调谐质量阻尼器.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2020/2/5,#,TMD,在高层结构上的应用与分析,目录,CONTENTS,/,TMD,的的定义及基本原理,NO.1,/,TMD,构造布置的多样性,NO.2,/,TMD,在工程上的应用,NO.3,/,TMD,能否用于抗震,NO.4,/,总结,NO.5,/,参考文献,NO.6,NO.1,TMD,的定义及基本原理,图二,TMD,模型,NO.1,TMD,的定义及基本原理,图一,受简谐激励的无阻尼吸振器和主质量,TMD(Tuned Mass Damper),减振系统由弹簧或吊索、质量块、阻尼器,(,指粘滞阻尼杆或称,Viscous Damping Device,。,VDD),组成，通过技术手段，其固有振动频率与主结构所控振型频率谐振，安装在结构的特定位置。,当结构发生振动时，其惯性质量与主结构受控振型谐振，来吸收主结构受控振型的振动能量，从而达到抑制受控结构振动的效果。,TMD,结构应用的现代思想的最早来源是,1909,年,Frahm,研究的动力吸振器,。,FRAhm,的吸振器图解如左图。在简谐荷载作用下，可显示出当所连接的吸振器的固有频率被调谐为激振频率时，主质量,M,能保持完全静止。,NO.2,TMD,构造布置的多样性,NO.2,TMD,构造布置的多样性,各种形式的,TMD,NO.3,TMD,在工程上的应用,一、澳大利亚悉尼,Centerpoint,塔,NO.3,TMD,在工程上的应用,安装,TMD,的第一个结构是悉尼的,Centerpoint,塔。作为结构的供水和防火设施，塔的水箱和一个液压吸振器一起被设计到,TMD,中用以减小风致运动。水塔悬挂于回转塔的径向构件上，随后又将一个,40t,重的辅助质量安装在中间锚固环上以进一步控制第二振型的振动。加速度测定结果表明，,风致,加速度响应减少了,40%50%,。,单摆型,TMD,结构的例子还包括加拿大多伦多,CN,塔、位于日本,Osaka,的水晶塔等。其中高,157m,的水晶塔也利用了置于结构顶部的储水箱作为单摆,TMD,。,NO.3,TMD,在工程上的应用,二、纽约,Citicorp,中心,Citicorp,中心高,279m,，大楼底部仅设置了,4,根粗大的柱子支撑整个大厦，水平刚度较柔，在强风作用下，水平摆动很大，该大楼最后采用了约,3630KN,重的混凝土调频质量块。,该,TMD,安装于建筑的,59,楼，在这个高度，建筑物可以用一个约为,20000t,的简单模态质量表设计，,TMD,固定于其上形成,图二,所示的,2-DOF,系统。实验结果和实际观测显示，,TMD,能将建筑的,风致,加速度水平减少约,50%,。,三、合肥电视塔,NO.3,TMD,在工程上的应用,合肥电视塔总高,339m,，结构经建模分析后表明，塔的基本自振周期为,6.43s,，在设计,风荷载作用下,的加速度响应将超出人体舒适度要求。由于电视塔的振动响应一第一阶振型响应为主，故利用塔上,60t,重的生活消防水箱作为,TMD,的质量，将,TMD,振动频率调至塔的基本自振频率附近，并附加适当的阻尼比，实施,TMD,风振振动控制。,三、合肥电视塔,NO.3,TMD,在工程上的应用,由加速度响应比例来看，最优的频率比和最优阻尼比分别是,1.02,和,0.07,。最大的加速度减振率达到了,49%,。,为获得电视塔风振响应的最大减振率 需要进行,TMD,参数的优化分析从而确定,TMD,的三个重要参数即质量、频率和阻尼比。由于电视塔的风振响应是以第一振型为主，故,TMD,应调谐至结构第一阶频率。设计时水箱总质量为,60000kg,，故,TMD,质量即为,60000kg,，因而,TMD,与电视塔第一阶振型广义质量的比值为,0.0196,。固定质量比，变化,TMD,与结构第一振型的频率比和,TMD,阻尼比可计算出各种控制情况下电视塔,(,以第,12,质点响应为代表,),和,TMD,的位移和 加速度响应。,三、合肥电视塔,NO.3,TMD,在工程上的应用,本文比较了设与不设,TMD,的电视塔的风振振型加速度响应的标准差。表,1,列出了设与不设,TMD,时,电视塔各阶振型响应的标准差,安装,TMD,后第一阶振型加速度响应标准差大大降低了,从左图我们还能得到一个结论：,TMD,不能降低高阶振型响应,NO.4,TMD,能否用于抗震,NO.4,TMD,能否用于抗震,T,T,Soong,先生曾指出：几乎所有的,TMD,运用都是为了减弱风致运动，然而,TMD,的抗震效果仍然是一个重要的问题，虽然到目前为止的研究还没有给出结论性的结果，但可以指出的是，由于以下的原因，在地震荷载作用下,TMD,的效果不及风荷载作用下的效果。,第一，地震的高频部分使得建筑结构的高阶振型通常被激发，而结构的第一阶振型表现不充分，但常规的,TMD,调谐至结构基本频率，因此在这些情况下可能不能减小总的响应。,第二，如一部分研究者所指出的，由于,TMD,因结构运动被动地产生响应，因此使响应历程的第一峰值不容易降低。,为了对,TMD,在地震作用下的有效性进行研究，这里选取某,150m,钢混框剪结构（一阶振型周期,3.3s,，频率,0.3Hz,）进行风时程工况和地震工况分析。为了加以对比，设置,TMD,方案和阻尼器方案。,TMD,方案所用质量为,100t(,质量比为,0,4,),；阻尼器方案为,14,套沿,y,方向在结构上部隔层安置的套索,(toggle),连接的阻尼器，每层两套。,NO.4,TMD,能否用于抗震,1,、进行风时程工况下,TMD,方案与阻尼器方案减震效果对比,由表可见，在加设,TMD,或阻尼器以后，楼层加速度、基地位移角、基底剪力和弯矩都有明显改善，且本次试验的阻尼器方案减振效果尚略优于,TMD,方案。,NO.4,TMD,能否用于抗震,2,、进行地震程工况下,TMD,方案与阻尼器方案减震效果对比,分析所用的地震波分别为：,（,1,）,1940,年的,El Centro,波,NS,成分,(,卓越周期,0,55s),（,2,）,1952,年的,Taft,波,EW,成分,(,卓越周期,1s),（,3,）长周期成分比较显著的,1968,年日本十胜海域地震时在八户港湾观测到的,Hachinohe,波,(,卓越周期约,2,7s),地震波峰值均被调幅至,55Gal,，相当于,7,5,度下的多遇地震。,NO.4,TMD,能否用于抗震,2,、进行地震程工况下,TMD,方案与阻尼器方案减震效果对比,第二，,TMD,不适合用于控制结构的基底剪力。,对于剪切型结构来说，结构的基底剪力伴随地震的加速度时程改变。而对于天然地震波，加速度的峰值往往是突然产生的，此时结构的基底剪力最大，但正如一些学者指出的第二点，,TMD,的启动需要时间，因此无法及时减小骤至的基底剪力。,对于这个结果，我们可以总结如下两个结论：,1.,只有当地震的卓越频率与结构受控振型频率非常接近时，,TMD,才能发挥效果。,振和地震的荷载特点不同，二者相比风荷载的特点是低峰值、低频率、长持时，而地震的特点是高峰值、高频率、短持时。因此风致振动的危害主要是长持时造成的,楼层加速度给居住者带来不适,的问题；而地震的危害则是高峰值造成的,楼层位移给结构带来破坏,的问题。二者减振的目的不同，因此减振的原理也不同。,TMD,的减振原理基于,共振理论,，如果振动没有通过共振放大，,TMD,是不能发挥作用的。地震下的结构响应主要是由地震超高的,峰值加速度,带来的，而通常是没有共振产生的。对于上述模型，,El Centro,波和,Taft,波的卓越频率是结构一阶振型频率的数倍，显然,TMD,也很难发挥作用。,从表,6,可见，,TMD,方案只有,Hachinohe,波下的顶点位移减振率超过了阻尼器方案。由于,Hachinohe,波的长周期成分恰在本结构一阶振型,3.3s,的周期,(,频率,0.3Hz),附近最为显著，因此结构第一阶振型的反应在一定程度上通过共振放大了，也因此才能使,TMD,发挥比较明显的作用。,结果表明：在风时程工况下与阻尼器方案减振效果几乎相同的,TMD,方案，在地震工况下的减振效果却不甚理想，与此产生对比的是阻尼器方案的减振效果依然明显,。,NO.4,TMD,能否用于抗震,我们还可以从,TMD,对扭转所起的作用来进一步说明,TMD,能否用于用于抗震。,扭转位移比可以从几何上直接度量结构各楼层的扭转振动特性，即楼层竖向构件最大的水平位移与该楼层位移平均值的比值。上述,150m,钢混框剪结构裙楼以上楼层的位移比曲线见右图。,加设,TMD,后，结构各楼层的扭转位移比不但没有减小反而有所增加。由于扭转振型触发时，,TMD,不可能恰好并一直在其平衡位置保持静止，其带来的质量偏心和惯性力加剧了结构的扭转作用。,NO.5,总结,总体上来讲，,TMD,在控制结构振动方面是一种有效的减振装置，且已被广泛应用于土木工程结构的振动控制，综上所述，我们可以得到如下的结论：,(1),TMD,是一种十分有效的高层建筑抗风手段，但不建议使用,TMD,用于抗震。,(2)TMD,对结构扭转有一定负面作用。,NO.6,参考文献,1SOONG T.T,，,DARGUSH G,Passive energy dissipation systems in structural engineeringM,董平，译北京：科学出版社，,2005,：,173,，,202-203,2JGJ 32010,高层建筑混凝土结构技术规程,S,北京：中国建筑工业出版社，,2010,：,19,3,陈永祁,.,彭程,.,马良喆调谐质量阻尼器,(TMD),在高层结构上应用的总结与研究,会议论文,2013.,4,蔡丹绎,.,李爱群,.,张志强,.,程文瀼,.,徐幼麟,.,高赞明,.,何建平,.,王建磊,.,周屹,.CAI Dan-yi.Li Ai-qun.Zhang Zhi-qiang.CHENG Wen-rang.XU You-lin.KO Jan-ming.HE Jian-ping.WANG Jian-lei.ZHOU Yi,合肥电视塔,TMD,风振控制的响应分析,期刊论文,-,工程力学,2001(3).,