基于TMD、PTMD的振動控制實驗

任 亮， 劉 晟， 修成竹

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024; 2.安徽大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，合肥 230601)

基于TMD、PTMD的振動控制實驗

任 亮1， 劉 晟2， 修成竹1

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024; 2.安徽大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，合肥 230601)

設(shè)計了基于調(diào)沿質(zhì)量阻尼器(TMD)和碰壁質(zhì)量調(diào)諧阻尼器(PTMD)的減震方法，搭建單層框架的調(diào)諧減震模型，最終得到基于TMD、PTMD的振動控制系統(tǒng)。實驗中，向系統(tǒng)輸入地震波和簡諧波，觀察采取吸震減震措施前后的結(jié)構(gòu)震動狀態(tài)及采集的加速度時程曲線，通過對比分析得到結(jié)構(gòu)的減震效果。實驗結(jié)果顯示，采取吸震減震措施后結(jié)構(gòu)的震動明顯減??；加速度時程曲線顯示,采取調(diào)諧減震措施后結(jié)構(gòu)的加速度顯著降低，從而證明了減震措施有效性。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器; 碰撞調(diào)諧質(zhì)量阻尼器; 吸震減震； 振動控制； 加速度； 實驗設(shè)計

0 引 言

傳統(tǒng)抗震主要是通過加大構(gòu)件截面、使用高強材料、增加一些構(gòu)造措施等來提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力和變形能力，以此達到防止結(jié)構(gòu)倒塌的目標(biāo)。這些措施本身就增加了結(jié)構(gòu)的自重，使結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜，出于經(jīng)濟投入的考慮，在結(jié)構(gòu)抵抗地震作用時，結(jié)構(gòu)已經(jīng)不處于彈性變化范圍之內(nèi)，但又不會發(fā)生特別嚴(yán)重的破壞，其實質(zhì)是矛盾的[1]，只是彼此做出讓步，達到某種平衡。而振動控制技術(shù)不僅節(jié)省費用，而且施工簡單[2]。振動控制技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)的抗震找到了一個新的方向，調(diào)諧減震作為較為常用的振動控制技術(shù)對建筑的減震具有很重要的意義，而調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、碰撞調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(PTMD)是調(diào)諧減震較普遍的振動控制技術(shù)更是應(yīng)用范圍較廣[3-6]。

Frahm首次提出用TMD控制結(jié)構(gòu)的振動[7]。此后，各國的研究學(xué)者開始了TMD控制的理論研究。我國專家也開始了對調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的研究，并且該理論已經(jīng)大量應(yīng)用在了實際的工程中，如大跨度樓蓋[8]和臺灣的101大廈等[9]。

本文通過對比TMD、PTMD措施前后儀器的振動狀態(tài)及加速度時程曲線，深刻地認(rèn)識到調(diào)諧減震的重要意義，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識和實際操作能力[10]，提高工程應(yīng)用能力。

1 實驗原理

調(diào)諧減震又叫吸震減震，它的技術(shù)原理是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置子結(jié)構(gòu)，調(diào)整子結(jié)構(gòu)的振動頻率接近主體結(jié)構(gòu)的基本頻率或激振頻率，當(dāng)震動作用于結(jié)構(gòu)時，子結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相應(yīng)的慣性力，其方向與主體結(jié)構(gòu)的振動方向相反，從而使震動反應(yīng)衰減。該過程中，激勵能量在主體結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)中重新分配，大部分能量集中在子結(jié)構(gòu)上，降低主體結(jié)構(gòu)振動效應(yīng)[11-14]。調(diào)諧減震控制裝置主要有調(diào)液柱阻尼器(TLD)、懸吊質(zhì)量擺阻尼器(SMPD)、TMD和PTMD，見圖1。

(a) TZD

(b) SMPD

(c) TLD

目前TMD在高層和超高層建筑應(yīng)用較廣[15]，主要用于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)震設(shè)計[16-17]。通常TMD阻尼器的質(zhì)量塊越大，對結(jié)構(gòu)的減振效果越明顯。但在工程實際中，如果質(zhì)量塊過大，會投入過多的資金，而且質(zhì)量塊也會對建筑物造成較大的負(fù)荷，所以對TMD質(zhì)量塊的質(zhì)量要加以限制。研究表明，TMD 質(zhì)量塊與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比在0.005～0.05之間既經(jīng)濟又有明顯效果。

2 基于調(diào)諧減震的振動控制模型設(shè)計

2.1TMD減震的振動控制模型設(shè)計

本模型采用的是基于懸掛式TMD的振動控制結(jié)構(gòu)(見圖2)。因為吸震減震控制方法多用于高聳結(jié)構(gòu)，所以此實驗系統(tǒng)的模型設(shè)計整體剛度相對較小。上部結(jié)構(gòu)為一層框架，質(zhì)量塊和整體結(jié)構(gòu)之間由剛度比較小的材料連接，懸吊在結(jié)構(gòu)頂端，形成TMD阻尼器。調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置，使得TMD阻尼器的頻率與整體結(jié)構(gòu)的頻率比值f=1/(1+u)，u=m1/m，f≈1。本實驗中質(zhì)量塊約為主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/20，即u=m1/m=0.05。結(jié)構(gòu)與振動臺采取固接的連接方式。當(dāng)基礎(chǔ)受到水平方向激勵時，TMD阻尼器的質(zhì)量塊隨著結(jié)構(gòu)的振動而擺動，輸入到結(jié)構(gòu)中的大部分能量都被吸到懸吊質(zhì)量擺的質(zhì)量塊上，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量塊的動能和勢能，減小主體結(jié)構(gòu)的振動。

2.2PTMD減震的振動控制模型設(shè)計

在TMD模型基礎(chǔ)上加碰撞設(shè)施形成基于PTMD減震的振動控制模型(見圖3)，使得質(zhì)量塊在擺動過程中發(fā)生碰撞耗散能量。碰撞結(jié)構(gòu)采用彈性較好的材料，這樣在質(zhì)量塊與碰撞面碰撞的過程中會耗散掉一部分能量。且質(zhì)量塊與碰撞物之間的間隙是可以調(diào)整的。

圖2 TMD的振動控制系統(tǒng)示意圖

圖3 PTMD振動控制系統(tǒng)示意圖

3 調(diào)諧減震的振動控制實驗

3.1TMD減震的振動控制實驗

3.1.1實驗準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計模型加工構(gòu)件，組裝成單層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的上部框架與基礎(chǔ)底盤之間通過螺栓固定連接，基礎(chǔ)再與振動臺通過螺栓固定連接，根據(jù)設(shè)計，此模型的剛度較小。框架兩側(cè)的柱采用冷扎鐵材料，其余材料均為鋼，結(jié)構(gòu)無控時的模型(見圖4)，在框架頂部中點處設(shè)置可懸掛質(zhì)量塊的位置，得到基于懸吊質(zhì)量擺的減振控制系統(tǒng)實物(見圖5)，質(zhì)量塊質(zhì)量設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/20。將基于基底隔震的減振控制系統(tǒng)固定在QUANSER公司研發(fā)的Shake Table II振動臺上，加速度傳感器通過磁鐵連接在結(jié)構(gòu)頂部。在每次啟動振動臺之前，要調(diào)節(jié)振動臺的螺旋至供電模塊(見圖6)的綠色指示燈亮，紅色指示燈滅，因為綠色燈亮說明振動臺處于中間位置，振動臺在震動的過程中是安全的，否則很可能發(fā)生振動臺在震動的過程中撞擊到兩側(cè)，對實驗設(shè)備造成損壞。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解調(diào)儀采用的是光纖光柵與電類傳感器同步采集儀(見圖7)，解調(diào)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

圖4 無控時結(jié)構(gòu)實物圖

圖5 基于TMD減震實物圖

圖6 振動臺的供電模塊

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

3.1.2采取TMD減震措施前實驗

在結(jié)構(gòu)不采取任何措施的情況下模擬沒有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減振措施的情況，將加速度傳感器通過磁鐵連接在一層框架的上部。對振動臺輸入水平方向地震波(地震波采用的是美國在1940年得到的EL Centro 波)，觀察上部結(jié)構(gòu)的運動情況。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解調(diào)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖8中紅色曲線)，觀察上部結(jié)構(gòu)的運動情況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線。再對控制系統(tǒng)輸入頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相近的簡諧波，觀察上部結(jié)構(gòu)的運動情況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖9中紅色曲線)。

3.1.3采取TMD減震措施后實驗

通過剛度較小的雪花板將質(zhì)量塊和單層框架用螺栓固定連接，模擬TMD減震系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的上下位置調(diào)節(jié)TMD子結(jié)構(gòu)的頻率與主體結(jié)構(gòu)相同，對系統(tǒng)輸入相同的地震波，采集單層框架上部加速度，并繪制加速度時程曲線(如圖8中綠色曲線)。再對控制系統(tǒng)輸入同樣的簡諧波，觀察上部結(jié)構(gòu)運動情況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖9中藍色曲線)。

圖8 加速度時程曲線對比圖

圖9 加速度時程曲線對比圖

3.1.4實驗結(jié)果與分析

由加速度時程曲線(見圖8、9)對比圖及實際實驗觀察可以看出，在采取TMD振動控制措施前輸入水平地震波及簡諧波振動，上部結(jié)構(gòu)振動劇烈。采取TMD振動控制措施后，輸入水平地震波及簡諧波振動，上部結(jié)構(gòu)振動明顯減輕，減振效果非常明顯。

3.2PTMD減震的振動控制實驗

3.2.1實驗準(zhǔn)備

在基于TMD的振動控制基礎(chǔ)之上增加碰撞設(shè)施來模擬PTMD減震系統(tǒng)(見圖10)。本實驗碰撞接觸面處采用的材料為VHB雙面膠帶，這種材料有一定的彈性且硬度適宜。將多層膠帶黏貼在三角鐵架上(見圖11)，又用夾子(見圖12)將三角鐵架固定在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。通過調(diào)節(jié)三角鐵架位置可以調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的碰撞間隙。

圖10 PTMD減震實物圖

圖11 碰撞接觸面 圖12 夾子

3.2.2采取PTMD減震措施后實驗

因為在未采取結(jié)構(gòu)振動控制而輸入地震波時結(jié)構(gòu)的加速度已經(jīng)在上面的實驗中進行了，所以在該實驗中只進行了采取PTMD減震措施后的實驗。

首先調(diào)節(jié)質(zhì)量塊與碰撞面之間的縫隙為5 mm，對系統(tǒng)輸入與無控時相同的簡諧波和地震波，并采集同樣部位的加速度。再分別調(diào)節(jié)縫隙為10、15、20、25、30 mm，且每個間隙都對結(jié)構(gòu)輸入簡諧振動波和地震波，采集結(jié)構(gòu)上部的加速度，將每一次采集到的加速度都通過Matlab繪制成加速度時程曲線。圖13為在EL-centro地震波作用下碰撞縫隙分別為10、20、30 mm時系統(tǒng)上部的加速度時程曲線。

圖13 加速度時程曲線對比圖

3.2.3實驗結(jié)果與分析

通過對比曲線可以明顯看出，雖然碰撞縫隙不同時結(jié)構(gòu)的最大加速度相差較少，但也可以看出綠色曲線，即碰撞間隙為20 mm時結(jié)構(gòu)的加速度相對較小，控制效果最為明顯；而碰撞間隙為10 mm的藍色曲線加速度減效的最快。說明碰撞間隙會影響PTMD阻尼器的振動控制效果。

PTMD是在TMD減振系統(tǒng)基礎(chǔ)上的進一步改進，在調(diào)諧減震的基礎(chǔ)上增加了耗能減震，在結(jié)構(gòu)輸入同樣的EL-centro地震波時，采集結(jié)構(gòu)的加速度，將兩者的加速度時程曲線進行對比，如圖14所示。

這兩種方法的振動控制對結(jié)構(gòu)的最大加速度的影響相差不多，但是在PTMD的減振措施下，結(jié)構(gòu)的加速度下降得更快，也就是在碰撞過程中地震的能量消耗的更快，這是PTMD振動控制將調(diào)諧減震和吸震減震相結(jié)合的優(yōu)點。

圖14 加速度時程曲線對比圖

為了將TMD、PTMD的減振效果進行更好的比較，將結(jié)構(gòu)分別在無控、TMD、PTMD控制下輸入相同的EL-centro地震波得到的加速度時程曲線繪制在同一張圖片中進行對比，如圖15所示，其中在PTMD控制作用下的實驗采取碰撞間隙為20 mm的結(jié)果。

通過結(jié)構(gòu)在無控、TMD、PTMD兩種方法減震情況下的加速度時程曲線對比圖(見圖15)可以明顯看出，結(jié)構(gòu)在采取了TMD、PTMD振動控制措施時，減震的效果都很顯著，地震的大部分能量都被調(diào)諧子結(jié)構(gòu)“吸去”，且PTMD的減震效果更為明顯。

圖15 加速度時程曲線對比圖

4 結(jié) 語

實驗教學(xué)是理論教學(xué)與具體實踐相結(jié)合，鞏固理論教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識和實際操作能力的重要環(huán)節(jié)。本實驗基于工程實際中常用的調(diào)諧減震方法，設(shè)計了基于TMD、PTMD的實驗演示裝置，通過對比在施加水平地震波和簡諧波振動作用時無振動控制及采取了TMD、PTMD振動控制措施時的加速度時程曲線，形象直觀地演示了調(diào)諧技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震中的作用效果。通過實驗幫助學(xué)生把理論和實踐聯(lián)系起來，能更好的理解調(diào)諧減震在實際應(yīng)用中的工作原理及重要意義。通過實驗激發(fā)同學(xué)們對調(diào)諧減震的興趣和積極性，幫助同學(xué)們理解課堂所學(xué)理論知識的實際含義，提高工程應(yīng)用能力。

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TheVibrationControlExperimentsBasedonTMDandPTMD

RENLiang1，LIUSheng2，XIUChengzhu1

(1. Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;2. College of Electrical Engineering and Automation, Anhui University, Hefei 230601, China)

In order to make the students preferably know about the principle and deeply understand the significance of the tuned mass damper, the experiment based on the shock absorption cutting-edge technology is designed and the scientific research achievement is applied in the teaching experiments. The TMD and PTMD methods are used in the experiments and the tuned mass damper model of the single-layer frame structure is fabricated. Finally, vibration control systems of TMD and PTMD are obtained. In experiments, the seismic wave and simple harmonic wave are inputted into the systems. The structure vibrations and acceleration-time curves are observed and obtained with and without the tuned mass damper. Through comparative analysis the damping effect of structure is ascertained. The experimental results show that the structure vibration obviously reduces and structure acceleration shown in the acceleration-time curves decreases with the tuned mass damper.

tuned mass damper(TMD); collision tuned mass damper(CTMD); shock absorption; vibration control; acceleration; experiment design

TU 317； TU 352.1

A

1006-7167(2017)09-0075-04

2016-12-10

任 亮(1979-)，男，山西介休人，博士，副教授，研究方向：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。Tel.: 0411-84706384; E-mail: renliang@dlut.edu.cn