戴靠山，毛日豐，王健澤，魯正

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

附加TL-PD的鋼框架振動臺試驗(yàn)及簡化分析*

戴靠山?，毛日豐，王健澤，魯正

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

為考察分析TL-PD在地震作用下的減震性能，并比較其與TLD和PD控制效果，將阻尼器安裝在5層鋼框架頂部，分別對有控和無控結(jié)構(gòu)進(jìn)行3條天然地震波作用下的振動臺試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：TL-PD具有良好的振動控制效果，對各樓層均有一定的減震作用，位移均方根減震效果最優(yōu)達(dá)到63.2%，加速度均方根控制最優(yōu)達(dá)到51.0%.TL-PD改善了TLD對激勵敏感的特點(diǎn)，魯棒性較好，但減震效果在一定程度上還受輸入激勵特性的影響.提出的TL-PD相對單純PD裝置對顆粒摩擦碰撞有一定的降噪作用.通過理論分析，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提出了TL-PD簡化數(shù)值模型，可用于TL-PD初步設(shè)計(jì)的近似模擬.

振動臺試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)振動控制；TL-PD；數(shù)值模擬

結(jié)構(gòu)振動控制是指在結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)某種裝置，使結(jié)構(gòu)在地震或風(fēng)荷載作用下的動力反應(yīng)得到合理控制[1]，從而降低結(jié)構(gòu)疲勞損傷或防止結(jié)構(gòu)在極端荷載下破壞.其中，調(diào)諧液體阻尼器(TLD)在建筑振動控制的實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用[2-4].其機(jī)理是通過液體晃動產(chǎn)生動側(cè)壓力而控制結(jié)構(gòu)振動，具有造價低、易安裝、易維修、自動激活性能好的優(yōu)點(diǎn).但其只針對結(jié)構(gòu)基頻設(shè)計(jì)，工作阻尼低，減振頻帶窄，且魯棒性較差.為提高TLD的工作阻尼，國內(nèi)外學(xué)者提出了各種方案，如在容器中增加內(nèi)置格柵[5-8]，或采用高粘性液體[9].Xin[10]等人也基于傳統(tǒng)TLD提出一種變密度調(diào)諧液體阻尼器(DVTLD)，通過設(shè)置坡度箱底并鋪細(xì)沙的方式以增加阻尼器的耗能效果與魯棒性.近些年，顆粒阻尼技術(shù)(PD)在土木工程領(lǐng)域引起關(guān)注[11-12]，其耗能機(jī)理是利用顆粒間摩擦與沖擊作用消耗系統(tǒng)振動能量，具有耐久性好、可靠度高、適用于惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，且具有較寬的減振頻帶[13].然而，單純的顆粒阻尼器在使用中往往會產(chǎn)生一定的噪聲，專門為其設(shè)計(jì)減噪裝置則會帶來額外的成本.

為發(fā)展更有效的被動吸能器，一些學(xué)者提出了新型裝置，如陳政清等人[14]提出了電渦流阻尼器.本文結(jié)合調(diào)諧液體阻尼器(TLD)和顆粒阻尼器(PD)技術(shù)的特點(diǎn)，發(fā)展了一種新型阻尼器TL-PD[15]，以期改善傳統(tǒng)TLD低阻尼、魯棒性差的缺陷.通過開展小型單自由度振動臺試驗(yàn)，對TL-PD的減震機(jī)理進(jìn)行了初步探索[15-16]，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在簡諧激勵下TL-PD阻尼裝置能有效減小主體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，且裝置內(nèi)部顆粒的運(yùn)動對深水TLD有一定的改善作用，而液體對顆粒摩擦碰撞的降噪有一定的功效.為研究TL-PD對多自由度體系在隨機(jī)激勵下的振動控制效果，利用一5層鋼框架大比例模型，在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動臺試驗(yàn)室分別對空框架(即無控結(jié)構(gòu))和安裝不同阻尼器的受控結(jié)構(gòu)進(jìn)行3條天然地震波作用下的振動臺試驗(yàn).利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析TL-PD的減震特征；同時與單獨(dú)分別安裝TLD，PD的控制效果進(jìn)行比較，探討TL-PD在相同質(zhì)量比下的控制優(yōu)勢.在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過理論分析，基于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型，提出針對TL-PD的簡化設(shè)計(jì)步驟，通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比，初步驗(yàn)證方法的可行性.

1 TL-PD減震分析及簡化設(shè)計(jì)步驟

TLD根據(jù)液深與振動方向的尺寸之比，一般可分為深水TLD和淺水TLD.對于深水TLD，根據(jù)Housner模型[17]，裝置中只有部分質(zhì)量液體參與晃動，減震效率受到影響.且作為調(diào)諧類阻尼器，一般TLD只對調(diào)諧頻率下的結(jié)構(gòu)振動控制效果顯著.TL-PD作為對傳統(tǒng)調(diào)諧液體阻尼器(TLD)的一種改良，主要是通過調(diào)諧液體阻尼器裝置中放置一定數(shù)量的顆粒，而顆粒的材料、大小、數(shù)量經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)[15-16].顆粒的主要作用是為了激勵未參與晃動的液體，同時顆粒阻尼器具有減振頻帶寬的特點(diǎn)，以彌補(bǔ)液體晃蕩在非調(diào)諧情況下耗能能力低的缺陷.

在TL-PD工作狀態(tài)下單顆粒的受力分析如圖1所示.顆粒受力分析見式(1)-式(3)，由于受到浮力和流體阻力的作用，顆粒會做加速度減小的加速運(yùn)動，且顆粒的加速度大小受液體與顆粒密度比(ρl/ρp)、顆粒半徑(Rp)、材料摩擦因數(shù)(μ)、流體阻力系數(shù)(C)等因素影響.顆粒之間碰撞耗能的大小取決于顆粒碰撞時的相對速度，而顆粒對液體的激勵也依賴于顆粒(群)相對于液體的運(yùn)動.故顆粒和液體之間的相互作用使TL-PD的減震機(jī)理比單獨(dú)的TLD和PD的工作機(jī)理要復(fù)雜，目前大多是通過試驗(yàn)研究探討其減震效果.

圖1 單個顆粒受力分析圖Fig.1 Force equilibrium analysis of a single particle

f=μ(G-F1)=μgVp(ρp-ρl)

(1)

mpa=f-F2=μgVp(ρp-ρl)-0.5CρlApv2

(2)

(3)

式中：ρp,ρl分別為顆粒和液體密度；VP,AP分別為顆粒的體積和投影面積；μ,C分別為材料摩擦因數(shù)和流體阻力系數(shù)；v,a分別為顆粒的速度和加速度.

經(jīng)文獻(xiàn)[15]中開展小型單自由度振動臺試驗(yàn)對TL-PD的減震效果影響因素的研究，顆粒的存在對液體晃蕩的調(diào)諧頻率影響較小，顆粒材料密度對減震效果的影響最為顯著，而顆粒大小和顆粒數(shù)量產(chǎn)生的影響較小.因此，在對TL-PD裝置進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時，可以遵循以下步驟：1)根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻與建筑空間要求，設(shè)計(jì)裝置尺寸與液體深度，且液體深度按式(4)計(jì)算，滿足調(diào)諧條件；2)顆粒材料優(yōu)先選擇密度較大材料，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[15]填充率達(dá)70%時減震效果較優(yōu)；3)確定顆粒尺寸，使整體裝置達(dá)到與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比在1%～3%內(nèi).

(4)

式中：fw為按照TLD推算的液體晃蕩頻率；h為液體深度；l為晃動方向的水平長度.

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型及測點(diǎn)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎靡粋€5層鋼框架進(jìn)行振動臺試驗(yàn).模型總高度為5 480 mm，其中柱尺寸為1060 mm×180 mm×15 mm(長×寬×厚)，采用Q690高強(qiáng)鋼板，在弱軸(定義為X軸)與強(qiáng)軸(定義為Y軸)方向結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出明顯的方向性；樓板尺寸為2000 mm×2000 mm×30 mm(長×寬×厚)，采用Q345鋼板，僅考慮結(jié)構(gòu)自重，不增加附加質(zhì)量；模型結(jié)構(gòu)頂板預(yù)留4個直徑14 mm的孔洞用于安裝阻尼器.結(jié)構(gòu)平面及立面尺寸如圖2所示.

(a)平面圖 (b)立面圖圖2 鋼框架結(jié)構(gòu)幾何尺寸Fig.2 Dimensional information of the steel frame model

實(shí)測純框架模型(無控結(jié)構(gòu))總質(zhì)量約為5.65 t，經(jīng)掃頻測試，前3階頻率為f1=0.98 Hz，f2=2.89 Hz，f3=4.55 Hz，第1階模態(tài)表現(xiàn)為弱軸(X軸)方向的平動.在試驗(yàn)中，各層沿弱軸X向各布置兩個水平加速度計(jì)和兩個位移計(jì)，所以共設(shè)置10個加速度計(jì)，10個位移計(jì)，具體布置如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場及傳感器布置圖Fig.3 Test set-up and measurement system design

2.2 阻尼器設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中阻尼器容器由6塊有機(jī)玻璃板拼裝制成，選擇厚度較大的板材，側(cè)板剛度達(dá)到1.2×103kN/m，故容器變形可忽略.按照上述的簡化設(shè)計(jì)步驟，容器尺寸選擇根據(jù)阻尼器質(zhì)量比控制，同時綜合考慮鋼框架平面尺寸大小，容器最終選擇為：580 mm×450 mm×800 mm(長×寬×高)，底板750 mm×900 mm×20 mm(長×寬×厚)，設(shè)置與鋼框架頂板匹配的螺孔用于固定，容器質(zhì)量48.8 kg，幾何尺寸如圖4所示.

圖4 容器幾何尺寸Fig.4 Container dimensions

在確定容器尺寸的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對液體深度和顆粒進(jìn)行設(shè)計(jì).在本文中，為探究TL-PD振動控制效果及相同質(zhì)量比下TL-PD相對于TLD和PD的控制優(yōu)勢，綜合考慮TLD調(diào)諧液深[17-18]、PD最優(yōu)填充率[19]及TL-PD初步試驗(yàn)的結(jié)果[15-16]，顆粒選擇為51 mm直徑鋼球，液體為水，所設(shè)計(jì)的阻尼器參數(shù)如表1所示.

表1 各阻尼器參數(shù)

表1中PD所選82.2%顆粒填充率靠近顆粒阻尼器最優(yōu)填充率；TLD所選220 mm液深為調(diào)諧液深，由式(4)計(jì)算得到.

2.3 輸入激勵及工況選擇

依據(jù)實(shí)際工程情況，按7度抗震設(shè)防及Ⅳ類場地的要求，選用如下3條地震波：汶川波、日本311地震波和El Centro波，時間步長0.02 s，各地震波時程加速度變化分別為0.05 g，0.1 g和0.15 g.3條地震波的加速度時程與自功率譜如圖5所示.本試驗(yàn)時間相似比為1，不考慮縮尺，地震波沿弱軸X方向輸入，分別對空框架及安裝如表1中所示的4種阻尼器的有控結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表2所示.

表2 試驗(yàn)工況

圖5 地震波加速度時程與自功率譜(PGA縮比到0.1 g)Fig.5 Acceleration time histories and auto-power spectra of excitation inputs (PGA scaled to 0.1 g)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)在抗震設(shè)計(jì)中是一個重要參數(shù)，而在評估結(jié)構(gòu)能量損失時，還需要通過均方根響應(yīng)來表示隨機(jī)變量的能量水平.因此，在對試驗(yàn)結(jié)果分析前，首先定義參數(shù)減震率，如式(5)和式(6)所示：

(5)

(6)

試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此取各層兩個位移計(jì)均值和加速度計(jì)均值作為每層X向的實(shí)際響應(yīng)值.

3.1 TL-PD控制效果

根據(jù)表3中列出的各工況下TL-PD1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，TL-PD1能有效控制結(jié)構(gòu)位移和加速度峰值響應(yīng).首先，位移峰值控制效果在-7.8%～23.7%范圍內(nèi)，加速度峰值控制達(dá)到1.9%～29.7%；同時相對于峰值控制，TL-PD1的均方根控制效果更明顯，位移均方根減振效果為6.4%～63.2%、加速度均方根控制達(dá)到17.3%～51.0%.圖6中給出了輸入峰值加速度為0.10 g時各地震波激勵下，結(jié)構(gòu)各層相對于振動臺面的位移和加速度峰值曲線.可以看到，由于TL-PD設(shè)置在框架頂部，在3種不同頻譜成分的地震波激勵下，4-5層的動力響應(yīng)均有明顯的控制效果，而對1-3層動力響應(yīng)的控制受不同地震波的影響不同.在汶川波作用下，1-2層的位移響應(yīng)稍大于無控結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，而在日本311和El Centro地震波作用下，1-3層的加速度響應(yīng)幾乎與無控結(jié)構(gòu)的響應(yīng)相同.分析認(rèn)為，由于3條地震波的頻譜差異，其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)響應(yīng)不同，且阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)頂部，對于底層結(jié)構(gòu)響應(yīng)控制效果不明顯.圖7為輸入峰值加速度為0.10 g時各地震波激勵下有無安裝TL-PD1的框架頂層響應(yīng)時程對比圖，可以看到有控結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)在激勵前期響應(yīng)區(qū)別不大，經(jīng)過一段時間的振動后液體充分晃蕩、顆粒充分摩擦耗能，TL-PD1發(fā)揮減震作用，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)迅速衰減.

(a)汶川波(0.10 g) (b)日本311波(0.10 g) (c)El Centro波(0.10 g)

(d)汶川波(0.10 g) (e)日本311波(0.10 g) (f)El Centro波(0.10 g)圖6 地震波激勵下有無附加TL-PD1框架各層峰值響應(yīng)曲線Fig.6 The maximum dynamic responses at each floor for the cases with or without TL-PD1under 0.10 g excitations

由表3可以看到，不同激勵下TL-PD的減震控制效果有一定的差異，El Centro波激勵下控制效果最好，而在汶川波與日本311波作用下效果小.其原因可通過對圖5中3條地震波的頻譜分析可知，El Centro波的主要頻帶在1.0 Hz左右，靠近結(jié)構(gòu)基頻，有利于阻尼器發(fā)揮作用，而汶川波和日本311波的主要頻帶在2.7 Hz左右.由圖7也可知，在輸入相同加速度峰值的條件下，汶川波和日本311波較El Centro波激發(fā)的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)較小.此時液體晃蕩程度低、顆粒摩擦碰撞耗能少，因此控制效果相對于主要頻率靠近結(jié)構(gòu)基頻的El Centro波較差.汶川波的加速度值在較長時間里比日本311波的加速度值大，而日本311地震波僅在130 s左右有個相對較大的脈沖，在其余時間內(nèi)加速度數(shù)值相對較??；另外，汶川波的頻帶相對于日本311波較寬，在結(jié)構(gòu)基頻1.0 Hz附近的能量明顯大于日本311波，這些可能是導(dǎo)致汶川波與日本311波作用下減震效果差別的原因.3種地震波作用下TL-PD的減震效果的差別反映了其受輸入激勵影響的復(fù)雜性.

表3 附加TL-PD1結(jié)構(gòu)頂部響應(yīng)

(a)汶川波(0.10 g)位移時程 (b)汶川波(0.10 g)加速度時程 (c)日本311波(0.10 g)位移時程

(d)日本311波(0.10 g)加速度時程 (e)El Centro波(0.10 g)位移時程 (f)El Centro波(0.10 g)加速度時程圖7 有無附加TL-PD1框架頂層響應(yīng)時程對比圖Fig.7 Roof dynamic response time histories for the cases with or without TL-PD1 under 0.10 g excitations

3.2 TL-PD與TLD和PD控制效果對比

為對比相同質(zhì)量比下TL-PD與TLD，PD減震效果，選取表1中質(zhì)量比均為1%的TL-PD2，TLD和PD 3種阻尼器試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.表4為3條天然(0.05 g，0.10 g，0.15 g)地震波激勵下附加各阻尼器時框架頂層均方根減震率對比.由表4可知，在日本311波和El Centro地震波作用下，TL-PD對位移均方根響應(yīng)的控制優(yōu)于TLD與PD.不同于調(diào)諧類阻尼器，PD阻尼技術(shù)受激勵頻率的影響較小，PD阻尼器在控制加速度響應(yīng)上優(yōu)于TLD與TL-PD.

在大多數(shù)工況下，TL-PD對位移和加速度均方根響應(yīng)的控制皆優(yōu)于TLD.由此也可說明TL-PD實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)初衷，即TL-PD作為對深水TLD的改良，其魯棒性相對TLD稍好，由于顆粒的參與使其加速度控制效果相對同質(zhì)量比的TLD提升顯著.在汶川波作用下，發(fā)現(xiàn)TL-PD的減震效果是介于TLD與PD之間.然而，通過試驗(yàn)現(xiàn)場觀察，將PD阻尼器安裝于鋼框架頂部進(jìn)行試驗(yàn)時，在地震波作用下往往產(chǎn)生的噪聲較大，如果專門為其設(shè)計(jì)減噪裝置則會帶來額外的成本.而TL-PD對顆粒摩擦碰撞有一定的降噪作用，液體的存在削弱顆粒摩擦碰撞強(qiáng)度的同時，阻隔了部分噪聲的傳播.綜合來看，TL-PD在一定程度上改善了TLD的性能，同時對顆粒摩擦碰撞有一定的降噪作用.由于試驗(yàn)條件所限，該試驗(yàn)中TL-PD非最優(yōu)參數(shù)，理論上最優(yōu)TL-PD在相同質(zhì)量比下應(yīng)該具有較好的結(jié)構(gòu)控制效果.

表4 附加不同阻尼器結(jié)構(gòu)頂層均方根減振效果

4 簡化數(shù)值分析

對TLD數(shù)值模型的研究較為廣泛，且得到較多的試驗(yàn)研究與實(shí)際工程的驗(yàn)證[20-23].較為經(jīng)典的表達(dá)是如圖8所示，結(jié)構(gòu)受到TLD的作用力FL(t).運(yùn)動方程為：

(7)

根據(jù)已有研究[23]對深水理論的基本假定：1)水不可壓縮、無粘滯且只作無旋運(yùn)動；2)容器壁是剛性且與水間無摩擦和粘附作用；3)水的波浪運(yùn)動是微幅和緩慢的.根據(jù)線性化伯努利方程可以得到矩形容器僅考慮第一振型時對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加阻尼力FL的表達(dá)式為：

(8)

a1=8/π2

(9)

(10)

因本文提出的TL-PD是基于傳統(tǒng)TLD技術(shù)的改善，基于上述TLD數(shù)值模型表達(dá)，將顆粒的作用同樣以附加力FP的形式進(jìn)行考慮.經(jīng)文獻(xiàn)[15]中對TL-PD開展的小型單自由度振動臺試驗(yàn)研究，建立簡化模型為：

(11)

式中：FP為顆粒附加阻尼力；a1與a2為試驗(yàn)總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[18]，a1取1.1，a2取0.9.

圖8 TLD簡化計(jì)算模型Fig.8 The simplified mathematical model of TLD

盡管有很多學(xué)者通過理論與試驗(yàn)等手段對顆粒阻尼器(PD)的數(shù)值模型進(jìn)行研究[24-26]，由于PD的耗能機(jī)理具有很高的非線性，較為精確的模擬還是存在一定的困難.研究表明，當(dāng)彈性顆粒間、顆粒與腔體間的相對碰撞速度小于5 m/s，碰撞耗能小于顆粒碰前動能的1%[27]時，鑒于PD土木工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用多在低頻低幅振動激勵下，為簡化分析，不考慮顆粒碰撞耗能，僅考慮摩擦耗能.閆維明等[28]針對顆粒的阻尼效果提出了一種計(jì)算方法：考慮到顆粒碰撞力大小隨激勵條件變化，在僅考慮其摩擦耗能下，PD的等效阻尼系數(shù)由下式估算：

(12)

(13)

作為驗(yàn)證，本文在上述經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，通過編制多自由度體系模型，對附加TL-PD的結(jié)構(gòu)在不同地震波激勵下的動力時程響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.作為示例，圖9為PGA為0.1g時ElCentro波激勵下數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)頂部響應(yīng)時程對比圖.對比可見，ElCentro波激勵下的數(shù)值計(jì)算時程曲線和試驗(yàn)結(jié)果在50s左右與試驗(yàn)結(jié)果有明顯誤差，原因在于ElCentro波在50s左右有一個較小的脈沖變化，而TL-PD簡化計(jì)算模型較難捕捉低幅激勵突變處的真實(shí)減震效果.當(dāng)輸入加速度峰值為0.1g時，3條地震波工況下，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.由表5可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，其中對ElCentro地震波工況的模擬結(jié)果偏差最大，位移峰值誤差6.85%，加速度峰值誤差13.51%，其他兩條地震波激勵下，模擬結(jié)果產(chǎn)生的位移峰值誤差在6%以內(nèi)，加速度峰值誤差在10%以內(nèi)，在工程應(yīng)用的初步設(shè)計(jì)階段可以接受.由此表明，在現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果下，本文提出的TL-PD的簡化模型初步證明了其可行性.但由于TL-PD中液體與顆粒運(yùn)動存在的復(fù)雜非線性，在其他不同特征的地震激勵下，其適用性及精確的數(shù)值模型需要進(jìn)一步研究.

(a)位移 (b)加速度圖9 El Centro波激勵下結(jié)構(gòu)頂部響應(yīng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.9 Comparison between experimental and numerical results of the roof responses under the El Centro excitations

地震波位移峰值/mm模擬試驗(yàn)差值/%加速度峰值/g模擬試驗(yàn)差值/%汶川波18.6519.835.950.410.458.89日本311波7.648.065.210.190.219.52ElCentro波67.7072.686.850.320.3713.51

5 結(jié) 論

通過對5層鋼框架附加TL-PD及其他阻尼器的振動臺試驗(yàn)，對TL-PD與TLD，PD的控制效果進(jìn)行對比，結(jié)論如下：

1)提出的新型阻尼器TL-PD在3種天然地震激勵下均有一定的減震效果，位移峰值減震效果最優(yōu)達(dá)23.7%、加速度峰值控制最優(yōu)達(dá)29.7%；位移均方根減振效果為6.4%～63.2%，加速度均方根控制達(dá)到17.3%～51.0%.該阻尼器對結(jié)構(gòu)整體具有一定的減震效果，并對其所在的樓層及相鄰樓層效果較為明顯，故實(shí)際工程中可根據(jù)需要合理選擇阻尼器安裝位置.

2)試驗(yàn)中有控結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)在激勵初期響應(yīng)區(qū)別不大，激勵初期之后安裝阻尼裝置的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較空框架減小程度較為明顯.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TL-PD控制效果隨結(jié)構(gòu)振動劇烈程度增加而增加，主要是強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)振動加劇了液體晃蕩，也使顆粒摩擦耗能充分發(fā)揮.不同特性地震波作用對TL-PD的減震效果影響較為復(fù)雜.

3)通過對比TL-PD與相同質(zhì)量的PD，TLD阻尼器在相同激勵下的減震效果，TL-PD的工作阻尼優(yōu)于TLD，并在一定程度上改善了TLD對激勵敏感的特點(diǎn)，且對顆粒摩擦碰撞有一定的降噪作用.

4)發(fā)展了TL-PD簡化設(shè)計(jì)步驟，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展的數(shù)值分析結(jié)果與El Centro 地震波工況下試驗(yàn)結(jié)果吻合度相對較好，表明該計(jì)算模型的初步可行性，但TL-PD中液體與顆粒運(yùn)動存在復(fù)雜的非線性，發(fā)展更為精確的數(shù)值模型需要進(jìn)一步研究.

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Shaking Table Testing of a Steel Frame with TL-PD and SimplifiedNumerical Modeling

DAI Kaoshan?,MAO Rifeng,WANG Jianze,LU Zheng

(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

In order to investigate the vibration mitigation performance of the Tuned Liquid- Particle Damper (TL-PD) during earthquakes，a series of shaking table tests were conducted on a steel frame structure with different damping devices，including Tuned Liquid Damper (TLD)，Particle Damper (PD)，and TL-PD.During the testing，three ground motions were adopted as excitation inputs.Testing results show that the TL-PD has a good vibration suppression effect.The root-mean-square values of displacement and acceleration responses of the structure can be reduced by 63.2% and 50.5% at most，respectively.The TL-PD also shows a better robustness than that of the TLD，although the performance of the TL-PD is still influenced by the ground motion characteristics.Additionally，the TL-PD produced less noise than that of the PD in the tests.Based on empirical model，a mathematical model was developed to capture the behaviors of TL-PD in the preliminary design.

shaking table test；structural vibration control；Tuned Liquid-Particle Damper(TL-PD)；numerical simulation

1674-2974(2017)07-0031-10

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.07.005

2016-05-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208382)，National Natural Science Foundation of China(51208382)；土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助項(xiàng)目(SLDRCE14-B-02)，State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering(SLDRCE14-B-02)；上海市國際合作項(xiàng)目(16510711300)，International Collaboration Program of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(16510711300)；科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國際合作項(xiàng)目(2016YFE0105600)，China National Key R & D Program,Special Key Program for International Cooperation(2016YFE0105600)

戴靠山(1977-),男,同濟(jì)大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人：E-mail:kdai@#edu.cn

TU317.1；TU352.1

A