吳曼林

（廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510405）

0 引言

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)控制時(shí)是否需要外加能源，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制[1]?；旌峡刂剖峭瑫r(shí)應(yīng)用多種控制裝置，發(fā)揮每種控制的優(yōu)點(diǎn)，多管齊下，獲得更理想的控制效果。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）[2]是被動(dòng)控制常見(jiàn)的裝置，本文將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）與隔震技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，形成了隔震減震混合控制系統(tǒng)。通過(guò)參與實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和研究，將平臺(tái)花園作為T(mén)MD 質(zhì)量塊，作為于建筑結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)出TMD 基本參數(shù)，對(duì)比建筑結(jié)構(gòu)無(wú)控制、被動(dòng)控制、混合控制的減震效果。

本文的研究對(duì)象大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)，是指建筑底部的多層裙房未使用分隔縫而形成受力整體，建筑上部的多層塔樓的豎向荷載和水平作用均傳遞給底部裙房的結(jié)構(gòu)。譚平等[3]將隔震技術(shù)引入此類(lèi)結(jié)構(gòu)，做了一系列的試驗(yàn)和研究。譚平等[4]還將智能磁流變控制技術(shù)應(yīng)用到大平臺(tái)多塔樓隔震結(jié)構(gòu)中，研究了這種隔震體系的抗震性能，采用磁流變（MR）阻尼器技術(shù)應(yīng)用于隔震層，探討了這種新型隔震體系智能磁流變控制的減震效果。

筆者等[5]在前期工作中提出大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)的隔震減震策略，對(duì)比基礎(chǔ)隔震、層間隔震兩種方案減震效果；提出在層間隔震基礎(chǔ)上，利用平臺(tái)頂建成的花園作為T(mén)MD 質(zhì)量塊，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合控制的策略。本文將深入研究調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）對(duì)大底盤(pán)多塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)的減震控制效果，驗(yàn)證混合控制策略的有效性。

1 混合控制運(yùn)動(dòng)方程

TMD 作用于大底盤(pán)多塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)方程如式（1）所示。

式中：M——整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；C——整體結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣；K——整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；X——位移向量；——地面加速度；Mg——外部激勵(lì)作用矩陣。

文獻(xiàn)列出各矩陣示意，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣各子結(jié)構(gòu)之間剛度解耦。

本文將裙房頂部平臺(tái)花園TMD 視為與塔樓并列子結(jié)構(gòu)，利用matlab 編寫(xiě)計(jì)算機(jī)模擬仿真程序，對(duì)工程實(shí)例的TMD 參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)TMD 基本參數(shù)，分別計(jì)算無(wú)控制、層間隔震、混合控制結(jié)構(gòu)，在水平地震作用下，層間位移的控制效果。

2 工程實(shí)例

以某實(shí)際工程為研究對(duì)象，研究TMD 參數(shù)對(duì)層間位移和加速度控制效果的影響。建筑下部有三層大平臺(tái)，上部設(shè)計(jì)兩棟框架結(jié)構(gòu)住宅塔樓。第四層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，共11 層。結(jié)構(gòu)各層重量和剛度如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)各層重量和剛度

該結(jié)構(gòu)采用層間隔震技術(shù)，改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，使底部三層平臺(tái)和上部多層塔樓地震反應(yīng)減小，整體抗震安全性提高。擬將平臺(tái)花園作為隔震結(jié)構(gòu)TMD，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合控制。通過(guò)編制程序，計(jì)算對(duì)比無(wú)控制、層間隔震、隔震和平臺(tái)花園TMD 混合控制的地震反應(yīng)，得出相關(guān)結(jié)論。

3 TMD 參數(shù)分析

利用編制的matlab 程序，研究不同TMD 質(zhì)量下，結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)與TMD 的頻率變化關(guān)系。根據(jù)工程場(chǎng)地特性，選取7 條符合要求地震波時(shí)程進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果取平均值。

（1）假定TMD 質(zhì)量為總質(zhì)量的3%，TMD 阻尼比取0.10。結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)與TMD 的頻率變化關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 各層地震反應(yīng)控制效果與TMD 頻率關(guān)系（質(zhì)量比3%）

由圖1 可見(jiàn)，平臺(tái)各層位移、塔樓位移和塔樓加速度的最優(yōu)頻率相同，但該頻率和使平臺(tái)加速度最優(yōu)的頻率不同。對(duì)于塔樓各層的位移和加速度控制，TMD 頻率有最優(yōu)值；而對(duì)于平臺(tái)各層的位移和加速度控制，TMD 頻率存在兩個(gè)最優(yōu)值。

（2）假定TMD 質(zhì)量為總質(zhì)量的15%，TMD 阻尼比取0.10。結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)與TMD 的頻率變化關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 各層地震反應(yīng)控制效果與TMD 頻率關(guān)系（質(zhì)量比15%）

當(dāng)TMD 質(zhì)量為總質(zhì)量的15%的時(shí)候，控制效果大幅提高。層位移方面：對(duì)平臺(tái)各層的控制效果已經(jīng)接近25%；對(duì)塔樓的控制效果達(dá)35%左右。絕對(duì)加速度方面：對(duì)應(yīng)于對(duì)層位移最大控制效果的TMD 最優(yōu)頻率，平臺(tái)各層加速度的控制效果均有小于各層位移控制的控制效果；在TMD 對(duì)位移控制最優(yōu)頻率下第一、二層控制效果有限，對(duì)塔樓控制效果接近25%。

4 不同設(shè)計(jì)方案減震效果對(duì)比

根據(jù)前文分析結(jié)果，最終確定TMD 參數(shù)如下：頻率3.5，質(zhì)量比0.1，阻尼比0.10。利用編制的matlab 程序計(jì)算在TAFT 波、Elcentro 波和人工波作用下，在無(wú)控制、隔震被動(dòng)控制、隔震和TMD 混合控制三種不同策略下，結(jié)構(gòu)各層位移反應(yīng)和控制效果如表2 所示。

5 結(jié)論

通過(guò)編制程序，分析TMD 參數(shù)對(duì)位移和加速度控制效果影響，設(shè)計(jì)TMD 參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震效果分析，得出如下結(jié)論。

（1）通過(guò)優(yōu)化TMD 參數(shù)，平臺(tái)花園TMD 能進(jìn)一步減小大底盤(pán)多塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

（2）TMD 對(duì)位移控制效果優(yōu)于對(duì)絕對(duì)加速度控制效果，對(duì)塔樓控制效果優(yōu)于對(duì)大底盤(pán)控制效果。

（3）當(dāng)TMD 質(zhì)量從平臺(tái)總質(zhì)量的3%增加到15%的時(shí)候，控制效果大幅提高。

（4）工程實(shí)踐可根據(jù)平臺(tái)花園設(shè)計(jì)條件，優(yōu)化TMD參數(shù)，以達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性最佳平衡點(diǎn)。