TMD在高層建筑中不同高度減震效果研究

李順順 邱振華 李故功 王巖磊

TMD在高層建筑中不同高度減震效果研究

李順順 邱振華 李故功 王巖磊

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450000）

在多層鋼框架建筑模型上安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD：Tuned Mass Damper），選取功率譜生成地震波作為加載波形。改變TMD的安裝高度，分別測得鋼框架模型在不同TMD安裝高度狀態(tài)下的加速度，獲得加速度時程曲線。根據(jù)結(jié)果分析TMD減震效果與安裝高度的相關(guān)關(guān)系，得出TMD在實驗結(jié)構(gòu)中最佳的減震相對位置。

高層建筑；調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；不同安裝高度；減震效果

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是目前超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計中實際應(yīng)用最為廣泛的一種控制裝置，其風(fēng)振控制效果也得到了很多研究學(xué)者的認(rèn)可。對超高層建筑來說，風(fēng)荷載對建筑物穩(wěn)定性的影響巨大；風(fēng)荷載隨著高度的增加而增加。因此，TMD一般安裝在高層建筑的頂層，安裝在頂層的抗風(fēng)效果最好。但是，對于抗擊地震方面，TMD的最佳安裝位置卻不可得知。與風(fēng)振相比，地震的主要破壞形式橫波卻是從基礎(chǔ)向頂層傳播，且結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)機(jī)制更加復(fù)雜。那么，對于抗擊地震破壞效果方面，TMD的安裝高度與減震效果的關(guān)系是什么？這對高層建筑TMD減震系統(tǒng)的安裝有重要意義，有必要做進(jìn)一步研究[1-2]。

1 TMD工作原理及參數(shù)確定

1.1 TMD體系的工作原理

TMD控制器本身是一個由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成的動力系統(tǒng)。主體結(jié)構(gòu)承受動力作用而振動時，質(zhì)量塊也產(chǎn)生相對慣性運(yùn)動，當(dāng)TMD的自振頻率調(diào)諧到與主結(jié)構(gòu)的頻率或激勵頻率達(dá)到某種關(guān)系時，TMD將通過彈簧、阻尼器向主結(jié)構(gòu)施加反方向作用力來部分抵消輸入結(jié)構(gòu)的擾動力，并通過阻尼器集中消能，使主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)衰減。

1.2 TMD參數(shù)確定

先用數(shù)值計算軟件Ansys Workbench進(jìn)行模態(tài)分析，計算出模型的自振頻率，然后通過掃頻實驗獲得真實自振頻率。按照數(shù)值計算軟件計算出模型的自振頻率以及調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD的參數(shù)，最后制作TMD。

表1 模態(tài)分析1-8階固有頻率

參考上海交通大學(xué)李春祥等人關(guān)于地震作用下高層建筑TMD研究與設(shè)計中TMD最優(yōu)設(shè)計表格，可以推算出TMD減少結(jié)構(gòu)震動的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，具體如下：

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由質(zhì)量Mt、阻尼Ct和彈簧Kt組成。取調(diào)諧質(zhì)量阻尼器與建筑模型質(zhì)量比μ=0.08，Ansys Workbench計算出模型的自振頻率ω1=85.265Hz。

已有鋼框架模型質(zhì)量M1=17.75kg

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器質(zhì)量Mt=μ×M1=0.08×17.75=1.42kg

阻尼Ct=2×Mt×ξopt×ω1=2×1.42×0.154×85.265=37.3（N·s/m）

彈簧剛度Kt=×Mt=85.2652×1.42=10.324（kN/m）

最優(yōu)阻尼比ξopt=（3μ/8×（1+μ）3）0.5=0.154

2 實驗?zāi)Ｐ偷闹谱?/h2>

以鄭州大學(xué)鐘樓作為建筑結(jié)構(gòu)的原型，取鐘樓的下半部分，按照1∶25的相似比例制作鋼框架結(jié)構(gòu)模型。添加合適的配重，使之符合高層建筑的一般力學(xué)性能。

3 模型實驗分析

震動試驗臺：DY-600型電磁式振動臺。首先對六層鋼框架模型在振動臺進(jìn)行掃頻試驗得到主結(jié)構(gòu)的自振頻率，并針對一階振型進(jìn)行控制，得到一階共振頻率大小為81.054Hz。由掃頻實驗獲得的自振頻率81.054Hz和Ansys Workbench計算出模型的自振頻率ω1=85.265Hz在合理誤差范圍內(nèi)，通過調(diào)整TMD參數(shù)，兩個頻率可以很好地契合。

為了研究在基底激勵下TMD安裝高度對減震效果的影響，將TMD分別安裝在鋼框架的頂部、中部、底部，通過已經(jīng)安裝的加速度傳感器測量其不同工況下的加速度時程響應(yīng)曲線。采樣頻率為2 000Hz，分4種工況進(jìn)行處理，每種工況持續(xù)時間300s，在4種工況下輸入相同的功率譜生成地震波。為減少誤差，掐頭去尾，取各個工況100～160s時間段為研究對象。

4 結(jié)論

本文通過振動臺對比實驗，分析了TMD安裝在不同位置時建筑結(jié)構(gòu)各個部位的減震效果，進(jìn)而可以得到以下結(jié)論。①在相同能量的基底激勵作用下，TMD減震效果顯著，明顯地減少了建筑模型的峰值加速度和峰值位移。②TMD安裝在頂部減震效果最佳，中部次之，底部減震效果最差。因此，將TMD安裝在建筑結(jié)構(gòu)的頂部最好。③對頂部和中部結(jié)構(gòu)，與TMD安裝位置越接近的結(jié)構(gòu)，減震效果越好。因此，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的某個部位比較脆弱，防震級別較高時，可考慮在此位置安裝TMD，但注意要考慮結(jié)構(gòu)承載TMD重量的能力。④對建筑底部結(jié)構(gòu)，TMD安裝高度越接近底部結(jié)構(gòu)各位置減震效果越差，甚至?xí)鰪?qiáng)底部的振動。因此，不能將TMD安裝在建筑物的底部。

［1］李春祥.地震作用下高層建筑TMD控制研究與設(shè)計［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，1999（6）：746-749.

［2］周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京：地震出版社，1997.

Study on Shock Absorption Effect of TMD at Different Heights in Tall Buildings

Li Shunshun Qiu Zhenhua Li Gugong Wang Yanlei
（School of Water Conservancy and Environment,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450000）

In the construction of multi-storey steel frame model is installed on the tuned mass damper(TMD∶Tuned Mass Damper),selects the power spectrum generated seismic waves as the loading waveform.Change the installation height of TMD,were measured in a steel frame model under the condition of the installation height of acceleration in different TMD curve acceleration.It was according to the results of correlation analysis of TMD the damping effect and the installation height,the relative TMD in the experimental structure of the optimal damping position.

high rise buildings；tuned mass dampers；different mounting heights；damping effects

TU352.1

A

103-5168（2017）09-0119-02

2017-08-03

鄭州大學(xué)全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（201610459028）。

李順順（1993-），男，碩士，研究方向：水工結(jié)構(gòu)方向；邱振華（1995-），男，碩士，研究方向：水工結(jié)構(gòu)方向；李故功（1993-），男，碩士，研究方向：水工結(jié)構(gòu)方向；王巖磊（1996-），男，本科，研究方向：給水排水。