调谐质量阻尼器TMD.ppt

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 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 TunedMassDamper 减振系统由弹簧或吊索 质量块 阻尼器 指粘滞阻尼杆或称ViscousDampingDevice 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 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 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 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 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 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 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 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 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ElCentro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 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 ElCentro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 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 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 1 SOONGT T DARGUSHG Passiveenergydissipationsystemsinstructuralengineering M 董平 译 北京 科学出版社 2005 173 202 203 2 JGJ3 2010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