质量调谐阻尼器和调频液体阻尼器

调谐质量阻尼器的早期研究
为了增强用于减小主系统最大动力响应的吸振器的效果： 为了增强用于 减小主系统最大动力响应 的吸振器的效果： 减小主系统最大动力响应的吸振器的效果 研究者们尝试了通过引入非线性吸振器弹簧 来 研究者们尝试了通过引入 非线性吸振器弹簧来加宽调谐 非线性吸振器弹簧 频率范围，Roberson(1962 1962) 频率范围 ， Roberson(1962) 研究了将动力吸振器支承于主 系统的没有阻尼的线性弹簧上的动力响应。他将“消除带” 系统的没有阻尼的线性弹簧上的动力响应。他将“消除带 ” 定义为主系统幅值小于 1 的共振峰值之间的频率带。 定义为 主系统幅值小于1 的共振峰值之间的频率带 。 非线 主系统幅值小于 性吸振器的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要宽得 性吸振器的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要宽得 的这个带宽很清楚地表明了 多。 Pipes(1953)研究了有双曲正弦特征的强化弹簧， Pipes(1953)研究了有双曲正弦特征的强化弹簧，并得出 1953 阻止尖锐共振峰的出现 弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰的出现， 弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰的出现，并将相 对小幅值的奇次谐分量引入吸振器和主系统的运动中。 对小幅值的奇次谐分量引入吸振器和主系统的运动中。
TLD减震控制理论 TLD减震控制理论
TLD减振控制理论依据水箱水的水深与水箱振动方向的比 TLD 减振控制理论依据水箱水的水深与水箱振动方向的比 值可分为浅水理论和深水理论。 值可分为浅水理论和深水理论。 浅水理论 浅水理论由于水深较浅， 考虑液体运动的非线性， 浅水理论由于水深较浅 ， 考虑液体运动的非线性 ， 液面 晃荡大从而加大了结构的阻尼 产生减振效果， 晃荡大从而加大了结构的阻尼，产生减振效果，但浅水水 从而加大了结构的阻尼， 箱只适合做阻尼器，不适合其它用途，所以生活、 箱只适合做阻尼器，不适合其它用途，所以生活、消防等 所需的水箱需要专门的大空间来放置，提高了工程造价， 所需的水箱需要专门的大空间来放置， 提高了工程造价， 因此比较适合塔式等高耸结构; 因此比较适合塔式等高耸结构; 深水理论卞要假设是液面运动是微幅 的 深水理论卞要假设是 液面运动是微幅的， 用线性理论来 液面运动是微幅 刻画液体的运动，与之对应的深水水箱则可以方便地用生 刻画液体的运动，与之对应的深水水箱则可以方便地用生 活水箱改装，既不用制作专门的水箱，也不需要额外的盛 活水箱改装， 既不用制作专门的水箱， 放空间，造价低，适合生活、办公用的高层建筑。 放空间，造价低，适合生活、办公用的高层建筑。
调谐质量阻尼器的应用
阿联酋28 层七星级大酒店 为了抵抗地震和风振， 阿联酋 28层七星级大酒店 ， 为了抵抗地震和风振 ， 在弧 28 层七星级大酒店， 度摆动的TMD系统，实现减振。 TMD系统 形支撑杆内安装了单自由 度摆动的TMD系统，实现减振。
调谐质量阻尼器的发展调谐质量阻尼器的发展-MTMD
TMD系统的问题及解决方法： TMD系统的问题及解决方法： 系统的问题及解决方法
对于某个TMD系统，应尽量以控制主结构的低阶振型为 系统，应尽量以控制主结构的低阶振型为 对于某个 系统 低阶振型 目标； 目标； 单个TMD用于结构控制时其有效频率较窄，控制效果不 用于结构控制时其有效频率较窄 单个 用于结构控制时其有效频率较窄， 系统的数量以应对较宽频带的激 稳定。可以通过增加TMD系统的数量以应对较宽频带的激 增加 系统的数量 稳定。可以通过增加 励； 对于以某一振型为主要控制目标的TMD系统，其最优装 系统， 对于以某一振型为主要控制目标的 系统 设位置是该振型最大反应向量的质点处； 设位置是该振型最大反应向量的质点处； 该振型最大反应向量的质点处 对于具有多个振型的主结构减振控制，可以适当增大 对于具有多个振型的主结构减振控制，可以适当增大 多个振型的主结构减振控制 TMD系统的阻尼或者设置多个TMD系统。 系统的阻尼或者设置多个 系统。 系统的阻尼或者设置多个 系统
质量调谐阻尼器（TMD） 质量调谐阻尼器（TMD）
与
调频液体阻尼器（TLD） 调频液体阻尼器（TLD）
目录 质量调谐阻尼器 调频液体阻尼器
调谐质量阻尼器的组成与机理
调谐质量阻尼器由质块，弹簧与阻尼系统组成。 调谐质量阻尼器由质块，弹簧与阻尼系统组成。 组成 当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD TMD系统一 当结构在外激励作用下产生振动时，带动 TMD 系统一 起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到结构上 系统产生的惯性力反作用到结构上， 起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到结构上，调谐 这个惯性力，使其对主结构的振动产生调谐作用， 这个惯性力 ， 使其对主结构的振动产生调谐作用 ， 从 而达到减小结构振动反应的目的。 而达到减小结构振动反应的目的。
调谐质量阻尼器的早期研究
为了改进动力吸振器的性能： 为了改进动力吸振器的性能： Snowdon研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能， Snowdon研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能， 研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能 表明采用恒定阻尼系数材料和刚度正比于频率的动力吸振 表明采用恒定阻尼系数材料和刚度正比于频率的动力吸振 恒定阻尼系数材料 器能显著的减小主系统的共振振动， 器能显著Leabharlann Baidu减小主系统的共振振动，其性能明显优于弹簧 —阻尼筒型吸振器。 阻尼筒型吸振器。 Srinivasan分析了 平行阻尼动力吸振器 Srinivasan 分析了平行阻尼动力吸振器 ， 即一个辅助无 分析了 平行阻尼动力吸振器， 阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下， 阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下，当阻尼 频率被精确调谐到激励频率时，主系统将保持静止， 频率被精确调谐到激励频率时，主系统将保持静止，但在 该情况下，消除带也变小了。 该情况下，消除带也变小了。
调谐质量阻尼器的发展调谐质量阻尼器的发展-ETMD
现阶段， 国内外学者对TMD系统进行了改进和扩展 ， 系统进行了改进和扩展， 现阶段 ， 国内外学者对 系统进行了改进和扩展 形成了利用结构内部的设备 装置等作为质量体对结构 结构内部的设备、 形成了利用 结构内部的设备 、 装置等 作为质量体对结构 的振动能量进行消耗， 简称ETMD。 此系统克服了 的振动能量进行消耗 ， 简称 。 此系统克服了TMD 系统需要增加额外质量的不足， 减轻了系统承载的负担。 系统需要增加额外质量的不足 ， 减轻了系统承载的负担 。 目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制。 目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制 。 其优点 调谐质量与平台剩余质量之比可达200﹪以上，是普通 是调谐质量与平台剩余质量之比可达 ﹪以上， TMD系统的 倍，减振效果良好。 系统的40倍 减振效果良好。 系统的 地 震 动 时 程
调谐质量阻尼器的应用
台北101 大厦是目前世界第一高楼 总高度502 502m 台北 101大厦是目前世界第一高楼 ， 总高度 502m ， 共 100 101 大厦是目前世界第一高楼， 87层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆 层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆， 层，在87层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆， 可减振 40﹪ ~60﹪ (风振或地震)； ﹪ ﹪ 风振或地震)
TMD系统的优点： TMD系统的优点： 系统的优点
能有效衰减主结构的振动反应：在合理选取质量、 能有效衰减主结构的振动反应：在合理选取质量、刚度 系数、阻尼比等结构体系调谐参数的情况下， 系数、阻尼比等结构体系调谐参数的情况下，主结构的地 震反应（位移、加速度）可衰减30﹪ 震反应（位移、加速度）可衰减 ﹪~60﹪，可有效衰减 ﹪ 主结构在各种外部振动冲击下（地震、 海浪等） 主结构在各种外部振动冲击下（地震、风、海浪等）的振 动反应； 动反应； 可以充分利用主结构已有的结构作为TMD系统，不必专 系统， 可以充分利用主结构已有的结构作为 系统 门设置调谐装置； 门设置调谐装置； 采用TMD系统对于某些难以采取传统加强措施的结构， 系统对于某些难以采取传统加强措施的结构 采用 系统对于某些难以采取传统加强措施的结构， 如高层结构、高层塔架结构、大跨度结构、 如高层结构、高层塔架结构、大跨度结构、海洋平台等重 大结构，提供了一条难以替代的减振措施； 大结构，提供了一条难以替代的减振措施； 节省工程造价：由于TMD系统对主结构的减振作用明显， 系统对主结构的减振作用明显， 节省工程造价：由于 系统对主结构的减振作用明显 所以主结构可以减小构件截面尺寸 减小配筋、简化施工； 减小构件截面尺寸、 所以主结构可以减小构件截面尺寸、减小配筋、简化施工； 不仅适用于新建结构的减振控制，而且也适用于已有建 不仅适用于新建结构的减振控制，而且也适用于已有建 筑的减振控制。 筑的减振控制。
TLDTLD-调频液体阻尼器简介
调频液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，简称TLD)是 调频液体阻尼器(Tuned Damper，简称TLD)是 TLD) 一种被动耗能减振装置， 一种被动耗能减振装置，近年来进行了大量的研究和 应用。调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃动 应用。调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃动 过程中产生的动侧力来提供减振作用。 过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造简 安装容易，自动激活性能好， 单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等 优点，可兼作供水水箱使用。 优点，可兼作供水水箱使用。
调谐质量阻尼器的早期研究
Snowdon研究了其他可能的吸振器形式， 三单元吸振器， Snowdon研究了其他可能的吸振器形式，如三单元吸振器， 研究了其他可能的吸振器形式 显示如果第三单元与阻尼器串联， 主系统幅值能减小15 显示如果第三单元与阻尼器串联 ， 主系统幅值能减小 15 30％ 但这种减小对频率是非常敏感的， ％～30％，但这种减小对频率是非常敏感的，在实际中它 将影响吸振器的性能。 将影响吸振器的性能。 Ioi和 Ikeda提出了主系统在小阻尼情况下吸振器参数优 Ioi 和 Ikeda 提出了主系统在小阻尼情况下吸振器参数优 化的经验公式。 Randall等提出了在系统中考虑阻尼影响 化的经验公式 。 Randall 等提出了在系统中考虑阻尼影响 的这些参数的设计图表。 Warburton和 Ayorinde则进一步 的这些参数的设计图表 。 Warburton 和 Ayorinde 则进一步 用表列出了最大动力放大因子、调谐频率比及 用表列出了最大动力放大因子、调谐频率比及特定质量比 最大动力放大因子 和主系统阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。 主系统阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。 的吸振器阻尼比的优化值
近 20 年 来 ， 国 内 外 学 者 针 对 单 个 TMD系统的理论和技术方法 ， 提出了 系统的理论和技术方法， 系统的理论和技术方法 多调谐质量阻尼器的概念，简称 MTMD。 MTMD系统可对受较宽频带 。 系统可对受较宽频带 的外激励的结构进行振动控制， 的外激励的结构进行振动控制 ， 效果 明显。上海青浦电视塔高168m，在离 明显。 上海青浦电视塔高 ， 地面137.5m的一段悬挂 个质量摆 ， 的一段悬挂11个质量摆 地面 的一段悬挂 个质量摆， 这 11 个 质 量 摆 的 自 振 周 期 为 地 0.398Hz~0.487Hz ， 它 们 组 成 的 频 带 震 与风激励所产生的电视塔振动频带基 与风激励所产生的电视塔 振动频带基 动 本吻合， 经测试发现， 本吻合 ， 经测试发现 ， 电视塔天线端 时 位移的控制效果为 控制效果为20.3﹪ ， 塔楼的 加 位移的 控制效果为 ﹪ 塔楼的加 程 ﹪ 速度反应最大值的控制效果 为 36.4﹪ 。 速度反应最大值的 控制效果为 控制效果
调谐质量阻尼器的早期研究
TMD结构应用的现代思想的最早来源 TMD 结构应用的现代思想的最早来源 结构应用的现代思想的 Frahm在1909年研究的动力吸振器 年研究的动力吸振器。 是 Frahm 在 1909 年研究的动力吸振器 。 Frahm的吸振器的图解见图7 Frahm的吸振器的图解见图7． 1， 它 的吸振器的图解见图 由一个小质量m 和一个刚度为A 由一个小质量 m 和一个刚度为 A 的弹 簧连接于弹簧刚度为K 的主质量M 簧连接于弹簧刚度为 K 的主质量 M 。 在简谐荷载下， 在简谐荷载下 ， 当所连接的吸振器 固有频率被确定为 激励频率时 被确定为激励频率 的 固有频率 被确定为 激励频率 时 ， 主质量M 保持完全静止。 主质量M能保持完全静止。