結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)（PPT58張）

結(jié)構(gòu)振振動控控制技技術(shù)湖南科科技大大學(xué)土土木工工程學(xué)學(xué)院二0一二年年三月月主講：：王修修勇教教授第一章章緒緒論結(jié)構(gòu)的的動力力反應(yīng)應(yīng)結(jié)構(gòu)在在動荷荷載作作用下下引起起的響響應(yīng)地震風(fēng)車輛...常見激勵地震作作用（（中國國發(fā)生生的14次地震震）1556年中國國陜西西華縣縣8級地震震，死死亡人人數(shù)高高達83萬人。1668年山東東郯（（tan）城8.5級，波波及8省161縣，史史稱““曠古古奇災(zāi)災(zāi)”。。1920年寧夏夏海原原縣8.5級，死死亡24萬人。。1927年甘肅肅古浪浪8級地震震，死死亡4萬余人人。1932年甘肅肅昌馬馬堡7.6級地震震，死死亡7萬人。。1933年四川川茂縣縣7.5級地震震。1950年西藏藏察隅隅縣8.6級地震震。1966年邢臺臺6.8級、7.2級地震震，共共死亡亡8064人。1970年云南南省通通?？h縣7.7級地震震。死死亡15621人。1975年遼寧寧省海海城縣縣7.3級地震震。地震被被成功功預(yù)測測預(yù)報報預(yù)防防。1976年唐山山7.8級地震震，死死亡24.2萬人。。1988年云南南省瀾瀾滄7.6級(瀾滄)、7.2級(耿馬)的兩次大大地震。。2008年汶川8.0級地震，，6.9萬人遇難難。2010年青海省省玉樹7.1級地震2003年12月伊朗6.6級強震，5萬人死亡亡。2004年2月摩洛哥6.5級地震，，564人死亡。。2005年3月蘇門答臘臘8.7級地震，，1300人死亡。。2005年3月日本南部部7級地震，，1人死亡，，672人受傷。。2005年2月伊朗南部部6.4級地震，，602人死亡。。2006年5月印尼爪哇哇6.2級地震，，5782人死亡。。2007年7月日本新潟潟6.8級地震，，地震造成成11人死亡。。2006年7月印尼7.7級強震，，668人死亡。。2007年9月印尼7.9級海底地地震，10人死亡數(shù)數(shù)百人受受傷。2007年8月秘魯8級強震，，510人死亡。。2009年9月印尼7.9級地震，5000人死亡。。2010年1月海地7.3級地震，十余萬人人死亡。。2010年2月智利8.8級地震，799人死亡。。2011年2月新西蘭6.3級地震，200人遇難。。2011年3月日本9.0級強震2011年3月日本東東北部海海岸發(fā)生生9.0級地震。。2011年3月緬甸7.2級地震。地震作用用（國外外發(fā)生的的16次地震））產(chǎn)生傳遞引起震源地震波建筑物所所在場地地結(jié)構(gòu)的地地震反應(yīng)應(yīng)地震的破破壞作用用鋼結(jié)構(gòu)(扭轉(zhuǎn))Torsionbyeccentricstiffnessinplan地震的破破壞作用用多高層鋼鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)TaiwanEarthquake1999.9.211:472,300地震的破破壞作用用底層大空空間LessonsfromEarthquakes:

damagebyweakfirststory(onlycolumns)低層剪斷斷滑移LessonsfromEarthquakes:

damagebyweakfirststory(onlycolumns)地震的破破壞作用用中間層剛剛度突變變,剪斷LessonsfromEarthquakes:

damagebyweakstoryinmiddleheight地震的破破壞作用用平面不規(guī)規(guī)則單單層LessonsfromEarthquakes:

Lowrisebuildingsalsoarewereseverelydamaged地震的破破壞作用用房屋內(nèi)部部設(shè)備儀儀器倒塌塌破壞LessonsfromEarthquakes:Facilitiesinsidethebuildingswereseverelydamaged地震的破破壞作用用地震中破破壞的橋橋梁風(fēng)的作用用英國泰灣灣橋風(fēng)毀毀1897年風(fēng)作用下下結(jié)構(gòu)可可能發(fā)生生顫振、、馳振、、渦振以以及靜風(fēng)風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)災(zāi)破壞壞事例1948年美國塔塔可瑪橋橋（TacomaNarrow）風(fēng)毀Tacoma橋風(fēng)毀視頻風(fēng)的破壞壞作用從1918年起，，至少有有11座橋梁毀毀于強風(fēng)風(fēng)風(fēng)的破壞壞作用風(fēng)災(zāi)破壞壞事例-靜風(fēng)失穩(wěn)穩(wěn)冷卻塔風(fēng)風(fēng)毀輸電塔風(fēng)風(fēng)毀臺風(fēng)毀壞壞的房屋屋和橋梁梁風(fēng)災(zāi)使廣廣告牌毀毀壞風(fēng)的作用用斜拉橋拉拉索風(fēng)雨雨振（日日本）風(fēng)的作用用斜拉橋拉拉索風(fēng)雨雨振（洞洞庭湖大大橋）風(fēng)的作用用TokyobayBridge風(fēng)的作用用結(jié)構(gòu)振動控制被動控制主動控制半主動控制混合控制金屬屈服服阻尼器器基礎(chǔ)隔震粘彈性阻阻尼器摩擦阻尼尼器粘性液體體阻尼器器調(diào)諧質(zhì)量量阻尼器器調(diào)諧液體體阻尼器器質(zhì)量阻尼尼器主動斜撐撐和錨索索主動質(zhì)量量阻尼器器混合質(zhì)量量阻尼器器主動變阻阻尼控制制主動變剛剛度控制制磁流變阻阻尼器電流變阻阻尼器耗能減震震可控流體體振動控制制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀狀MMPassiveDamperMBase

IsolationMmTunedMassDamper被動控制制形式PassiveControlSystemsStructureExcitationResponsePED研究結(jié)構(gòu)構(gòu)振動控控制技術(shù)術(shù)目的控制結(jié)構(gòu)構(gòu)的振動動響應(yīng)保證結(jié)構(gòu)構(gòu)安全；；提高結(jié)構(gòu)構(gòu)的舒適適性；；避免因結(jié)結(jié)構(gòu)振動動引起的的公眾恐恐慌。振動控制制技術(shù)簡簡介及發(fā)發(fā)展歷史史（1）被動動控制制a、隔震1881年，日日本河河合浩浩藏提提出了了結(jié)構(gòu)構(gòu)基礎(chǔ)礎(chǔ)隔震震的概概念。。1924年，日日本鬼鬼頭健健三郎郎，提提出了了基礎(chǔ)礎(chǔ)軸承承隔震震方案案。1978年，美美國Kelly等，提提出疊疊層橡橡膠支支座隔隔震方方案及及技技術(shù)術(shù)。緒論b、耗能減減振1970年開始始，Kelly提出在在結(jié)構(gòu)構(gòu)中設(shè)設(shè)置非非結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件件的耗耗能元元件—金屬軟軟鋼屈屈服耗耗能器器，包包括：：扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)梁，，彎曲曲梁、、U型鋼器器件等等，這這一思思想是是對結(jié)結(jié)構(gòu)抗抗震延延性設(shè)設(shè)計的的一個個重要要發(fā)展展。阻阻尼器器被動動減振振應(yīng)用用。80年代開開始TMD,TLD,TLCD的應(yīng)用用。（2）主動控控制20世紀50年代，，日本本Kobori提出結(jié)結(jié)構(gòu)變變剛度度減震震概念念。1972年，Yao應(yīng)用現(xiàn)現(xiàn)代控控制理理論，，提出出了土土木工工程結(jié)結(jié)構(gòu)振振動控控制的的概念念，開開創(chuàng)了了結(jié)構(gòu)構(gòu)主動動控制制的新新里程程。結(jié)構(gòu)主主動控控制特特點：：能取取得很很好的的效果果，需需要很很大外外部能能量的的輸入入。緒論（3）結(jié)構(gòu)半半主動動控制制近幾十十年來來，半半主動動控制制發(fā)展展迅速速。半半主動動變剛剛度，，半主主動變變阻尼尼：電電流變變、磁磁流變變。半主動動控制制特點點：輸輸入能能量很很小，，控制制效果果接近近主動動控制制。3、講授內(nèi)內(nèi)容隔震、、TMD控制原原理、、TLD/TLCD減振、、阻尼尼器減減振，，半主主動變變剛度度、半半主動動變阻阻尼、、混合合控制制，半半主動動與混混合控控制，，主動動控制制與智智能控控制：：主動動控制制、智智能控控制、、自適適用控控制。。緒論參考書書目《結(jié)構(gòu)振振動與與控制制》—李宏男男《結(jié)構(gòu)振振動控控制：：被動動耗能能減振振，主主動、、半主主動和和智智能控控制》—歐進萍萍《高聳結(jié)結(jié)構(gòu)振振動控控制》—王肇民民《結(jié)構(gòu)工工程中中的被被動消消能系系統(tǒng)》—T.T.Soong等緒論第二章章基基底隔隔震1、概念念基底隔隔震：：在基基礎(chǔ)和和上部部結(jié)構(gòu)構(gòu)間設(shè)設(shè)置隔隔震層層，使使之與與固結(jié)結(jié)于地地基中中的基基礎(chǔ)頂頂面分分開，，限制制地震震動向向結(jié)構(gòu)構(gòu)物的的傳遞遞。隔隔震層層水平平剛度度顯著著低于于結(jié)構(gòu)構(gòu)的側(cè)側(cè)向剛剛度。。目前前基底底隔震震主要要用于于隔離離水平平地震震作用用。2、原理理通過設(shè)設(shè)置隔隔震裝裝置系系統(tǒng)形形成隔隔震層層,延長結(jié)結(jié)構(gòu)的的周期期，適適當(dāng)增增加結(jié)結(jié)構(gòu)的的阻尼尼,使結(jié)構(gòu)構(gòu)的加加速度度反應(yīng)應(yīng)大大大減少少,同時使使結(jié)構(gòu)構(gòu)的位位移集集中于于隔震震層,上部結(jié)結(jié)構(gòu)像像剛體體一樣樣,自身相相對位位移很很小，，結(jié)構(gòu)構(gòu)基本本上處處于彈彈性工工作狀狀態(tài)，，從而而建筑筑物不不產(chǎn)生生破壞壞或倒倒塌。。動力方方程：：設(shè)：圖2.1基底隔隔震模模型其中D為動力力放大大系數(shù)數(shù)，當(dāng)當(dāng)β較大時時，D小于1。圖2.2動力放放大系系數(shù)穩(wěn)態(tài)相相對位位移反反應(yīng)：：彈性力力和阻阻尼力力：總作用用力的的幅值值：傳導(dǎo)比比：圖2.3振動傳導(dǎo)比比此時具有隔隔震效果。。一般地震的的周期為0.1s,卓越頻率10HZ，采用隔震震層，相當(dāng)當(dāng)于減小k，周期為0.4～0.5s，結(jié)構(gòu)固有有頻率0.2～0.25HZ。a、提高了結(jié)結(jié)構(gòu)地震安安全性及舒舒適感。b、防止了非非結(jié)構(gòu)構(gòu)件件破壞和建建筑物內(nèi)物物品振動、、移動和翻翻倒。圖2.4隔震與非隔隔震結(jié)構(gòu)地地震反應(yīng)對對比c、降低了房房屋結(jié)構(gòu)造造價。7度區(qū)可節(jié)省省1％～3％；8度區(qū)可可節(jié)省5％～15％；9度區(qū)節(jié)省10%～20%。d、結(jié)構(gòu)平立立面設(shè)計較較為靈活。。e、可以保持持儀器和設(shè)設(shè)備的正常常使用功能能。3、隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)的特性4、基底隔震震方法（1）橡膠墊隔震震：豎向剛度度大，水平平剛度為豎豎向的1%。橡膠墊層隔隔震支座：：普通疊層層橡膠支座座；鉛芯疊疊層橡膠支支座；高高阻尼疊層層橡膠支座座。圖2.5橡膠墊層隔隔震支座（2）滑、轉(zhuǎn)動支支座a、聚四氟乙乙烯支座：：對輸入的的地震波頻頻率不敏感感，隔震范范圍廣；b、回彈滑動動支座；c、滾軸、滾滾珠支座；；圖2.6滾軸、滾珠珠隔震裝置置d、摩擦錘支支座（FPS）e、搖擺支座座f、踏步式支支座圖2.7搖擺式隔震震支座圖圖2.8踏步式隔震震支座g、阻尼器5、隔震裝置置性能隔震裝置是是指將結(jié)構(gòu)構(gòu)與地基隔隔離的裝置置和機構(gòu)，，它一般由由隔震器和和阻尼器組組成。要要求隔震器器具有承受受荷載的能能力、大變變形性能和和在大地震震后幫助隔隔震器迅速速恢復(fù)到原原位的能力力。目前，世界界各國廣廣泛接受和和采用的隔隔震器是多多層(或疊層)橡膠支座。圖2.9多層橡膠和和單層橡膠膠塊的變形形狀態(tài)（1）普通疊層層橡膠支座座的力學(xué)性性能a、豎向變形形性能b、水平大變變形引起的的豎向變形形圖2.10豎向受壓時時的荷載—位移曲線圖圖2.11水平大變形形引起的豎豎向沉降c、水平變形形性能圖2.12水平荷載—位移曲線圖圖2.13豎向壓力對對水平剛度度的影響（2）鉛芯多層層橡膠支座座a、豎向變形形性能鉛芯多層橡橡膠支座在在堅向壓縮縮時的荷載載—位移曲線，，以及伴隨隨水平位移移發(fā)生的豎豎向沉降量量均和普通通多層橡膠膠支座的性性質(zhì)基本相相同。b、水平變形形性能圖2.14鉛芯橡膠支支座水平荷荷載—位移的關(guān)系系（3）高阻尼多多層橡膠支支座a、豎向變形形性能在豎向壓力力作用下，，高阻尼多多層橡膠支支座的荷載載—位移曲線，，以及伴隨隨水平位移移發(fā)生的豎豎向沉降量量均和普通通多層橡膠膠支座的性性質(zhì)大體相相同。b、水平變形形性能圖2.15高阻尼橡膠膠支座在水水平荷載作作用下的滯滯回曲線（4）阻尼比的的確定其中：—滯回曲線包包圍的面積積；d—水平剛度—水平位移6、隔震動力力反應(yīng)分析析（1）隔震層分分析模型a、考慮隔震震層的最大大位移在多多層橡膠隔隔震支座的的線性范圍圍內(nèi)(一般最大變變形約為250％)，故在該范范圍內(nèi)模型型可取為線線彈性的。。b、當(dāng)采用的的阻尼器為為粘滯型阻阻尼器時，，阻尼力F可按下式計計算：式中，v為相對速速度；c為阻尼常常數(shù)；n為待定常常數(shù)，一一般取n＝0.5~2.0。圖2.16橡膠墊層層隔震層層恢復(fù)力力模型d、鉛芯多多層橡膠膠隔震支支座和高高阻尼多多層橡膠膠隔震支支座可采采用修正正的雙線線型模型型，如圖圖：c、當(dāng)采用用的阻尼尼器為滯滯回型阻阻尼器時時，隔震震層系統(tǒng)統(tǒng)分析模模型可采采用如圖圖5.13所示的雙雙線型模模型。圖2.17修正的雙雙線型恢恢復(fù)力模模型（2）隔震分分析模型型a、剛體模模型基底隔震震多用于于高寬比比較小的的中低層層房屋。。如果上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)的剛度度較大，，則由于于隔震層層的水平平剛度相相對小得得多，上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)可簡化化成剛體體。2.18隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)的剛體體模型振動方程程：式中，[M]、[C]、[K]、{U}和[I]分別為體體系的質(zhì)質(zhì)量陣、、阻尼陣陣、剛度度陣、位位移向量量和位置置向量，，具有如如下形式式：b、多質(zhì)點點體系平平動分析析模型當(dāng)上部結(jié)結(jié)構(gòu)相對對較柔、、層間變變形較大大時(如多層框框架結(jié)構(gòu)構(gòu))，隔震房房屋可簡簡化成多多質(zhì)點體體系。圖2.19多質(zhì)點平平動體系系的分析析模型動力方程程：c、多質(zhì)點點體系平平動—搖擺分析析模型當(dāng)上部結(jié)結(jié)構(gòu)層間間剛度相相對較小小、垂直直荷載較較大，而而采用的的多層橡橡膠墊的的橡膠總總厚度較較大時。?？赡墚a(chǎn)產(chǎn)生明顯顯的堅向向變形。。在這種種情況下下，不僅僅要考慮慮結(jié)構(gòu)的的水平振振動，而而且還要要考慮結(jié)結(jié)構(gòu)的搖搖擺振動動，它的的分析模模型如圖圖：圖2.20多質(zhì)點隔隔震體系系平動—搖擺振動動分析模模型振動方程程：式中為結(jié)構(gòu)地地板的搖搖擺角加加速度；；[H]為體系質(zhì)質(zhì)點的位置矩矩陣。d、隔震橋橋梁支座座模型1）、聚四四氟乙烯烯支座摩擦力：：圖2.21聚四氟乙乙烯支座座模型2）、R—FBI（回彈滑滑動支座座）、FPS（摩擦錘錘支座））模型圖2.22回彈滑動動支座模模型世界中,美,日三國國隔震震結(jié)構(gòu)工工程應(yīng)用用應(yīng)用層層數(shù):中國19層，已建近450幢美國29層，已建近近100幢日本42層，已建近1200幢中國應(yīng)用用數(shù)量：：1991年～現(xiàn)在在已建450幢(廣東,西昌，新新疆，云云南，山山西…….)我國隔隔震技術(shù)術(shù)的應(yīng)應(yīng)用為人民建建造確保保地震時時安全的的住宅讓人民享享用免遭遭地震傷傷亡的權(quán)權(quán)利(1)中國隔震震建筑分分布：已應(yīng)用在在我國廣廣東，福福建，山山西，陜陜西，云云南，四川，寧寧夏，內(nèi)內(nèi)蒙古，，新疆，，河北，，河南，，江蘇，，北京，上上海，天天津，臺臺灣等16個省市自自治區(qū)(2)中國隔震震建筑數(shù)數(shù)量：在我國設(shè)設(shè)計和建建成隔震震房屋近近450幢(3)范圍:住宅,辦公大樓樓,教學(xué)樓,醫(yī)院,指揮中心心.郵電通信信樓,博物館,體育館….民用住宅宅70%,重要建筑筑20%,其它10%中國隔震震建筑應(yīng)應(yīng)用分分布圖（（已建成成）1993-2002隔震技術(shù)應(yīng)用分布圖多種隔震震型式（1）基底隔隔震（有地下下室）（2）首層隔隔震（無地下下室）（3）層間隔隔震（豎向不不規(guī)則））我國第一一棟橡膠膠支座隔隔震房屋屋（8層住宅））-廣東汕頭頭1989-1993SeismicIsolation-ApplicationinChina平面布置置圖HousesinShantouCity(2)隔震房屋屋不隔震房房屋隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)工程程應(yīng)用及及地地震考驗驗SeismicIsolation-inShantouCity--Earthquakeexperience中國第一一棟:1993年汕頭頭8層隔震房房屋(聯(lián)合國UNIDO國際項日日)中國地震震考驗:1994.9.16臺灣海峽峽地震(M7.3)汕頭傳統(tǒng)房屋屋:晃動激烈烈人站不穩(wěn)穩(wěn)青少年跳跳窗逃（（死傷126人）水桶濺水水1/3汕頭隔震房屋屋:人無震感感云南大理理--隔震結(jié)構(gòu)構(gòu)工程應(yīng)應(yīng)用和地地震考驗驗（1995.10.24首層隔震震廣東東澄海政政府干干部住宅樓（（7層）HousesbuildingsinsouthernChina首層隔震震四川西西昌隔隔震住宅宅樓（8棟）1995HousesinXichanCity隔震支座座基底隔震震首層隔震震廣州市地地震監(jiān)測測指揮中中心2000年首層隔震震汕頭博物物館1996年MuseuminShantouCity,southernChina(1)首層隔震震四川西西昌郵郵電局隔隔震樓樓（7層）1995隔震支座基底隔震太原市圖書書擋案館隔隔震樓(6層)1998隔震支座基底隔震太原綜合樓-ApplicationinChinaHighrise(19story)buildinginTaiyuanCity,northernChina新疆烏魯木木齊石化廠廠區(qū)隔震住宅樓群（38棟，13萬m2）2000年當(dāng)年世界隔震震面積最大(基底隔震)新疆烏魯木木齊第八鋼鋼廠區(qū)隔震震住宅樓群（（36棟，12萬m2）2001年當(dāng)年世界隔震震面積最大(基底隔震)Isolatedbuildings--thelargestareaintheworld北京地鐵地地面樞紐站大大面積平臺臺上隔震住住宅樓(建設(shè)中)●RC大平臺（2000米1500米）上建造48幢9層的隔震住住宅樓●隔震建筑面積480,000平方米目前世界面積最大隔震建筑群隔震層(隔震支座)層間隔震–StoriesIsolation隔震層(隔震支座)北京地鐵9層隔震房屋屋（2）北京地鐵9層隔震房屋（4）(M)17P04BJ05Stories-isolation隔震房屋完好無損損ElCentrowaveTianjingwaveLocalSitewaveGroundMotion地震Ag=0.60gIsolationStructuralAcc.結(jié)構(gòu)As=0.11～0.16g(M)17p04BJISO07Storiesno-isolationShakingtabletests）不隔震No-Isolation(Fixed)Damage,CollapseElCentro(N-S)(Transverse)GroundMotion地震Ag=0.366gStructuralAcc.結(jié)構(gòu)As=0.834gComparison:隔震/不隔震=1/4Storiesno-isolation(Severedamage,collapse)Storiesno-isolation(Severedamage,collapse)北京地鐵地地面樞紐站RC平臺上隔震支座施施工安裝北京地鐵地地面樞紐站隔隔震住宅樓樓技術(shù)經(jīng)濟效益益(1)房屋抗震安全度提高4倍(2)平臺的地震反反應(yīng)降為2/3(3)住宅面積增加加近10萬平方米（房屋從6層增加到9層）(4)直接增創(chuàng)產(chǎn)值值6億元(6000元/平方米)(未計間接效效益）SeismicIsolation-ApplicationinUSA(1)

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Westpost&communicationbuilding--withisolationJapanKobeEarthquake1995.1.175:476,000JapanKobeEarthquake1995.1.175:476,000SeismicIsolation-ApplicationinJapan日本高高層（（26層）隔隔震住住宅大大樓日本高高層（（32層）隔隔震商商住大大樓日本超超高層層（42層）隔隔震住住宅大大樓（（大坂坂市））2002.10.施工至至28層日本超超高層層（42層）隔隔震住住宅大大樓（（大坂坂市））日本超超高層層（42層）隔隔震住住宅大大樓（（大坂坂市））舊房屋屋加固固SeismicIsolation-ApplicationforRetrofitinUSA(1)SaltLakeCityandCountyBuilding——bearingputonthebase層間隔隔震（舊房屋屋加固固）SeismicIsolation-ApplicationforRetrofit16storiesBuilding—bearingputon8thfloor舊房屋屋加固固（（日本本Kobe）舊房屋屋加固固（（新西西蘭）舊房屋屋加固固（（新西西蘭）橋梁、、地鐵鐵等應(yīng)應(yīng)用南疆鐵鐵路布布谷孜孜鐵路路隔震震橋（（9孔，各各32米）2000年通車車2003。2。24新疆伽伽師地地震6。2級別L=50KM地震后后救災(zāi)物物資源源不不斷運運往災(zāi)災(zāi)區(qū)SeismicIsolation-ApplicationinBridgesinJapan(10)SeismicIsolation-ApplicationinOilTank(4)SeismicIsolation-Applicationinindustryfacilities第三章章調(diào)調(diào)諧質(zhì)質(zhì)量阻阻尼器器1、概述述調(diào)諧質(zhì)質(zhì)量阻阻尼器器（TunedMassDamper，簡稱稱TMD），該該系統(tǒng)統(tǒng)是一一個由由彈簧簧、阻阻尼器器和質(zhì)質(zhì)量塊塊組成成的振振動系系統(tǒng)。。TMD振動控控制機機理：：當(dāng)結(jié)結(jié)構(gòu)在外激激勵作作用下下產(chǎn)生生振動動時，，帶動動TMD系統(tǒng)一一起振振動，，TMD系統(tǒng)相相對運運動產(chǎn)產(chǎn)生的的慣性性力反反作用用到結(jié)結(jié)構(gòu)上上，調(diào)調(diào)諧這這個慣慣性力力，使使其對對結(jié)構(gòu)構(gòu)的振振動產(chǎn)產(chǎn)生控控制作作用，，從而而達到到減小小結(jié)構(gòu)構(gòu)振動動反應(yīng)應(yīng)的目目的。。圖3.1TMD結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)研究表表明，，調(diào)諧諧TMD系統(tǒng)的的自振振頻率率與結(jié)結(jié)構(gòu)某某一振振型自自振頻頻率一一致時時，TMD系統(tǒng)對對此振振型的的振動動反應(yīng)應(yīng)控制制效果果最佳佳。應(yīng)用：：應(yīng)用較較早的的被動動控制制裝置置之一一，在在結(jié)構(gòu)構(gòu)風(fēng)振振中應(yīng)應(yīng)用較較廣，，可以以用于于控制制結(jié)構(gòu)構(gòu)的風(fēng)風(fēng)振和和地震震反應(yīng)應(yīng)。優(yōu)點：：(1)對結(jié)構(gòu)構(gòu)功能能的影影響較較小；；(2)安裝簡簡單、、方便便；(3)維修、、更換換容易易；（4）可以以減少少工程程建設(shè)設(shè)的造造價。。缺點：：增加結(jié)結(jié)構(gòu)的的附加加質(zhì)量量1%～2%。，設(shè)：則：求解得得：圖3.2無阻尼尼TMD計算模模型無阻尼尼運動動方程程：2、調(diào)諧諧質(zhì)量量阻尼尼器（（TMD）的基基本原原理式中：：若令：：*主振振系統(tǒng)統(tǒng)振動動消失失，稱稱為動動力調(diào)調(diào)諧條條件。。則：*阻尼尼器彈彈簧傳傳遞給給主質(zhì)質(zhì)量的的作用用力：：正好平平衡外外激振振力，，相互互抵消消—無阻尼尼力消消振器器原理理。設(shè)：圖3.3有阻尼尼TMD計算模模型3、有阻阻尼消消振器器運動方方程：：可以得得到：：設(shè)：推出：：為了簡簡化分分析，，設(shè)，，則則：取圖3.4主振系系統(tǒng)振振幅曲曲線*存在在2個公共共點。。*對于于任意意的f，公共共點的的縱坐坐標(biāo)是是不同同的。。*改變變f，可以以得到到2個公共共點縱縱坐標(biāo)標(biāo)值相相等。。*當(dāng)公共共點縱縱坐標(biāo)標(biāo)相等等，調(diào)調(diào)節(jié)使主振振系統(tǒng)統(tǒng)振幅幅曲線線的一一個峰峰值與與公共共點重重合，，這時時主振振系統(tǒng)統(tǒng)的振振幅最最小。。優(yōu)化設(shè)設(shè)計1）利用用第一一個優(yōu)優(yōu)化條條件（（兩公公共點點縱坐坐標(biāo)相相等））因為公公共點點與無無關(guān)，，取則則：此外：：兩個公公共點點與無關(guān)，，固有有對應(yīng)存在2個正根（即兩個公共共點）由韋達達定理知：聯(lián)立方程組求求解：于是有：優(yōu)化值：2）利用第二個個優(yōu)化條件：：振幅曲線的的一個峰值與與公共點重合合?？傻卯?dāng)較較小時，差別不大，則則可以令：*外部激勵為為隨機過程，，采用譜分析析。*寬帶過程，，頻率分布廣廣，宜采用AMD。*MTMD主要用于抗風(fēng)風(fēng)設(shè)計，抗震震方面?zhèn)涫軤帬幾h。*當(dāng)，，對于不同的，振幅曲線不不存在公共點點，不能按上上述過程求解解，可以采用數(shù)數(shù)值方法計算算。TMD應(yīng)用67.5m244mShinjukuParkTower(1994)RollerCiticorpBuilding278minNewYork410tonconcreteblockwithtwospringdampingmechanisms,wasinstalledinthe63rdfloor.第四章調(diào)諧諧液體質(zhì)量阻阻尼器1、概述調(diào)液質(zhì)量阻尼尼器是一種結(jié)結(jié)構(gòu)被動控制制裝置，它是是裝有液體并并固定在結(jié)構(gòu)構(gòu)上的剛性容容器。包括：：TLD(TunedliquidDamper)、TLCD(TunedliquidcolumnDamper)。調(diào)液質(zhì)量阻尼尼器的減振原原理：將調(diào)液質(zhì)量量阻尼器安裝裝在結(jié)構(gòu)上，，當(dāng)結(jié)構(gòu)受荷荷載作用產(chǎn)生生振動時，阻阻尼器中的液液體發(fā)生振蕩蕩。液體振蕩蕩產(chǎn)生的動水水壓力作用于于剛性容器壁壁并傳播到結(jié)結(jié)構(gòu)上，從而而對結(jié)構(gòu)運動動產(chǎn)生影響。。這個作用是是慣性力和耗耗能作用的組組合，利用其其阻尼的耗能能作用和慣性性的吸振作用用，達到減小小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的的目的。應(yīng)用：船防滾動箱箱、衛(wèi)星轉(zhuǎn)動動軸減振、海海洋平臺、高高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)風(fēng)振。調(diào)液質(zhì)量阻尼尼器有很多優(yōu)優(yōu)點：(1)經(jīng)濟，基本上上不增加或增增加少量的土土建費用就可可以達到減振振的作用；(2)簡單易行，可可方便地將盛盛液容器安裝裝在結(jié)構(gòu)上(3)較少的維護費費用；(4)適合短期或長長期使用；(5)多用途，盛有有水的TLD可兼做儲水裝裝置；(6)無污染，阻尼尼器中液體使使用普通水時時有利于環(huán)保保。2、TLD的減震原理研究證實，TLD的減振作用與與容器中液體體的質(zhì)量、頻頻率、粘滯性性及容器的尺尺寸等多種因因素有關(guān)，調(diào)調(diào)節(jié)這些參數(shù)數(shù)就可以改變變TLD的頻率。TLD對結(jié)構(gòu)的控制制力由兩部分分組成：一部部分是水隨結(jié)結(jié)構(gòu)一起運動動所產(chǎn)生的慣慣性力；一部部分是水運動動時產(chǎn)生的粘粘滯力。當(dāng)TLD中的液體使用用水時，由于于水是低阻尼尼的液體，運運動時產(chǎn)生的的粘滯力可忽忽略不計。此此時，水運動動產(chǎn)生的慣性性力構(gòu)成了對對結(jié)構(gòu)的控制制力。調(diào)節(jié)水水的慣性力，，從而達到結(jié)結(jié)構(gòu)減振的目目的是TLD設(shè)計的準(zhǔn)則。。TLD頻率與結(jié)構(gòu)的的自振頻率接接近時，TLD中液體慣性力力最大，即控控制力最大。。3、TLD動水壓力簡化化計算（1）、矩形TLD中水的固有頻頻率式中，h為液體的深度度；A為TLD沿外荷載輸入入方向的邊長長；g為重力加速度度；n為液體自振頻頻率的階數(shù)。。TLD中第一階振蕩蕩周期與與h/A的關(guān)系如圖4.1所示：圖4.1與h/A的關(guān)系1)由圖中可以看看到：當(dāng)容器器的長度A確定后，液體體的周期隨h/A的增大而減小小；2)h/A確定后，液體體的振蕩周期期隨容器長度A的增大而增大大；3)h/A大于0.5時，液體的振振蕩周期趨于穩(wěn)定值。。利用TLD減振，需將丁丁TLD中液體的振蕩蕩周期調(diào)調(diào)諧諧到結(jié)構(gòu)的自自振周期附近近，從而得到到最大的動水水壓力。根據(jù)據(jù)所設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振周期期，由上圖可可以選擇出合合適的TLD形式。（2）TLD中液體動水壓壓力計算液體晃動問題題為典型的非非線性問題，，目前還無法法得到其解析析解。求解一一般采用流體體體積函數(shù)法法(簡稱VOF法)，它是求解不不可壓縮的、、粘性的、瞬瞬變的和具有有自由表面流流體運動的一一種差分方法法。對于剛性的、、裝有粘性流流體的容器，，假定流體是是不可壓縮的的、均勻?qū)恿髁鳎黧w滿足足的Navier-Stokes方程為：式中，P為流體的壓力力；為為流體的密密度；為為流體的的運動粘滯系系數(shù)；分分別為為x、y和z方向的體積加加速度。定義一個流體體體積函數(shù)F(x，y，z，t)。若單元體充充滿流體，F(xiàn)值為1；若單元體無無流體時，F(xiàn)值為0；當(dāng)單元體與與自由表面相相交時，F(xiàn)值介于0與l之間。F函數(shù)滿足方程程：采用施主與受受主單元體方方法來處理F的對流量。利用有限差分分法，通過計計算分析得出出單位寬矩形形TLD中動水壓力最最大值的的簡化化計算公式為為：圖4.2動水壓力圖4、TLD結(jié)構(gòu)減振體系系的簡化計算算方法（1）控制系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)模型n個自由度的土土木結(jié)構(gòu)的運運動方程：M,C,K分別為質(zhì)量、、阻尼、剛度度矩陣，環(huán)境干擾位位置矩陣設(shè)結(jié)構(gòu)上安裝裝P個控制裝置，，控制力為，相應(yīng)的位置矩矩陣為。。受控結(jié)構(gòu)的運運動方程：定義：得：狀態(tài)方程可以以表示為：（2）TLD—結(jié)構(gòu)體系的狀狀態(tài)方程及時時域分析在相對地面的的坐標(biāo)系統(tǒng)中中，可以簡化化成n個質(zhì)點的結(jié)構(gòu)構(gòu)裝有了TLD裝置時，TID—結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的受受控反應(yīng)方程程可表示為：：式中，分分別為為結(jié)構(gòu)位移反反應(yīng)向量、速速度反應(yīng)向量量和加速度反反應(yīng)向量；分分別為體系系的質(zhì)量陣、、阻尼陣和剛剛度陣；為為單位列向量量；為為地面輸入入加速度；為為TLD對結(jié)構(gòu)的控制制力，阻阻尼尼為瑞利阻尼尼，其表達式為：：設(shè)求解狀態(tài)方程程，即可以求求得TLD—結(jié)構(gòu)這個控制制系統(tǒng)的地震震動反應(yīng)。TLD減振效果：質(zhì)質(zhì)量比2%；位移減振率率19%~22%；加速度減振振率19%~37%。TLD（TunedLiquidDamper）TLCD減振裝置一般般采用U型，U型管中設(shè)有小小孔的隔板，，面積可調(diào)節(jié)節(jié)。利用液體體振蕩過程中中產(chǎn)生的阻尼尼消耗能量達達到減小結(jié)構(gòu)構(gòu)振動反應(yīng)的的目的。液體體在流經(jīng)小孔孔前后，由于于截而突然變變化，運動的的液體將產(chǎn)生生局部水頭損損失(能量損耗)，這種損失是是TLCD耗散能量的主主要部分。局部水頭損失失與液體在孔孔洞處流速的的平方成比：：b圖4.3TLCD裝置K為局部水頭損損失系數(shù)，與與液體的截面面面積A和隔板的小孔孔面積有關(guān)；為為液體在在空洞處的平平均流速。5、TLCD的減振原理及及設(shè)計（1）TLCD減振原理根據(jù)需要調(diào)節(jié)節(jié)U型管中液體的的長度L及寬度d以及管中液體體的質(zhì)量，使使管中液體的的振蕩頻率與與結(jié)構(gòu)構(gòu)的自振頻率率f相等或接近，，從而達到最最好的減振效效果。（2）TLCD運動方程（模模型）拉格朗日方程程b—振蕩頻率與L有關(guān)無結(jié)構(gòu)振動時時：（3）TLCD—結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的的運動方程程圖4.4TLCD減振體系無阻尼自由由振動：引入?yún)?shù)：：，結(jié)構(gòu)阻尼尼比：質(zhì)量比有效質(zhì)量比比：TLCD阻尼比線性化（簡諧振動動半周內(nèi)的的總水頭損損失與線性性體系能量量相等的條條件）定義誤差：：則：設(shè)：簡化體系運運動方程為為：優(yōu)化設(shè)計：：*一般情況下下很小，研究究表明*由上述方程程求得，進行優(yōu)化化設(shè)計。6、利用TLCD減振分析a、利用數(shù)值值方法求；；b、研究參數(shù)數(shù)的影響；；c、研究振動動響應(yīng)。第五章耗耗能阻尼器器的減振與與設(shè)計1、概述耗能阻尼器器減振是通通過來用附附加子結(jié)構(gòu)構(gòu)或一定的的措施，以以消耗地震震傳遞給結(jié)結(jié)構(gòu)的能量量為目的的的減振手段段。通過耗耗能裝置消消耗掉部分分能量，以以至于結(jié)構(gòu)構(gòu)反應(yīng)減小小。外部輸入的的能力=結(jié)構(gòu)動能+勢能（應(yīng)變變能）+阻尼耗能+其它耗能（（塑性變形形）耗能減振技技術(shù)優(yōu)點：：減振效果果好、構(gòu)造造簡單、造造價低廉、、適用范圍圍廣、維護護方便等。。耗能阻尼器器：軟鋼阻阻尼器、摩摩擦阻尼器器、粘彈性性阻尼器、、粘滯液體體阻尼器，，MR阻尼器。StructurePassivecontrolsystemResponseExcitationSchematicDiagramofPassiveEnergyDissipationSystem被動耗能控控制PassiveControlForce=f(Disp.andVelocityAcrossDampers)Passiveforcecanbelinearornonlinear.Conservationofenergyyields:E=totalenergyinputtothestructurefromexcitationEd=energydissipatedbysupplementaldamping

devicesEk=kineticenergyofthestructureEs=elasticstrainenergyofthestructureEh=energydissipatedduetoinelasticdeformation2、軟鋼阻尼尼器軟鋼優(yōu)點：：具有優(yōu)良良的塑性變變形性能，，可以在超超過屈服應(yīng)應(yīng)變幾十倍倍的塑性應(yīng)應(yīng)變下往復(fù)復(fù)變形數(shù)百百次而不斷斷裂的優(yōu)點點。圖5.1不同形式的的軟鋼阻尼尼器：(a)U型帶、(b)扭轉(zhuǎn)梁、(c)彎曲梁。軟鋼的應(yīng)力力—應(yīng)變數(shù)學(xué)模模型圖5.2應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)學(xué)模模型卸載Bauschinger(包新格)效應(yīng)：與相相關(guān)的應(yīng)應(yīng)力依賴于于應(yīng)變強化化量。各向向同性強化化理論將確確定：同性運動強強化理論為為：。。實驗結(jié)結(jié)果位于兩兩