張國軍, 張宇鑫, Billie F.Spencer

(1.上海師范大學 建筑工程學院,上海 201418;2.伊利諾伊大學 厄巴納-香檳分校土木工程系,美國伊利諾伊州 厄巴納-香檳 61801)

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震控制的研究發(fā)展趨勢

張國軍1, 張宇鑫1, Billie F.Spencer2

(1.上海師范大學 建筑工程學院,上海 201418;2.伊利諾伊大學 厄巴納-香檳分校土木工程系,美國伊利諾伊州 厄巴納-香檳 61801)

綜述了土木工程結構減震控制的研究現(xiàn)狀,討論了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)的工作原理,評述了TMD的國內(nèi)外研究進展,最后闡述了TMD的研究和發(fā)展的趨勢.

結構減震控制; 被動控制; 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器; 多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器; 最優(yōu)參數(shù); 穩(wěn)健性

0 引 言

地震,是地殼快速釋放能量過程時造成的振動,期間會產(chǎn)生地震波.全球每年發(fā)生約550萬次地震.地震常常造成嚴重的人員傷亡,能引起火災、水災、有毒氣體泄漏、細菌及放射性物質(zhì)擴散,還可能造成海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災害.傳統(tǒng)的抗震途徑是通過調(diào)整構件的尺寸和強度改變建筑結構剛度,增強其對變形抵抗能力,但這種方法有時難以兼顧經(jīng)濟性和美觀的要求,調(diào)整結構尺寸也往往有很多限制因素.采用振動控制技術,在工程結構的一些部位裝設隔震墊之類的裝置或調(diào)諧質(zhì)塊類子結構裝置,或通過施加外力來改變、調(diào)整結構的動力特性或動力作用,起到合理控制工程結構在地震時的加速度、速度、位移等動力反應作用,以達到減震的效果[1].

1 結構減震控制研究現(xiàn)狀

土木工程結構減震控制是通過在結構上安裝耗能減震裝置來減輕或抑制結構由于外荷載作用引起的反應.土木工程結構振動控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個階段:被動控制、主動控制、半主動控制、混合控制、智能控制[2].

1.1 被動控制

被動控制一般不依賴外部能源,利用結構自身的某些構件在構造上加以處理,或者在結構的某個部位附加控制裝置或構件,以改變結構體系的動力特性.被動控制由于不需要外部提供能源,且構造簡單、成本低廉、易于維護而被廣泛應用.被動控制按照其減震機理可分為:隔震、耗能減震和吸振減震(調(diào)諧減震)三大類.

結構隔震是指在結構物底部與基礎面(或底部柱頂)之間設置某種隔震裝置,減小地震能量向上部結構傳遞,從而減少上部結構的反應.通常所說的隔震指的是基底隔震,它包括上部結構、隔震裝置和下部結構三部分.隔震一般適用于短周期的中低層建筑和剛性結構.合理的結構隔震設計可使結構的水平地震加速度反應大幅降低,從而提高結構物的地震安全性,有效地減輕結構的地震破壞.

耗能減震體系是在結構的抗側力構件中嵌入或并聯(lián)能吸收、耗散地震能量的附加阻尼器,由附加的耗能元件消耗掉結構中地震運動輸入的能量,而主體結構只吸收或存儲一少部分能量,從而保證主體結構的安全.耗能元件大體可分為兩類:位移相關型耗能元件,如金屬阻尼器和摩擦阻尼器;速度相關型耗能元件,如粘滯液體阻尼器和粘彈性阻尼器.

調(diào)諧減震技術通常在主結構上設置一個子結構,通過調(diào)諧子結構參數(shù),來實現(xiàn)主結構的振動反應控制.目前,調(diào)諧減震裝置主要有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)諧液體阻尼器、質(zhì)量泵、液壓-質(zhì)量控制系統(tǒng)、懸掛結構體系調(diào)諧液柱式阻尼器以及擺式質(zhì)量阻尼器等.

TMD是一種附加在結構上的減震子結構,由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成,質(zhì)塊一般通過彈簧和阻尼器支撐或者懸掛在主結構上.當結構受到外部荷載作用產(chǎn)生振動時,子結構通過連接裝置與結構一起振動,由此產(chǎn)生的能量會通過慣性力反作用于主結構,以及部分被阻尼器所消耗,實現(xiàn)減震的目的.

作為被動控制技術之一,TMD發(fā)展較為成熟,減震效果明顯,施工操作簡單,因而被廣泛應用于國內(nèi)外結構工程中.調(diào)諧液體阻尼器(TLD)是將一定形狀的盛水容器固定在結構上的一種裝置,該裝置的減震原理是結構減震帶動了容器中液體的晃動,容器箱壁和液體之間碰撞產(chǎn)生了控制力,液體晃動時會吸收一部分的能量,這兩種因素都減小了結構的減震,從而起到了減震控制的效果.

1.2 主動控制

與被動控制不同,主動控制需要外部提供能源,結構物在外部激勵作用下發(fā)生減震的過程中,外部瞬時施加力或瞬時改變結構的動力特性,以迅速衰減和控制結構的減震反應.主動控制的主要特點是應用外部能源和現(xiàn)代控制技術對結構施加主動控制力.由于控制力大小可以隨輸入激勵而改變,故控制的效果基本上不依賴于外部激勵的特性.在提高建筑物抵抗不確定性地面運動的能力,直接減少輸入的干擾力,以及在地震發(fā)生時連續(xù)、自動調(diào)整結構動力特性等方面均優(yōu)于被動控制,特別適用于結構的風振控制.

主動控制裝置主要包括主動質(zhì)量阻尼器(AMD)、主動質(zhì)量驅(qū)動器(Active Mass Driver)、主動拉索(ATS)和主動支撐(ABS)等.

1.3 半主動控制

半主動控制僅需要外部提供較低能量來提供控制力,其工作原理是通過輸入或者反應信息進行切換控制系統(tǒng)的工作狀態(tài),通過調(diào)整改變結構的阻尼和剛度來達到減震的目的.半主動控制同時具有主動和被動兩種控制的特點,但是半主動控制所涉及到的關鍵技術是設計并實現(xiàn)可控的減震環(huán)節(jié)和控制策略,而這并不會比主動控制技術和被動控制技術簡單,有時更加復雜.半主動控制最具有代表性的控制裝置主要有主動變剛度系統(tǒng)(AVS)、主動變阻尼系統(tǒng)(AVD)、磁流變阻尼器、壓電摩擦阻尼器以及電流變阻尼器等.

1.4 混合控制

混合控制顧名思義在一個結構上會同時使用兩種或者兩種以上的控制系統(tǒng),使其相互之間共同的協(xié)調(diào)工作,該控制不僅能夠利用被動控制系統(tǒng)耗散大量的振動能量,而且還可以通過主動控制系統(tǒng)保證良好的控制效果,混合控制系統(tǒng)可以有效地抑制結構的振動響應.目前,混合控制裝置系統(tǒng)主要有:AMD和TMD組成的混合質(zhì)量阻尼控制系統(tǒng)、主動控制和基礎隔振組成的混合基礎隔振系統(tǒng)以及主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)與液體質(zhì)量控制系統(tǒng)等.

1.5 智能控制

智能結構是利用機敏材料特性、計算機技術、微電子和現(xiàn)代控制理論等對結構進行智能控制,使結構可以感知環(huán)境和自身特性,采用最優(yōu)控制策略做出合理響應的結構,目前更多是使用智能控制的說法.智能結構系統(tǒng)可以解決當前工程上一些難以解決的實際問題,而且將推動許多學科和技術的發(fā)展,它代表著先進的新型材料與傳統(tǒng)的土木工程結構相結合這一重大的學科研究發(fā)展方向,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?

2 TMD原理

圖1 調(diào)諧減震系統(tǒng)簡化模型

TMD 的工作原理是將TMD 連接到被控制的主體結構上,通過將慣性質(zhì)量和主結構控制振型諧振把主結構的能量傳遞給 TMD,從而抑制了主體結構的振動,因此 TMD 的有效性主要依靠準確的調(diào)頻.TMD 系統(tǒng)是由主結構以及附加在主結構上的子結構共同組成的,其中的子結構是由固體質(zhì)量、阻尼器以及彈簧減震器等組成的,它具有質(zhì)量、阻尼和剛度等參數(shù).TMD 的調(diào)頻主要是通過改變質(zhì)量或者剛度的大小來調(diào)整子結構的自振頻率,將 TMD 的自振頻率設計成非常接近主體結構的主要自振頻率或者激勵頻率,當主結構受到激勵而產(chǎn)生振動時,子結構就會相應地產(chǎn)生與結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上,作用在主體上的反向力消減了結構的減震反應,從而達到減震控制效果.由于 TMD是通過調(diào)整子結構的動力特性來減小結構的動力特性,而不是借助外部的能量,因此又被稱為“被動調(diào)諧減震控制體系”.調(diào)諧減震系統(tǒng)簡化模型如圖1所示.TMD 安裝在結構頂部,整個結構則成為雙自由度體系,則系統(tǒng)在地震激勵下的運動方程為

(1)

寫成矩陣形式:

(2)

(3)

設v=x2-x1,(3)式可以簡化為

(4)

被動調(diào)諧減震控制體系主要是通過調(diào)整TMD系統(tǒng)與主體結構的質(zhì)量比μ、頻率比α和TMD系統(tǒng)的阻尼比ξ2等參數(shù),使系統(tǒng)吸收更多的振動能量,從而大大減輕主體結構的振動響應.

3 TMD的研究發(fā)展

TMD起初主要用于減小風振響應.當結構在外激勵作用下產(chǎn)生振動時,帶動 TMD系統(tǒng)振動,TMD 系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性力反作用到結構上,調(diào)諧這個慣性力,使其對主結構的振動產(chǎn)生調(diào)諧作用,從而達到減小結構振動的目的.TMD的優(yōu)點是安裝簡單、方便,維修更換容易.缺點是TMD對于在一般場地上(中高頻)的高層建筑、高聳結構、大跨度結構等柔性(低頻)結構,控制效果明顯有效,而對于軟弱(高頻)地基上的剛性(高頻)結構,控制效果較差.

3.1 TMD的早期研究

圖2 TMD的簡單模型

TMD最早是由Frahm[4]在1909年發(fā)明的一種吸振器,如圖2所示.它由一個小的質(zhì)量m以及一個剛度為k的彈簧組成的子結構連接于彈簧剛度為K的主質(zhì)量M上.在簡諧荷載的作用下,當所連接吸振器的固有頻率與激勵頻率相同時,主質(zhì)量M能夠保持靜止狀態(tài).

在此后很長的一段時間里,研究者們在對 TMD 減震的理論研究[3-38],以及實際應用方面做了大量工作.美國研究者最早進行了減震的理論研究,并在高層建筑結構中應用了 TMD 裝置.許多早期的研究僅僅局限于動力吸振器在工作頻率以及基本頻率協(xié)調(diào)的機械工程系統(tǒng)中的應用.但是建筑結構在受到如風和地震等環(huán)境荷載的作用下不僅只有一個頻率,而是有許多的頻率分量.在多自由度和有阻尼建筑結構中,TMD的動力吸振器的性能完全不同.因此在過去 20 多年里,許多的研究與開發(fā)工作就定位于研究TMD 在這種復雜減震環(huán)境中的減震控制效果.

3.2 TMD的拓展研究

3.2.1 單個TMD 的研究

單個 TMD 的研究大多僅是集中在對結構的控制效果以及最優(yōu)控制參數(shù)的理論研究方面.為使TMD的控制效果達到最佳,即擴大其能量耗散能力,關鍵是把TMD的振動頻率調(diào)至結構振動頻率附近并選用適當?shù)淖枘?頻率對單個 TMD 的控制效果的影響非常大,當頻率略微的偏離設計時,單個 TMD 的控制效果將會有很大程度的下降.文獻[5]在傳統(tǒng)TMD理論的基礎上,從累積能量和瞬時能量角度研究TMD 裝置的減震機理及影響因素,進一步完善TMD的理論研究.研究表明:結構附加 TMD 裝置后,各累積能量響應和瞬時能量響應均有明顯的減小;改變主結構動力特性,TMD 系統(tǒng)主結構各瞬時能量和累積能量響應有明顯的改變;增加主結構阻尼比,結構位移、速度及加速度響應均有所減小,結構(累積與瞬時)阻尼耗能增加,而滯回耗能和轉移能則急劇減小.文獻[6]將TMD運用于潤揚北汊斜拉橋地震反應控制,分析發(fā)現(xiàn)TMD使斜拉橋結構的阻尼耗能減少了30%,主梁跨中和端部的橫向位移減少了12%,豎向位移減少了24%,表明TMD能有效控制大跨斜拉橋在地震作用下的振動.文獻[7]將TMD減震技術運用于高架橋梁:在低頻外部激勵作用下,當TMD頻率與橋墩頻率比為2.5～4.5時,可使橋梁中梁與墩的相對位移響應幅值減小60%以上,墩頂加速度響應幅值減小40%以上.文獻[8]提出由調(diào)諧質(zhì)量塊、扭轉質(zhì)量塊及扭轉杠桿等組成的雙向水平及扭轉TMD,利用其自身的平移和轉動可以實現(xiàn)對結構水平及扭轉振動控制,表明合理布置的多維TMD能有效降低結構在水平兩向及扭轉方向的振動,其減震效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的單向TMD.文獻[9]研究了不規(guī)則建筑主動TMD(ATMD)減震的行為,分析了不規(guī)則建筑的標準化偏心系數(shù)(NER),扭轉對側向頻率比(TTFR)及地震卓越頻率(DGF)對ATMD控制不規(guī)則建筑位移響應時的最優(yōu)參數(shù)和有效性的影響,結果表明:1)控制平動位移時,DGF對ATMD最優(yōu)參數(shù)和有效性的影響較控制扭轉角位移時的大;2)對扭轉柔性結構(側扭頻率比小于1.0),DGF對ATMD最優(yōu)參數(shù)和有效性的影響較顯著.文獻[10]提出了一種新的控制策略——雙重TMD(DTMD)和一種新的優(yōu)化目標函數(shù).DTMD是由2個質(zhì)量塊通過阻尼器和彈簧串聯(lián)成的結構系統(tǒng),具有和傳統(tǒng)的TMD和MT-MD不同的能量耗散方式,能夠在結構固有頻率攝動較大時仍保持較好的耗能減震性能.文獻[10]進行了TMD/AMD 模型的模擬振動臺試驗研究,從試驗手段上對整個TMD/ AMD 裝置和現(xiàn)階段比較流行的直驅(qū)式 AMD 直線電機系統(tǒng)的相關特性進行了深入的研究,并引入能量法對試驗結果進行分析,進一步從試驗方面驗證了TMD/AMD 系統(tǒng)的能量平衡和傳遞理論;對帶限位 TMD 的動力可靠度進行了探討.提出了基于投資-效益準則的 TMD/AMD 減震裝置的優(yōu)化設計方法.文獻[11]設計制作出一個摩擦擺TMD.對裝有摩擦擺TMD的4層鋼框架結構進行了振動臺試驗,結果表明當激勵頻率接近結構受控自振頻率時,摩擦擺TMD能夠有效地減小結構的動力反應和抑制結構共振,減震率在50%以上.Kaynia等[14]和Sladek等[15]發(fā)現(xiàn)TMD對減小地震反應不是很有效.后來提出的多重TMD(MTMD) 可以消除單個TMD不足.Wong等[16]用能量原理研究了TMD對非線性結構的效應,發(fā)現(xiàn)只要TDM能有效地吸收能量就能夠減少塑性能量的耗散從而免遭結構損傷,但是結構進入小位移塑性時TDM吸收能量減少.文獻[17]對于多層房屋提出了一種TDM的穩(wěn)健性設計,研究表明:隨著TDM系統(tǒng)總質(zhì)量的增加,它的性能亦增加;實際上,建筑物的反應亦減小且對不確定的參數(shù)變得不敏感.地震動參數(shù)影響結構的反應及相應的TDM的最優(yōu)性能和特性.文獻[18]提出新的一種脈沖方法代替了古典H∞方法,這兩種方法均進行了分析脈沖和近場記錄下單自由度和多自由度線性結構的實驗,數(shù)值評估了在脈沖地面運動下脈沖定向設計的優(yōu)缺點.

3.2.2 MTMD的研究

近幾年來,國內(nèi)外的研究學者們在單個 TMD 的理論和技術基礎上提出了多重TMD(MTMD)的新概念,對于受到較寬頻帶的外激勵建筑結構,MTMD 系統(tǒng)可以有效減震控制.[19-22]主要研究了MTMD結構剛度和質(zhì)量攝動的穩(wěn)健性即討論結構頻率變化對MTMD控制有效性的影響問題,從而為設計提供一些有益的參考.文獻[19]評價了雙層多重TMD(DMTDM) 控制策略的性能,提出的雙層多重TMD(DMTMD)比本文作者最近提出的基于任意整數(shù)的多重TMD(AI-ATMD)和當前國際上研究的基于奇數(shù)的多重TMD(ON-MTMD)具有更好的有效性和穩(wěn)健性.但DMTMD中小質(zhì)量塊的沖程大于AI-ATMD和ON-MTMD的沖程,這是DMTMD的缺點.文獻[20]采用了一種新型的減震方法:共享TMD(STMD)法.當附屬結構頻率接近時共享STMD有很好的減震效果.STMD對附屬結構頻率攝動的穩(wěn)健性較差,隨著附屬結構頻率攝動所導致的頻率偏離,其減震效果大幅減小;對主體結構頻率攝動的穩(wěn)健性較強.STMD減震效果和相應的最優(yōu)參數(shù)對場地條件不敏感.文獻[21]通過分析單自由度結構體系,建立摩擦力與阻尼之間的關系,利用Matlab進行地震響應時程分析,選用線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)算法作為控制算法,以實例分析在多遇地震作用下MTMD系統(tǒng)的減震效果.結果表明,可控摩擦力的MTMD系統(tǒng)非常適用于高聳結構的減震控制,該系統(tǒng)能夠隨地震反應實時產(chǎn)生足夠的摩擦阻尼消耗地震輸入結構物的能量,達到減小結構地震響應的目的.Xu等[22-24]等研究了在簡諧激勵和白噪聲激勵下結構MTMD的性能和最優(yōu)參數(shù),表明MTMD優(yōu)于單個TMD.Abe 等[25]研究表明合適設計的MTDM較單個TDM更有穩(wěn)健性.Kevin等[26]用能量原理研究了MTMD對非線性結構的效應,發(fā)現(xiàn)MTMD能夠使結構消散大量的地震能量從而減小結構的損傷,但是塑性能量損耗對地震震動參數(shù)顯得尤為敏感,MTMD對結構的上部薄弱樓層并不起作用.文獻[27]為了研究鋼筋混凝土巨型框架結構體系的抗震性能及其地震作用損傷機理,設計制作 1∶25 的縮尺模型,并設計加工了一套TMD裝置安裝在模型結構頂部,進行振動臺試驗,得到結構的動力特性和位移響應,并對比分析了 TMD 的減震效果.結果表明:峰值加速度為0.14的地震波作用后(相當于原型 B 度多遇地震),模型結構處在彈性工作狀態(tài),在峰值加速度為0.4的地震波作用后(相當于原型 B 度基本烈度),模型結構出現(xiàn)輕微破壞,在峰值加速度為0.880的地震波作用后(相當于原型 B 度罕遇地震),模型結構出現(xiàn)中等破壞,該原型結構可以滿足抗震設計的要求;TMD裝置具有較好的減震效果.文獻[28]為研究圍護墻多功能減震結構的減震特性和減震效果,按1∶3縮比制作圍護墻鋼框架減震結構模型和非減震結構模型,并進行模擬地震振動臺試驗,研究不同工況下的模型結構動力特性及隨著輸入不同加速度峰值的 EL Centro波,地震波激勵下的加速度反應和位移反應.結果表明:結構的自振頻率和振型控制與TMD的個數(shù)有關,減震結構對于控制結構的加速度和位移響應非常有效,頂層的減震幅度最大,并在地震波加速度為4 m/s2時,減震效果最佳.通過減震指標動力放大系數(shù)和減震率共同評價減震結構對加速度反應和位移反應的控制,說明減震結構對位移的控制效果更優(yōu).

3.2.3 ETMD的研究

現(xiàn)階段,針對 TMD 的現(xiàn)狀,國內(nèi)外的研究學者們?nèi)匀贿M行著大量的改進和擴展研究,提出了利用結構內(nèi)部的設備和裝置等作為質(zhì)量體對結構減震進行消能減震,并將其稱為 ETMD.這種系統(tǒng)不像 TMD 那樣需要額外增加質(zhì)量,大大減輕了系統(tǒng)所要承載的負擔.目前該系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應用于海洋平臺的減震控制,取得了很好的效果.文獻[29]提出的內(nèi)部子結構TMD(ITMD) 是一種利用建筑自身的某一獨立單元(內(nèi)部子結構) 作為質(zhì)量塊通過彈簧、阻尼器和橡膠支座等媒介與主體結構相互作用而形成的一種新的減震耗能系統(tǒng).分析結果表明ITMD 系統(tǒng)的安裝,能夠較好地減少地震效應,具有簡單、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點.

3.2.4 NES的研究

傳統(tǒng)線性吸振器(例如TMD) 的適用頻帶較窄,對最優(yōu)阻尼比及頻率失調(diào)的穩(wěn)健性較差.只有多個吸振器聯(lián)合作用才能實現(xiàn)多模態(tài)控制.而利用非線性能量阱(NES)的寬頻吸振特性進行減震,只需有限個吸振器,即可達到較好的減震效果,使得其優(yōu)化參數(shù)較易確定,近期受到廣泛關注.具有靶向能量傳遞與耗散(TET)功能NES振子是一種新型的非線性吸振振子,其剛度為硬化立方剛度.該振子可認為是一種特殊的Duffing振子,NES振子通常不具有線性剛度項,或具有非常弱的線性剛度.Duffing振子可根據(jù)其立方剛度的正負號,分為硬彈簧Duffing振子和軟彈簧Duffing振子.而NES又可視為一種特殊的硬彈簧Duffing振子,即線性剛度為0的硬彈簧Duffing振子.立方剛度可通過能提供非線性回復力的材料獲得,也可通過構件特定的組裝或構造而產(chǎn)生的幾何上的非線性提供非線性回復力獲得.與TMD走過的路類似,最初的NES減震應用于單自由度主振動系統(tǒng),Vakakis等(2003)[30]將其推廣應用到具有多個自由度的系統(tǒng),并指出連接NES后存在能量捕捉的連鎖反應可能,即能量從各個模態(tài)順序遷徙到NES振子.文獻[31-32]基于TMD的原理,通過振動臺模型試驗,進行了懸浮頂層減震結構系統(tǒng)的研究.這種結構由主結構與懸浮頂層組成,采用疊層橡膠支座作為二者之間的連接裝置,它與頂層樓體共同形成一個大型的TMD系統(tǒng).試驗表明:這種新型的減震結構系統(tǒng)在不同地震波的作用下,主結構頂層的加速度響應減少了26.06%～58.64%.文獻[34-39]研究了各種各樣的安裝在彈性主結構上的NES裝置(包括Ⅰ型NES、Ⅲ型NES、Ⅵ型NES和Ⅵ型NES等)消能減震作用.文獻[34]提出了一種新的曲線軌道能量吸收器(圖3),附加質(zhì)量運動的軌道形狀決定能量吸收器的非彈性恢復力.在彈性主結構上安裝了一個完全被動控制非彈性能量曲線軌道NES(圖4)用來快速消耗數(shù)量相當大的地震能量.在脈沖激勵下,軌道NES能夠和調(diào)諧TMD一樣減小結構反應并保持結構的穩(wěn)健性.在地震作用下,曲線軌道NES也能夠有效減小結構反應,但是它的減震效果不如調(diào)諧TDM,但在減小結構剛度方面更具穩(wěn)健性.文獻[35]通過振動臺實驗研究了當受到地面運動時裝有Ⅲ型NES的大型主結構的反應.研究表明,這種能量吸收器可大大降低彈性主結構的地震反應.總之,文獻[34-39]主要研究的是NES的彈性主結構上的減震作用,而對于NES用于非彈性主結構的地震反應至今還缺乏研究.

圖3 曲線軌道NES的隔離體構造圖

圖4 裝有曲線軌道NES兩層結構的模型圖

4 TMD的展望

TMD由于其構造簡單,成本低廉,性能可靠,是目前工程中應用最廣的控制方法之一.近二十多年來,國內(nèi)外諸多學者進行了TMD研究、MTMD研究、ETMD研究和NES研究,進而在此基礎上演變出來的其他TMD如:變摩擦TMD、變阻尼TMD、調(diào)諧質(zhì)量摩擦阻尼器及調(diào)諧質(zhì)量非線性黏滯阻尼器等.研究的TMD種類繁多,研究方法從理論分析、數(shù)值模擬、可靠度分析直至模型實驗研究等,均取得巨大的研究成果.下面針對TMD的未來研究做簡單闡述:

(1)對TMD的理論研究已經(jīng)較為成熟,還缺乏系統(tǒng)全面實驗研究;

(2)對TMD用于風控制的研究已經(jīng)較為成熟,TMD用于地震控制的研究還不是很成熟;

(3)TMD參數(shù)優(yōu)化設計方法需從本質(zhì)原理上加以分析研究;

(4)TMD需從結構的隨機響應分析及動力可靠度分析研究其減震性能;

(5)線性TMD和非線性TMD研究主要是針對彈性主結構的減震反應分析,針對非彈性主結構的減震反應分析還缺乏系統(tǒng)地研究;

(6)對TMD的實驗研究主要是針對小比例模型彈性主結構的減震實驗研究,而針對非彈性主結構和足尺主結構的減震實驗研究還較為缺乏.

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑抗震設計規(guī)范:GB 50011-2010 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People′s Republic of China.Code for seismic design of buildings:GB 50011-2010 [S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.

[2] 周福霖.工程結構減震控制 [M].北京:地震出版社,1997.

Zhou F L.Vibration control of engineering structures [M].Beijing:Seismological Press,1997.

[3] Yao J T P.Concept of structure control [J].Journal of structure division,1972,98(7):1567-1574.

[4] Rana R,Soong T T.Parametric study and simplified design of tunedmass dampers [J].Engineering Structures,1998,20(3):193-204.

[5] 潘兆東.基于能量原理的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震性能與損傷研究 [D].廣州:廣州大學,2013.

Pan Z D.Research on seismic performance and damage of TMD system based on energy theory [D].Guangzhou:Guangzhou University,2013.

[6] 張晶,王志強,范進,等.調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)在大跨斜拉橋減震控制中的應用 [J].工業(yè)建筑,2007,37(增刊):292-294,403.

Zhang J,Wang Z Q,Fan J,et al.Application of tuned mass dampaer for controlling vibration of a stayed-cable brige under earthquake excitation [J].Industrial Construction,2007,37(Supp):292-294,403.

[7] 李新平,張俊平,周福霖.裝有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的高架橋梁的減震分析 [J].世界地震工程,1998,14(2):44-49.

Li X P,Zhang J P,Zhou F L.Analysis of reducing seismic response of the bridge with tunedmass damper [J].World Information on Earthquake Engineering,1998,14(2):44-49.

[8] 何浩祥,葛騰飛,閆維明.雙向水平及扭轉調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及其減震控制研究 [J].振動與沖擊.2012,31(18):143-147.

He H X,Ge T F,Yan W M.Vibration reduction control of a structure with a two-directional horizontal and torsional tuned mass damper [J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(18):143-147.

[9] 李春祥,許志民,張麗卿.主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對不規(guī)則建筑的減震行為研究 [J].振動與沖擊,2008,27(1):76-83,88.

Li C X,Xu Z M,Zhang L Q.Earthuake reduction behaviors of active tuned mass dampers for an asymmetric building [J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(1):76-83,88.

[10] 卜國雄.高聳結構基于性能的TMD/AMD 設計及其動力可靠度分析 [D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

Pu G X.Performance based designs and the dynamic reliability analysis of TMD/AMD for high-rise structure [D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2010.

[11] 潘琴存,黃麗婷.FPS-TMD減震鋼框架振動臺試驗研究 [J].廣東土木與建筑,2009(8):12-14.

Pan Q C,Huang L T.Shaking table test research on steel structure with FPS typed TMD [J].Guangdong Architecture Civil Engineering,2009(8):12-14.

[12] Roffel A J,Narasimhan S,Asce M,et al.Performance of pendulum tuned mass dampers inreducing the responses of flexible structures [J].Journal of StructuralEngineering,2013,139(12):04013019.

[13] Matta E.Effectiveness of tuned mass dampers against ground motion pulses [J].Journal of Structural Engineering,2013,139(2):188-198.

[14] Kaynia A M,Biggs J M,Veneziano D.Seismic effectiveness of tuned mass dampers [J].Journal of Structural Engineering,1981,107(8):1465-1484.

[15] Sladek J R,Klingner R E.Effect of tuned-mass damperson seismic response [J].Journal of Structural Engineering,1983,109(8):2004-2009.

[16] Wong K K F.Seismic energy dissipation of inelastic structures with tuned mass dampers [J].Journal of Engineering Mechanics,2008,134(2):163-172.

[17] Lucchinil A,Greco R,Marano G C,et al.Robust design of tuned mass damper systems forseismic protection of multistory buildings [J].Journal of Structural Engineering,2014,140(8):A4014009.

[18] Matta E.Effectiveness of tuned mass dampers against ground motion pulses [J].Journal of Structural Engineering,2013,139(2):188-198.

[19] 李春祥,張麗卿.結構雙層多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震策略的性能評價 [J].振動與沖擊,2005,25(5):42-46.

Li C X,Zhang L Q.Evaluation of the dual-layer multiple tuned mass dampers for structures subjected to earthquake [J].Journal of Vibration and Shock,2005,25(5):42-46.

[20] 國巍,李宏男,柳國環(huán).共享調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(STMD) 在附屬結構減震中的應用 [J].工程力學,2009 26(5):202-208.

Guo W,Li H N,Liu G H.Shared mass damper(STMD) used to reduce the seismic response of secondary systems [J].Engineering Mechanics,2009,26(5):202-208.

[21] 邱立凡,胡衛(wèi)兵,羅書泉.可控的MTMD摩擦力對高聳結構的控制影響分析 [J].水利與建筑工程學報,2010,8(3):70-73.

Qiu L F,Hu W B,Luo S Q.Analysis of high-rise structure by using multiple tuned mass dampers with controllable friction [J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering,2010,8(3):70-73.

[22] Xu K,Igusa T.Dynamic characteristics of multiple substructures with closely spaced frequencies [J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,1992,21(12):1059-1070.

[23] Igusa T,Xu K.Vibration control using multiple tunedmass dampers [J].Journal of Sound and Vibration,1994,175(4):491-503.

[24] Yamaguchi H,Harnpornchai N.Fundamental characteristics of multiple tuned mass dampers for suppressing harmonically forced oscillations [J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,1983,22(1):51-62.

[25] Abe M,Fujino Y.Dynamic characterization of multiple tuned mass dampers and some design formulas [J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,1994,23(8):813-835.

[26] Wong K K,Johnson J.Seismic energy dissipation of inelastic structures with multiple tuned mass dampers [J].Journal of Engineering Mechanics,2009,135(4):265-275.

[27] 葉獻國,蔣慶,盧文勝,等.鋼筋混凝土巨型框架結構及附單向TMD裝置的減震結構振動臺試驗研究 [J].建筑結構學報,2014,23(4):1-7.

Ye X G,Jiang Q,Lu W S,et al.Shaking table model test analysis of a reinforced concretemega-frame structure without and with TMD [J].Journal of Building Structures,2014,35(2):1-7.

[28] 朱曉霞,何明勝.圍護墻多功能減震結構振動臺試驗研究 [J].工業(yè)建筑,2014,44(10):146-151.

Zhu X X,He M S.Shaking table test of the enclosure wall multifunctional vibration absorption structure [J].Industrial Construction,2014,44(10):146-151.

[29] 王增春,何艷麗,陳務軍.iTMD減震結構的彈塑性靜力和動力分析 [J].建筑結構,2012,42(S2):189-193.

Wang Z C,He Y L,Chen W J.Pushover and elastic-plastic seismic analysis of structure with iTMD system [J].Building Structure,2012,42(S2):189-193.

[30] Vakakis A F.Manevitch L I.Gendelman O.et al.Dynamics of linear discrete svstems connected to local,essentially non-linear attachments [J].Journal of Sound and Vibration,2003.264(3):559-577.

[31] 張耀庭,劉再華,胡冗冗.新型建筑調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的實驗研究 [J].工程力學,1999,16(1):98-104.

Zhang Y T,Liu Z H,Hu R R.Experimental studies of an new structurtural tuned mass damper system [J].Engineering Mechanics,1999,16(l):98-104.

[32] 蔣慶.巨型框架結構的地震反應及基于小波分析的損傷研究 [D].合肥:合肥工業(yè)大學,2011年.

Jiang Q.Seismic response and damage analysis based on wavelet analysis of mega-frame structure [D].Hefei:Hefei University of Technology,2011.

[33] 張凌,劉再華.非線性支撐頂層的減震效果研究 [J].上海大學學報(自然科學版),1997,3(增刊):311-316.

Zhang L,Liu Z H.A study on vibration reducing effect of nonlinear supporting top sorey [J].Journal of Shanghai University(Natural Science Edition),1997,3(suppl):311-316.

[34] Wang J,Wierschem N E,Spencer B F,et al.Track nonlinear energy sink for rapid response reductionin building structures [J].Journal of Engineering Mechanics.2015,141(1):04014104.

[35] Wierschem N E,Luo J,AL-Shudeifat M,et al.Experimental testing and numerical simulation of a six-story structure incorporating ywo-degree-of-freedom nonlinear energy sink [J].Journal of Structural Engineering,2014,140(6):04014027.

[36] Chen Y,McFarland D M,Wang Z,et al.Analysis of tall buildings with damped outriggers [J].Journal of Structural Engineering,2010,136(11):1435-1443.

[37] Nicholas E.Wierschem,Quinn D D,et al.Passive damping enhancement of a two-degree-of-freedom system through a strongly nonlineartwo-degree-of-freedom attachment [J].Journal of Soundand Vibration,2012,331(25):5393-5407.

[38] Luo J,Wierschem N E,Hubbard S A,et al.Large-scale experimental evaluation and numerical simulation of a system of nonlinear energy sinks for seismic mitigation [J].Engineering Structures,2014,77:34-48.

[39] AL-Shudeifat M A,Wierschem N,Quinn D D,et al.Numerical and experiment alinvestigation of a highly effective single-side dvibro-impact non-linear energy sink for shock mitigation [J].International Journal of Non-Linear Mechanics,2013,52:96-109.

(責任編輯：顧浩然)

Research and development tendency of the seismicresponse control of tuned mass damper

Zhang Guojun1, Zhang Yuxin1, Billie F.Spencer2

(1.College of Civil Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 201418,China; 2.Department of Civil Engineering,Illinois University at Urbana-Champaign,Urbana-Champaign 61801,Illinois,U.S.A.)

The research status of civil engineering structural vibration control has been summarized in this paper.The working principleof tuned mass damper (TMD)has been discussed,and its research progressat home and abroad has been reviewed.Finally,wesummarized the research and development tendency of TMD.

structural vibration control; passive control; tuned mass damper; multiple tuned mass damper; optimized parameters; robustness

2015-03-04

上海市教委基金項目(06DZ026)

張國軍(1964-),男,教授,博士,主要從事高強結構抗震性能和結構減震控制方面的研究.E-mail:guojunzh@shnu.edu.cn

TU 311.3

A

1000-5137(2017)02-0269-09