申 彤 閆維明 周大興 李成飛 郝可航

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動(dòng)臂式施工塔吊TMD地震響應(yīng)控制與分析

申 彤1）閆維明1）周大興2）李成飛1）郝可航1）

1）北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124 2）中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100040

雖然建筑施工周期內(nèi)地震致險(xiǎn)概率并不高，但是由于塔吊使用極其廣泛，塔吊致險(xiǎn)概率并不低于建筑結(jié)構(gòu)，故而針對(duì)塔吊的減震措施亟需研究。本文以某實(shí)際超高層建筑施工使用的動(dòng)臂式塔吊為研究對(duì)象，根據(jù)塔吊自身和附著于超高層建筑后的動(dòng)力特性，研究了TMD裝置的不同方案對(duì)塔吊地震響應(yīng)的控制效果。結(jié)果表明：①TMD裝置對(duì)于屬于高聳結(jié)構(gòu)的塔吊減震控制非常有效；②設(shè)置在塔身頂部的雙向TMD不僅可以有效減小塔身偏擺，也可以間接有效地控制起重臂的豎向振動(dòng)；③由于超高層建筑-塔吊結(jié)構(gòu)高階振型影響明顯，此TMD裝置對(duì)塔吊塔身控制效果不穩(wěn)定，但對(duì)于起重臂仍能起到良好的控制作用，故而此TMD裝置可以使用在附著在超高層建筑上的施工塔吊，對(duì)于塔身的振動(dòng)控制仍需進(jìn)一步研究。

動(dòng)臂式塔吊TMD超高層建筑地震振動(dòng)控制

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層或超高層建筑得以大量興建。雖然建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全成為大家普遍關(guān)心的問(wèn)題，但在施工過(guò)程中大型起重設(shè)備的抗震問(wèn)題卻尚未引起足夠重視。在我國(guó)，通常認(rèn)為施工過(guò)程屬于“短暫設(shè)計(jì)狀況”，而塔式起重機(jī)（塔吊）是建筑施工的重要設(shè)備，地震本屬于小概率事件，其作用在起重設(shè)備上的可能性更是微乎其微，不必進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。然而，相關(guān)的災(zāi)害事故并不鮮見(jiàn)。例如，在日本神戶地震中，大量港口起重機(jī)和塔吊遭受不同程度的損壞（章崇任，2007）。在汶川地震中，許多建筑工地的塔吊受損甚至倒塌（李云嶺等，2011）。雖然在施工周期內(nèi)地震致險(xiǎn)概率不高，但是塔吊使用極其廣泛，是每個(gè)建筑工程不可或缺的起重設(shè)備，而且塔吊是周轉(zhuǎn)使用的，周轉(zhuǎn)期限一般為20年甚至更長(zhǎng)，因此致險(xiǎn)概率也相應(yīng)增加。因此，對(duì)塔吊在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的抗震性能和安全性進(jìn)行研究具有重要的工程意義。

從國(guó)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，新西蘭、日本等國(guó)家已有塔式起重機(jī)的抗震設(shè)計(jì)守則（Otani等，2002；吉見(jiàn)雅行等，2004），日本研發(fā)了安裝在塔吊上的抵御地震和強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害的減震裝置。而我國(guó)在這方面還尚無(wú)規(guī)范，制約了施工設(shè)備抗震安全性的發(fā)展。

從國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀來(lái)看，已有部分學(xué)者就塔機(jī)的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究探索。針對(duì)地震荷載造成塔式起重機(jī)受損的問(wèn)題，采用時(shí)程分析法和有限元法對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行三向地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，結(jié)果表明：塔臂受地震波作用影響最為顯著，豎向地震波是造成塔臂斷裂的主要原因（吉軍等，2009）。王武奇（2009）利用ANSYS軟件的瞬態(tài)分析模塊對(duì)25m和36m這兩種高度的QTL630型塔式起重機(jī)進(jìn)行地震作用下的時(shí)程分析，得出塔式起重機(jī)頂點(diǎn)的最大位移隨高度增加而增大的結(jié)論。謝瑞等（2009）針對(duì)汶川地震西安市塔吊受損情況進(jìn)行了分析，得到其主要破壞形式及特點(diǎn)，并分析不同部位出現(xiàn)損壞的原因。從上述研究中發(fā)現(xiàn)，在建筑施工過(guò)程中，塔吊抗震安全性不足，一旦發(fā)生地震，將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。另外，雖然部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)塔吊抗震性能低，地震作用會(huì)造成塔吊受損及破壞（何銀暉等，2012），然而，關(guān)于起重設(shè)備減震措施的研究目前比較薄弱，需要進(jìn)行深入探索。

為研究塔吊地震響應(yīng)的減震措施，本文以某動(dòng)臂式塔吊為研究對(duì)象，建立有限元模型，通過(guò)Sadek法設(shè)計(jì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，簡(jiǎn)稱(chēng)TMD）最優(yōu)參數(shù)，通過(guò)TMD控制塔身頂部位移，達(dá)到間接控制起重臂位移響應(yīng)的目的。選用多條地震加速度記錄研究不同TMD方案對(duì)塔吊的地震響應(yīng)控制結(jié)果，同時(shí)將它應(yīng)用于超高層建筑中觀察其地震響應(yīng)控制效果。

1 施工塔吊簡(jiǎn)介與動(dòng)力特性分析

為了研究地震作用下塔吊的動(dòng)力性能，本文以某型號(hào)的動(dòng)臂式塔吊為研究對(duì)象，如圖1所示。此類(lèi)塔吊特點(diǎn)是依靠起重臂升降實(shí)現(xiàn)變幅，能充分利用起重臂的有效高度（卿龍邦等，2013）。另外，此類(lèi)塔吊適用于高層或是超高層建筑施工中，當(dāng)建筑施工至低層時(shí)，動(dòng)臂式塔吊附著于地面進(jìn)行施工，隨著建筑施工層數(shù)增加，動(dòng)臂式塔吊附著在核心筒內(nèi)部進(jìn)行爬升，自身重量全部由建筑承擔(dān)（閻紅霞等，2010；姚佳琳等，2014），且在施工過(guò)程中，超高層建筑主體結(jié)構(gòu)的層數(shù)不斷增加，其自身的動(dòng)力特性也不斷變化。

動(dòng)臂式塔吊主要由起重臂、機(jī)室、A形架、平衡臂、塔身、支撐結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成（卿龍邦等，2013）?；赟AP2000建立了該塔吊的三維模型，根據(jù)該塔吊的實(shí)際桿件構(gòu)造進(jìn)行建模分析，以塔身高54m，起重臂長(zhǎng)60m，起重臂角度為30°為例建模，探究此塔吊固著于地面和附著于建筑后整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

采用SAP2000有限元軟件進(jìn)行建模分析，在建模時(shí)結(jié)合動(dòng)臂式塔吊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使模型更能貼近實(shí)際的塔吊，并且能夠準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和變形。通過(guò)調(diào)整材料的密度和彈性模量調(diào)節(jié)模型的質(zhì)量，使其最終質(zhì)量貼近實(shí)際塔吊。塔吊模型的邊界條件反映其在施工中的實(shí)際安裝情況，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連接之間構(gòu)造復(fù)雜，所以起連接作用的耳板、銷(xiāo)軸和螺栓等在建模時(shí)不予考慮，視為剛接；塔身通過(guò)支撐框和牛腿支撐梁等與建筑物筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行高強(qiáng)螺栓錨固連接，視為剛接；塔身固定于地面時(shí)，塔身與地面通過(guò)高強(qiáng)螺栓相連，視為固接。塔吊模型所受荷載的類(lèi)型、大小、方向和位置與動(dòng)臂式塔吊在實(shí)際工作中承受的荷載一致。

通過(guò)比較周期和振型可以看出，動(dòng)臂式塔吊有限元模型可以較好地反映原結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，塔吊結(jié)構(gòu)周期如表1所示。

動(dòng)臂式塔吊有限元模型前5階振型如圖2所示，分別是：①第一階：起重臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)繞回轉(zhuǎn)中心扭轉(zhuǎn)；②第二階：塔機(jī)上部整體后傾，上段塔身向后彎曲，起重臂隨塔身變形而向上偏擺；③第三階：塔機(jī)上部整體側(cè)向偏擺，上段塔身側(cè)向彎曲；④第四階：塔機(jī)上部整體向前偏擺，上段塔身向前彎曲；⑤第五階：塔機(jī)塔身略微向前傾斜，起重臂中部彎曲變形?？傮w而言，振動(dòng)過(guò)程中塔身和起重臂剛度較小，變形較大，相對(duì)而言，平衡臂剛度比較大，變形較小。

表1 結(jié)構(gòu)周期和振型質(zhì)量參與系數(shù)

（a）第一階振型圖（b）第二階振型圖（c）第三階振型圖（d）第四階振型圖（e）第五階振型圖

圖2 SAP2000前5階振型圖

Fig. 2 First 5 modes from the SAP2000 model

塔吊結(jié)構(gòu)以前4階振型為主，其中與起重臂夾角為30°的水平方向?yàn)橄?，垂直于的水平方向?yàn)橄?，垂直于地面的方向?yàn)橄颉５谝浑A振型向質(zhì)量參與系數(shù)為38.29%，繞Z軸質(zhì)量參與系數(shù)為98.38%，結(jié)構(gòu)以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)為主。第二階振型向質(zhì)量參與系數(shù)為33.53%，結(jié)構(gòu)以向平動(dòng)為主。第三階振型向質(zhì)量參與系數(shù)為39.23%，結(jié)構(gòu)以向平動(dòng)為主。第四階振型向質(zhì)量參與系數(shù)為50.70%，結(jié)構(gòu)以向平動(dòng)為主。

2 TMD參數(shù)的選取

土木工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可以分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制3種。高層建筑或是高聳結(jié)構(gòu)本身體型巨大，主動(dòng)控制所需的外加能源比較大，控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜難以實(shí)施（Mijailovi?等，2009；Wang等，2014；Longarini等，2014；劉小萌等，2015）。而與主動(dòng)控制相比，被動(dòng)控制造價(jià)低廉、構(gòu)造簡(jiǎn)單而且維修方便（Kim等，2013）。

對(duì)于屬于高聳結(jié)構(gòu)的塔吊來(lái)說(shuō)，在不影響塔吊正常施工且方便安裝的前提下，為了使其頂端具有更好的減震效果，選取被動(dòng)控制調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）作為控制塔吊地震響應(yīng)的方法。

根據(jù)塔吊的破壞形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其起重臂較為薄弱，且在施工過(guò)程中仰角與吊重不斷改變。本文采用控制塔身頂部位移的方法間接控制塔吊起重臂端部的位移。

2.1 TMD參數(shù)設(shè)計(jì)方法

TMD系統(tǒng)是由彈簧、阻尼器以及質(zhì)量塊組成的振動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的質(zhì)量塊用來(lái)提供慣性力，以此減少被控結(jié)構(gòu)的振動(dòng)（閆維明等，2010；張俊衛(wèi)，2014）。

Sadek等（1997）設(shè)計(jì)并發(fā)明了一種調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）最優(yōu)參數(shù)的選擇方法，它可以有效減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。此種方法基于給定的質(zhì)量比、頻率比和阻尼比等參數(shù)計(jì)算TMD最優(yōu)參數(shù)，使TMD系統(tǒng)能吸收更多的能量，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。此種計(jì)算方法不僅適用于單自由度結(jié)構(gòu)，還適用于多自由度結(jié)構(gòu)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可用在高層建筑減震上，能夠顯著減少高層建筑的地震響應(yīng)。因此，對(duì)于塔式起重機(jī)這種高聳結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，采用此種方法減震較為適宜。

采用Sadek等（1997）TMD最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定TMD的質(zhì)量為塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的5%—10%，使其在合理的范圍內(nèi)：

（2）計(jì)算TMD對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)第一振型的最佳頻率比：

（4）

（6）

本章主要提供思路分析和計(jì)算方法，實(shí)際應(yīng)用時(shí)因施工狀態(tài)或塔式起重機(jī)參數(shù)不同，需再根據(jù)具體情況重新計(jì)算TMD參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 TMD參數(shù)計(jì)算

此型號(hào)塔吊結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為198.83t，其中總質(zhì)量包括了自重和配重等參數(shù)。根據(jù)上述方法，以1#塔吊起重臂仰角為30°、空載狀態(tài)下為例進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)Sadek等（1997）的研究，可依據(jù)結(jié)構(gòu)第一振型或是相應(yīng)控制振型設(shè)計(jì)TMD最優(yōu)參數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，TMD質(zhì)量比取值為5%—10%，本章選定質(zhì)量比5%進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體計(jì)算TMD參數(shù)如表2所示。

表2 Sadek法TMD參數(shù)表

3 TMD控制效果的比較

由于塔機(jī)工作地點(diǎn)的不確定性，為了更為全面地研究TMD裝置對(duì)塔吊地震控制的效果，本文選取典型的Taft波、RSN164-147波和El-Centro波為例作為輸入，并假設(shè)抗震設(shè)防烈度為8度。

根據(jù)塔吊破壞的原因和1#塔吊的特點(diǎn)，選取3個(gè)控制目標(biāo)?？刂颇繕?biāo)一為塔身頂部節(jié)點(diǎn)水平方向的位移；控制目標(biāo)二為塔身頂部節(jié)點(diǎn)水平方向的位移；控制目標(biāo)三為起重臂端部節(jié)點(diǎn)豎直方向的位移。

三向地震作用輸入時(shí)，其加速度峰值按水平向：水平向：豎向=1.00：0.85：0.65取值（殷偉希等，2010；何志軍等，2014）。

本文采用SAP2000有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。TMD減震裝置主要由質(zhì)量塊和彈簧裝置組成，故而用Linear模擬彈簧，具有實(shí)際質(zhì)量的實(shí)體單元模擬質(zhì)量塊，用Damper模擬支撐體系，主要提供豎向剛度。其中，線性特性Linear Properties中阻尼設(shè)置不是等效阻尼比TMD，而是等效阻尼TMD。本文采用振型方法進(jìn)行時(shí)程分析，在定義減震單元的等效阻尼時(shí)，可直接采用計(jì)算所得的等效阻尼；若采用直接積分法進(jìn)行時(shí)程分析，則在定義減震單元的等效阻尼時(shí)，應(yīng)將等效阻尼比減去結(jié)構(gòu)本身的阻尼比后得到的阻尼值作為輸入。

以地震振動(dòng)控制效果最佳為目標(biāo)，TMD安裝方案為6種：TMD安裝在塔身頂部、TMD安裝在塔身中部、單向TMD、雙向TMD、TMD安裝在超高層建筑施工塔吊頂部并控制2種不同模態(tài)。將減震效果與無(wú)TMD時(shí)對(duì)比，觀察減震效果。

3.1 不同安放位置對(duì)減震效果的影響

為了研究在塔身安裝TMD裝置的位置對(duì)減震效果的影響，采用上述方法計(jì)算TMD參數(shù)，觀察控制效果，得到TMD裝置的最優(yōu)控制位置。

TMD裝置一般放在結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大處效果最好，由于塔吊一階扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，塔身頂部和中部變形都較大，根據(jù)前面分析的結(jié)果，將TMD裝置放在塔吊中部和塔身頂部進(jìn)行對(duì)比，分析2種方案減震效果的優(yōu)劣。安裝TMD裝置前后塔吊周期對(duì)比如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比（單位：s）

為了比較安裝TMD裝置前后塔吊的減震效果，對(duì)比塔身頂部節(jié)點(diǎn)向、向和起重臂端部向的位移響應(yīng)。以Taft波為例，位移時(shí)程曲線如圖3所示，控制節(jié)點(diǎn)最大位移及減震率匯總?cè)绫?所示。

表4 控制位移最大值及減震率匯總

注：表中、、分別對(duì)應(yīng)與塔身頂部方向、塔身頂部方向和起重臂端部方向位移。方案1指塔身中部安裝TMD裝置；方案2指塔身頂部安裝TMD裝置。

由圖3和表4可知，在3條地震波作用下，TMD裝置安裝在塔身頂部比安裝在塔身中部可以更有效地減少塔吊3個(gè)方向的位移響應(yīng)。其中塔身方向平均減震率可達(dá)56.58%，雖然對(duì)于塔身方向的減震效果只有16.26%左右，但間接減少的起重臂端部位移可達(dá)32.18%。

綜合塔吊3個(gè)方向的減震效果可以看出，將TMD安裝在塔身頂部減震效果較好。

3.2 單向TMD與雙向TMD對(duì)減震效果的影響

為了研究單向TMD裝置和雙向TMD裝置對(duì)塔吊響應(yīng)減震效果的影響，采用上述方法計(jì)算TMD參數(shù)，觀察其控制效果，得到TMD裝置最優(yōu)方案。

塔吊屬于一種高聳結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)向整體剛度較小。塔吊一階振型為起重臂繞回轉(zhuǎn)平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)為主要振型。塔吊二階振型為塔身整體向后偏擺引起起重臂豎向振動(dòng)。由于塔吊起重臂水平振動(dòng)和側(cè)彎振動(dòng)的耦合較弱，雙向TMD分別控制塔吊和向的側(cè)彎振動(dòng)，單向TMD主要控制塔吊向振動(dòng)，間接控制起重臂豎向振動(dòng)。根據(jù)上文提到的方法設(shè)計(jì)TMD基本參數(shù)，觀察2個(gè)方案的減震效果，如圖4和表5所示。

表5 控制位移最大值及減震率匯總

注：表中、、分別對(duì)應(yīng)與塔身頂部方向、塔身頂部方向和起重臂端部方向位移。方案1指塔身頂部安裝雙向TMD裝置；方案2指塔身頂部安裝單向TMD裝置。

由圖4和表5可知，2種方案對(duì)于塔吊都有明顯的減震效果。雙向TMD裝置、和Z方向平均減震率約為56.58%、27.59%和32.18%。單向TMD裝置、和方向平均減震率約為13.77%、47.22%和11.72%。

由于單向TMD主要起控制塔吊方向的響應(yīng)，所以方向減震效果不佳。而雙向TMD雖然控制塔吊方向的響應(yīng)較弱，但是控制起重臂豎向振動(dòng)的效果要比單向TMD多達(dá)20.46%。

綜合來(lái)看，由于塔吊主要破壞形式為起重臂彎折破壞，為了控制起重臂豎向位移，故而選擇雙向TMD更具優(yōu)越性。

3.3 不同控制周期對(duì)減震效果的影響

為了研究超高層建筑施工中動(dòng)臂式塔吊的減震效果，設(shè)計(jì)了2種方案，分別控制建筑-塔吊結(jié)構(gòu)的不同振型，采用上述方法計(jì)算TMD參數(shù)，觀察控制效果。

一般高層建筑地震反應(yīng)以第一階振型為主，由于塔吊與建筑結(jié)構(gòu)的耦合作用改變了整體的振動(dòng)特性，造成建筑-塔吊模型振型有所改變。建筑-塔吊模型第一階振型為建筑方向平動(dòng)引起塔吊結(jié)構(gòu)的整體平動(dòng)，如圖5（a）所示；第二階振型為建筑方向的平動(dòng)引起塔吊結(jié)構(gòu)的整體平動(dòng)，如圖5（b）所示；第三階振型為塔吊起重臂在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)繞回轉(zhuǎn)中心扭轉(zhuǎn)，如圖5（c）所示。2種方案分別控制建筑-塔吊模型所對(duì)應(yīng)的第一階和第三階頻率。

因此，在設(shè)計(jì)TMD時(shí)，其自振頻率d應(yīng)根據(jù)塔吊結(jié)構(gòu)的頻率1及建筑-塔吊振型質(zhì)量參與系數(shù)最大時(shí)的頻率2分別進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比分析其減震效果。以施工至70層時(shí)為例，塔式起重機(jī)安置TMD裝置前后結(jié)構(gòu)周期對(duì)比如表6。

表6 70層建筑-塔吊模型周期對(duì)比（單位：s）

根據(jù)Sadek法計(jì)算TMD最優(yōu)參數(shù)，如表7所示。

表7 TMD參數(shù)表

根據(jù)上述2種方案設(shè)計(jì)TMD安裝于超高層建筑施工塔吊塔身頂部，觀察2個(gè)方案的減震效果，如圖6和表8所示。

表8 控制位移最大值及減震率匯總

注：表中、、分別對(duì)應(yīng)與塔身頂部方向、塔身頂部方向和起重臂端部方向位移。方案1指計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)超高層建筑-塔吊模型第一階自振周期；方案2指計(jì)算時(shí)對(duì)應(yīng)超高層建筑-塔吊模型第三階自振周期。

從表8可以看出，在不同地震波作用下，TMD減震裝置對(duì)于塔身頂部雖然控制效果不穩(wěn)定，但是對(duì)于起重臂端部的豎向位移均起到不同程度的控制作用。

分析原因，可歸為以下幾點(diǎn)：①地震波不同，其主頻不同，所含有超高層建筑結(jié)構(gòu)第一階和第三階模態(tài)頻率的分量不大，致使塔吊地震控制效果具有不穩(wěn)定性；②對(duì)于控制低階模態(tài)較好的TMD裝置不能很好地降低塔吊高階振型的影響；③塔吊是一種剛度質(zhì)量不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)振型明顯，故當(dāng)觸發(fā)扭轉(zhuǎn)振型時(shí)，TMD裝置不可能恰好并一直在其平衡位置保持靜止，其帶來(lái)的質(zhì)量偏心和慣性力可能會(huì)加劇塔吊結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)作用。

由于以上幾個(gè)原因，該TMD裝置對(duì)塔吊塔身控制效果不穩(wěn)定，但對(duì)于起重臂仍能起到良好的控制作用，可以在附著于超高層建筑上的施工塔吊上使用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同方案的施工塔吊TMD地震減震響應(yīng)控制與分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于塔吊這種質(zhì)量剛度不對(duì)稱(chēng)的高聳結(jié)構(gòu)，利用TMD減震系統(tǒng)對(duì)動(dòng)臂式塔吊進(jìn)行地震控制是一種非常有效的方法。

（2）為了控制塔吊塔身側(cè)向偏擺和起重臂豎向振動(dòng)，設(shè)置在塔身頂部的雙向TMD不僅可以有效減小塔身偏擺，也可以間接有效地控制起重臂豎向振動(dòng)。

（3）以超高層建筑-塔吊結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，由于超高層建筑-塔吊結(jié)構(gòu)高階振型影響明顯，此TMD裝置對(duì)塔吊塔身控制效果不穩(wěn)定，但對(duì)于起重臂仍能起到良好的控制作用，故而可以在附著于超高層建筑上的施工塔吊上使用，但如何對(duì)塔身的振動(dòng)進(jìn)行控制仍需進(jìn)一步研究。

綜上所述，雖然建筑施工周期內(nèi)發(fā)生地震的可能性不高，但由于塔吊使用的廣泛性和周期性，研究塔吊的地震響應(yīng)規(guī)律和相應(yīng)的減震措施很有必要。本文提出一種塔吊地震振動(dòng)控制方法，通過(guò)運(yùn)用Sadek法計(jì)算TMD最優(yōu)參數(shù)，分析對(duì)比不同方案的減震效果，發(fā)現(xiàn)安裝在塔身頂部的雙向TMD可以有效控制動(dòng)臂式塔吊的地震響應(yīng)。

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TMD Control and Analysis of Cranes under Earthquake

Shen Tong1), Yan Weiming1), Zhou Daxing2), Li Chengfei1)and Hao Kehang1)

1) Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 2) China Railway Construction Group Co., Ltd, Beijing 100040, China

Due to the universality and the characteristics of cranes, cranes risk probability is not lower than building structure, so It's nessesary to research the crane shock absorption measures although during the construction period, the earthquake risk probability is not high. Based on its dynamic characteristics of cranes and attached to the high-rise building, the dynamic characteristics of the TMD of different schemes on the earthquake response of the tower crane control effect. The results show that: ①TMD for tall structures of cranes seismic vibration control is effective. ②In order to control cranes tower deflection of lateral and vertical vibration boom, set up in the tower at the top of the two-way TMD can't only effectively reduce the deflection of the tower, but also can indirectly effectively control the crane boom vertical vibration. ③The TMD device has a good control effect on the tower crane body, but it also has a good control effect for the boom, so the TMD device can be used in the super high-rise building on the construction tower crane, but for the tower body's vibration control still need further study.

Cranes; TMD；Super high-rise building；Analysis on seismic response

2017-03-20

申彤，女，生于1990年。碩士。主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震、減震等研究。E-mail：784887735@qq.com

申彤，閆維明，周大興，李成飛，郝可航，2017．動(dòng)臂式施工塔吊TMD地震響應(yīng)控制與分析．震災(zāi)防御技術(shù)，12（2）：276—287． doi：10.11899/zzfy20170204