笋般出现在人们的视野中，在节约用地和展现城市面貌的同时，这些建筑也面临着诸如风振、地震等安全性问题
2、。传统抗震方法以 “抗”为主要途径，通过加大结构断面、加多配筋来抵抗地震，其结果是断面越大刚度越大，地震作用也越大，所需断面及配筋也越大。这种恶性循环，不仅难以保证安全，也使“抗震”所需的建筑造价大大提高。因此，自20世纪70年代初现代控制理论引入到土木工程的振动控制中后，对于振动控制的理论、试验和应用的研究成果也大多集中在多、高层和高耸建筑中。调谐质量减震技术是结构振动控制中的一种。该技术的核心部件是调谐质量阻尼器(TMD)，它是一个小的振动系统，由质量块、弹簧和阻尼器组成。它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入了TMD，其动力特性发生了变化。原结构承受动力作用而剧烈振动时，由于T
3、MD质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，其阻尼也发挥耗能作用，从而使原结构的振动反应明显衰减。在高耸结构的风振控制中应用最多，也发展的比较成熟。调谐减震技术一般从较窄频域振动控制人手，但地震反应的频域相对较宽，单个TMD不能有效对抗，这就有了多重调谐质量阻尼器(multipletuned mass damper，MTMD)的提出和推广。但是，地震作用较为迅速。每个TMD是否反应或是否充分反应都关系到其减震的有效性。可见，地震反应的特殊性是调谐减震技术的一个难题，也正是因为这些问题的存在使得调谐减震技术有较大改进和发展空间。本文阐述了调谐减震技术的研究现状，归纳了影响调谐减震技术减震效果的因
4、素，以及该减震技术有待研究的若干问题，提出了该技术进一步研究的发展方向。1 调谐减震理论研究11 调谐减震技术原理常用的调谐减震控制系统有调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(tuned liquid damper，TLD)、质量泵控制器等。TMD系统的控制效果对输入地震动频率的依赖性较大，TI。D系统是通过容器中液体的晃动来消耗和吸收结构振动的能量，从而达到控制结构振动的目的。本文主要介绍TMD的研究及应用进展。作为调谐减震控制系统中的核心部件，TMD是附加在主结构中的一个子结构，由质量块、弹簧、阻尼器组成。质量块通过弹簧(连接件)和阻尼器(耗能减震装置)与主结构连接在一起，一般支撑或悬
5、挂在主结构上。质量块的存在使原结构产生了附加的质量、刚度和阻尼，通过子结构的这些基本特性调谐其自振频率，可以使其尽量接近主结构控制振型的振动频率。这样。当结构在外激励作用下产生振动时，主结构带动TMD系统一起振动，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上，对结构的振动产生控制，TMD系统中的阻尼器也将发挥耗能作用，从而达到减小结构振动反应的目的。12 调谐减震理论研究调谐减震的设计思想可以从两个方面来考虑：1)在中小震作用下，结构处于弹性阶段，调谐减震系统的设计目标除了减小地震作用以外，主要是避免因传统抗震而增加结构构件的断面，从而极大地降低工程造价2)在大震作用下，结构一般处于弹塑性状态
6、，位移较大，调谐减震系统的设计目标就是利用质量块与基本结构的相对运动减小结构的位移，有效地保护结构不受损伤或破坏。121 TMD的有效性 一项技术被应用于实际工程一般需经历概念的提出、理论研究和工程应用3个阶段。Cecehi等将TMD的发展归结为单个TMD研究、MTMD研究及TMD概念扩展3个阶段。自TMD概念被提出以后，国内外学者针对应用于调谐减震技术的TMD系统作了大量的研究工作，取得了许多有益的成果。随着TMD系统研究逐渐深入，针对TMD是否具有减震效果，很多学者提出了不同观点。 1)TMD对减震有效。McNamara在1977年对附设一个400 t重TMD的Citicorp Cente
7、r进行研究，验证了其在风振作用以及在白噪声激励下对减振的有效性。Wirsching和YaoHo对一幢5层和10层钢结构的研究发现，TMD对结构地震反应控制是有效的。周福霖指出，被动调谐减震控制体系可以有效地控制高层建筑、大跨桥梁、高耸塔架等柔性建筑在地震作用下的振动。 2)TMD对减震无效。Sladek和Klinger基于Den Hartog理论对E1-Centro地震波作用下的无阻尼结构一TMD系统模型的数值模拟结果显示，TMD在减小此结构地震反应方面是无效的。3)TMD在特定情况下有效。Villaverde1选用9条实测地震记录对3种不同结构进行了TMD控制研究，结果表明在某些情况下TMD
8、是有效的，而在另一些情况下TMD有效性较差，甚至是无效的，同时还指出TMD的有效性依赖于输入地震动的频率。Villaverde对TMD的结构地震反应控制的研究表明，如果结构一TMD系统前二阶模态阻尼比等于结构阻尼比和TMD阻尼比的平均值时，TMD能够有效地减小结构的地震反应。大量的理论和试验研究表明，TMD的有效性与很多因素有关，当参数设置合适，减振效果的有效性非常明显；参数设置不合适，有效性降低或者趋于无效。122 TMD减震效果影响因素分析 邬传宇等人钉研究了TMD系统参数对高耸结构地震控制的影响，得出影响其减震效率的主要因素为：结构的阻尼比、TMD的阻尼比、TMD系统与结构的频率比、TM
9、D系统与主结构的质量比等，并且给出了这些参数与TMD系统减震效率之间的关系曲线。许多学者对TMD系统的动力特性作了深入研究，并得出一些相似的结论： 1)TMD系统与主结构质量比对减震控制的影响。杨泽华等研究结果表明，当子结构与主结构质量比p=03o7时控制效果最佳，当p07时效果就不明显了。杨雅平等对第一振型控制下的子结构质量对减震效果影响的数值模拟结果表明，装设TMD对结构的顶层位移有减小作用，且随子结构质量的增大，结构反应降低幅度也随之增大。 2)阻尼比对减震控制的影响。张文芳经计算分析表明，调谐体系子结构的阻尼越大，其地震反应一般会减小，而基本结构的反应一般会增大些，当基本结构的阻尼增大
10、时，地震反应会减小。杨泽华等n钆的分析表明，阻尼比越大减震效果越明显，说明增加阻尼比是控制地震反应的一个有效手段。 3)频率比对减震控制的影响。欧进萍等和王肇民对TMD的减震分析表明，当TMD的自振频率与主体结构的基频相等或相近时，减震效果最好。杨泽华等指出，当等效频率比=091即子结构与主结构的频率相近时，减震控制将取得最佳效果。实际上要考虑附加的质量块会使主体结构频率略有降低，所以频率比可以略小于10。综上所述，减震结构控制效果的影响因素都存在一个参数优化问题。苏荣华等对TMD用于结构减震控制中参数优化问题做了研究，主要内容包括TMD的设置位置、频率、阻尼等参数以及TMD对与其非调谐的结构
11、振型地震反应的作用进行了分析，导出了最优参数的计算式，为TMD在结构抗震方面的设计提供了理论依据。蓝宗建等提出了TMD参数有效域的概念，利用参数有效域而不是某一个目标函数进行TMD系统设计，从而有效提高了TMD可靠性，进一步促进了TMD减振技术的推广使用。2调谐减震技术的应用及发展前景21 调谐减震技术的工程应用 在土木工程中，TMD的工程应用有着比较早的历史。前苏联早在20世纪50年代初就在钢电视塔及烟囱上安装了撞击式摆锤，有效地抑制了风荷载产生的振动。目前，TMD已广泛虚用在高耸结构的风振控制以及桥梁结构的振动控制中国外TMD的工程应用主要在美国和日本。美国波士顿的60层约翰汉考克大楼设置
12、了2个重300 t的TMD作为质鸶块，起到了减缓大楼风振摆动的作用另外纽约的花旗大楼上也安装了TMD用以减轻风振反应在日本，第1个TMD安装于千叶港观光塔上。随后在福冈塔上也安装了TMD3引，近年来，日本建设中心每月鉴定的采用耗能减震体系的房屋平均为510个，其中就包括调谐减震技术的应用。澳大利亚的悉尼电视塔上安装了2个TMD来减小电视塔的第一、二振型风振反应，特别应该指出的是用于控制第一振型反应的TMD是悬吊在塔楼顶部重达180 t的水箱，这是第一个用水箱来代替质量块的尝试。在我国，结构风振控制理论应用于实际工程的第1例是厦门九洲大厦和上海气象塔，设计理论来源于瞿伟廉对U型水箱的系统研究。顾
13、明等对杨浦大桥的抖动问题进行了研究，根据控制目标和已定预算，从设计的7种结构一MTMD系统中任意选取一组，用于对杨浦大桥的抖振控制。楼梦麟等研制了一种利用电磁涡流耗能的TMD新装置，试验研究结果表明该装置有良好的阻尼特性，并且通过钢框架的振动台试验，验证了所设计的电磁耗能装置的有效性和合理性及实际应用的可行性。22调谐减震技术存在的问题调谐减震技术已经应用于实际工程中。其中TMD多用于风振控制。虽然对结构的减震控制有效性研究得到了试验验证，但实际工程应用仍然不多，而且在实际设计和安装时，有许多值得注意的问题，如TMD的大小和数量的确定、实际安装位置是否受限制、质量块的支承面问题等，这些都是需要
14、进一步深入研究和探讨的。目前，对MTMD的研究不足之处有：1)频率呈均匀分布的MTMD存在近零最优平均阻尼比，即对于一个给定的质量比，当TMD总数超过某一数值时MTMD的最优平均阻尼比趋于零。由于近零最优平均阻尼比会使MTMD产生大的冲程，这时的MTMD实际上没有任何实际意义。因此，有必要寻找不存在近零最优平均阻尼比的MTMD模型。 2)结构振动控制在强震作用下应允许结构产生一定的屈服来耗散结构的地震能量，即非线性灾害响应控制。因此，有待于进一步研究结构的非线性灾害响应MTMD控制。23调谐减震技术的发展前景 从最初的提出到如今的广泛应用。TMD经历了无数次的试验研究与创新改进，为调谐减震技术
15、带来了深刻的变化。现代城市的高层建筑越来越多，TMD发挥作用的空间也越来越大，对TMD应用领域的扩展研究吸引着众多学者。由于TMD系统需要另配质量块，这大大增加了该结构体系的造价，因此针对该缺点，研究者提出了许多改进措施，即把结构的一部分作为TMD或MTMD质量块，这也成为近几年TMD技术发展的一个主要方向。把建筑物必不可缺的屋盖作为TMD质量块就是其中一个研究比较多的领域。对于网壳结构，不同于高层结构的风振控制，它需要有10-20个振型才能满足控制精度。叶继红等提出如有若干个TMD系统分别控制一个振型，结构振动控制效果会更好。从这一点上来讲，MTMD更适合于网壳结构的振动控制。因此，网壳结构
16、一MTMD减震控制会是TMD研究的一个新领域。3 结语我国的地震研究者和工程设计人员自20世纪80年代以来一直敏力于结构减震被动控制的技术研究和工程应用，并取得了可喜的成果。但MTMD用于结构的减震控制及其可靠性还处于研究阶段，为了使调谐减震技术的研究与应用得到进一步的发展，需解决以下一些问题：1)大尺寸模型试验和实际结构控制效果的研究；2)控制系统的可靠性、耐久性及经济性的论证；3)性能稳定且易于安装的消能装置的研究开发与推广普及；4)可用于实际工程中的相应构造措施。总体来说，调谐减震技术较之于传统的抗震方式更经济，与其他的耗能减震方式相比也更易于施工、更安全适用。可以预言，调谐减震技术将成为未来建筑防震减灾的重要手段和方法，将为人
