TMD调谐质量阻尼器的局限性

调谐质量阻尼器（TMD）的研究综述工程力学祁丽丽（河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003）摘要：本文对调谐质量阻尼器（TMD）的构造及工作机理进行了分析，归纳总结了TMD的发展阶段，并举例阐述了TMD在结构振动与控制方面的应用，从而说明TMD在土木工程防灾减灾技术中发挥着重要作用，由此可见TMD具有良好的发展前景和研究价值。

关键词：调谐质量阻尼器，吸振器，阻尼器，减振作用A General Statement to the Research of Tuned Mass DamperQI Li-li( Institute of Civil Engineering, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）Abstract：The structure and working mechanism of tuned mass damper are analysed in the article and it summarizes the development stages of TMD and illustrates the applications of TMD in structural vibration and control.Thus TMD plays an important role in disaster prevention and reduction technology . From the article we can learnTMD has good development prospect and the research value.Key words：t uned mass damper;absorption isolator;damper;damping effect1 引言随着结构振动控制技术的迅速发展，调谐减振技术的理论研究变得更加成熟，应用也更加广泛。

调谐质量阻尼器（TMD）在钢结构人行天桥维修中的应用研究原国华【摘要】主要对某钢结构人行天桥的主要病害进行了分析，提出了一种在箱梁内部安装调频质量阻尼器（ TMD）的新技术。

箱梁改造后进行了加固效果分析，结果表明安装调频质量阻尼器（ TMD）后大大降低了钢箱梁共振效应，减少了行人的不安全感，保证了桥梁的安全运营和耐久性能。

【期刊名称】《建材技术与应用》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3页(P21-23)【关键词】钢箱梁;病害;调频质量阻尼器【作者】原国华【作者单位】山西省交通科学研究院，山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】TU352.1某钢结构人行天桥桥身呈半圆形，半径38.0 m，桥宽3.8 m，桥长123.3 m，主梁为3跨连续钢箱梁，跨径组合为：37.6 m+44.1 m+37.6 m，桥台处各加长2.0 m的悬臂。

钢箱梁高1.122 m，顶板宽3.8 m，底宽1.8 m，梁下采用橡胶支座，下部结构桥台为矩形截面Y形立柱，桥墩均为圆形独柱，均采用钢筋混凝土扩大基础。

该桥修建于1988年，设计人群荷载为4 kN/m2，全桥人行梯道4处，位于各墩台处，由预制钢筋混凝土踏板现场拼装组成，天桥平面图见图1。

2009年对该桥进行了全面检测和脉动试验，检测结果及试验数据表明需对该天桥进行耐久性处理，降低桥梁共振效应。

检测单位对该桥进行了全面检测和脉动试验，检测结论为：该钢结构天桥钢箱梁前三阶自振频率为1.623 Hz，2.337 Hz和2.984 Hz，前三阶频率均不能满足CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》的要求。

为了减少行人的不安全感，避免桥梁共振，钢箱梁竖向自振频率应≮3 Hz，根据检测数据判断，该天桥钢箱梁竖向刚度较低，行人行走过程中易激发共振。

另外，行人在桥上行走过程中，感觉到桥有些晃动，存在较大的安全隐患。

该桥采用钢箱主梁和钢筋混凝土桥面铺装，根据检测报告，该桥主梁存在共振问题。

台北101大楼总高508公尺，楼层数为101层，属於超高层建筑，这种大楼在高层位置容易受到风力影响而产生摆动。

如果风力太强，造成结构物的振动太大，将使住户产生不适感，所以，为了降低建筑物振动反应，装设抗风阻尼器就成了解决的办法。

这颗类似单摆的金色大圆球，其正确名称为：「调谐质量阻尼器」（Tuned Mass Damper，TMD）。

这颗阻尼器的功能是用来减缓因强风造成建筑物振动而引起的不适感。

通常人感到不舒服，与楼层的尖峰加速度值有关，根据文献对高楼居民受风力摆动引起不适的研究显示，振动加速度达5cm/sec2时，人会开始感觉到建筑物的摆动并因此感到不舒服。

所以台湾的规范规定：在回归期半年（一年内可能会发生两次的机率)的风力作用下，建筑物最高居室楼层角隅之侧向振动尖峰加速度值不得超过5cm/sec2。

台北101大楼调质阻尼器所装设的位置与造型最後决定悬吊於87~92层之间。

这个类似单摆的调质阻尼器，其直径约为5.5公尺，共由41层厚度125mm的圆形钢钣堆叠焊接组合而成，各层钢钣的直径则配合球体形状呈2.1m~5.5m的尺寸变化。

整个球体由8组90mm 直径的高强度钢索，透过支架托住球体质量块的下半部，将660公吨的载重悬吊支承於92层结构。

此外，调质阻尼器支架周围也另设置了8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器(Primary Hydraulic Viscous Damper) ，其功能在於吸收球体质量块摆动时之冲击能量，减少质量块的摆动。

而为了避免强风及大地震作用时质量块摆幅过大，调质阻尼器下方则放置了一可限制球体质量块摆动的缓冲钢环（Bumper Ring），以及8组水平向防撞油压式阻尼器（Snubber Damper），一旦质量块摆动振幅超过1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒（Bumper Pin）就会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。

单摆式调谐质量阻尼器的力学原理：一个简单的调质阻尼器是由质量块（惯性力）、弹簧（弹性恢愎力）与阻尼（能量消散）所组成，装设於结构物上使之降低结构的动态反应，如顶层位移及加速度反应。

调谐质量阻尼器的技术研究及工程应用1摘要：本文对调谐质量阻尼器的工作原理进行了系统分析并对其构造进行剖析，同时对TMD在结构振动与控制方面的应用进行系统研究，根据应用分析表明TMD在结构结构振动控制中起着着重要作用，尤其在高耸结构中效果更为显著。

关键词：调谐质量阻尼器，减振，工程应用随着建筑功能的多元化，同时结构计算方法和轻质高强材料的发展和使用，高耸、大跨度结构振动问题越来越引起业工程界和学术界的重视，从而带动了振动控制技术的迅速发展，调谐质量阻尼器是振动控制的主要形式之一，近年来，调谐减振技术的理论研究变得更加成熟，应用也更加广泛。

由于TMD能有效地衰减结构的动力反应，且构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗风装置。

1 概述TMD结构应用思想的最早来源是1909年研究的动力吸振器。

最早主要对单个无阻尼TMD系统进行研究，主要研究内容为如何确定TMD的最优参数，研究多集中于对结构控制效果和最优控制参数的理论研究。

为使TMD的控制效果达到最佳，即扩大其耗能能力，需要将TMD的振动频率调至结构振动频率附近并选用适当的阻尼。

但TMD减振也存在缺点，即鲁棒性较差，当实际频率比偏离最优频率比时，其控制效果会大幅下降，即结构所受激振力频带较窄的时候TMD的控制效果较优，而激振力频率随机性较强时，控制效果明显降低，而多重调谐质量阻尼器（MTMD）可以有效解决上述问题。

本文基于TMD参数有效域概念，对某建筑上的MTMD应用进行了设计，使得该建筑结构系统振动得到有效控制，且鲁棒性较稳定。

2 调谐质量阻尼器的工作机理调谐质量阻尼器是一个振动系统，其由质量为M的质量块、弹簧刚度为K的弹簧和阻尼系数为C的阻尼器组成。

该系统简化模型如图1所示。

它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入了TMD，其动力特性发生了改变，原结构承受动力作用而剧烈振动时，由于TMD质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，从而使原结构的振动反应明显减弱。

调谐质量阻尼器施工方案1. 引言调谐质量阻尼器（TMD）是一种被广泛应用于结构抗震领域的 passively controlled device。

它通过在结构中引入质量和阻尼来减小结构的振动响应，从而提高结构的抗震性能。

本文将介绍调谐质量阻尼器的施工方案，包括选用材料、设计原理、施工流程等内容。

2. 选用材料在进行调谐质量阻尼器施工前，首先需要选用合适的材料。

常见的调谐质量阻尼器材料包括钢、铅、聚合材料等。

其中，钢材是较为常用的选择，具有较高的密度和强度，能够提供足够的质量以阻尼结构的振动。

此外，钢材还具有良好的可塑性和耐腐蚀性，适用于不同的施工环境。

3. 设计原理调谐质量阻尼器的设计原理是通过将其与结构相连，通过质量和阻尼的作用减小结构的振动幅值。

具体而言，设计原理包括以下几个方面：3.1 质量选择根据结构的特点和需求，在设计过程中需要选择合适的质量。

质量的大小会直接影响调谐质量阻尼器的阻尼效果，一般情况下，质量的选择应保证调谐质量阻尼器的质量足够大，但又不能过大，避免对结构整体产生不必要的影响。

3.2 阻尼选择调谐质量阻尼器的阻尼特性也是设计中需要考虑的重要因素。

阻尼的选择应根据结构的振动特性和设计要求进行。

一般地，阻尼器可以选择线性阻尼或非线性阻尼，具体情况可以进行仿真分析或实验研究。

3.3 安装位置选择调谐质量阻尼器的安装位置选择也是设计中的重要考虑因素。

一般情况下，调谐质量阻尼器可以安装在结构的关键部位，如梁、柱等。

通过合理选择安装位置可以最大限度地减小结构的振动响应。

4. 施工流程调谐质量阻尼器的施工流程主要包括材料准备、安装和调试等步骤。

4.1 材料准备在施工前，需要进行材料准备工作。

首先，根据设计要求选购符合规格要求的调谐质量阻尼器材料。

其次，对选购材料进行仔细检查，确保材料无损伤和质量问题。

4.2 安装安装调谐质量阻尼器时，首先需要进行结构的准备工作，如清理施工面、确定安装位置等。

大跨人行过街天桥利用调谐质量阻尼器的减振设计摘要：大跨人行过街天桥在行人激励下可能产生过大的竖向振动，从而引起行人的恐慌，并在一定程度上减小桥梁的使用寿命。

本文针对此问题开展研究，以一实际大跨人行过街天桥为例，采用有限元软件，对桥的动力反应进行分析，并提出了调谐质量阻尼器减振方案。

计算结构表明，采用调谐质量阻尼器后，天桥的动力反应能够得到有效降低。

关键词：人行天桥，动力反应，人行荷载，调谐质量阻尼器1. 引言随着城市高速发展和人居环境的不断改善，许多城市的主干道修建了人行过街天桥，以保证交通通畅和过往行人的安全。

这些人行天桥通常跨度比较大（超过40米），结构形式为单跨简支梁，自振频率为2~3 Hz。

而统计结果表明，人步行的频率大约为2Hz左右，因此，当人在天桥上行走时，容易出现共振现象。

这种振动会不仅会在桥梁内部产生损伤从而缩短天桥的使用寿命，而且，振动超过人体的舒适度标准后，还会引起行人的恐慌，影响天桥的正常使用[1-2]。

为避免共振，常规的设计方法是通过改变刚度等方法来调整天桥的自振频率，使其尽量远离行人的步行频率。

但是对于大跨天桥结构，较大幅度的调整其频率是不太经济的。

而结构振动控制方法为解决这个问题提供了一条有效途径[3]。

调频质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）是一种典型的减振控制装置，在建筑结构的抗震和抗风领域有着广泛的应用。

由于单个TMD的自振频率与结构的受控频率不一致时，TMD的控制效果将会大大降低，为了改善TMD 控制系统的有效性，许多学者对多重调谐质量阻尼器（Multiple Tuned Tuned Dampers，简称MTMD）的减振特性进行研究[4-5]。

本文以沈阳某大跨天桥为算例，对TMD减小人行天桥竖向振动的问题进行研究。

2. 调谐质量阻尼器简介调频质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）是一种经典的吸振装置，早期被用来减小机器所引起的振动，即人们常称的动力吸振器，70年代以后开始用于建筑结构的动力反应控制。

高阶非线性刚度的调谐质量阻尼器控制性能分析作者：孙毅李芦钰来源：《振动工程学报》2021年第06期摘要：在實际工程中，当位移较大的时，调谐质量阻尼器（TMD）会表现出非线性特性，因此研究其非线性特性对于控制性能的影响具有非常重要的意义。

文中研究了在考虑五次刚度非线性的条件下 TMD 的控制性能。

在分析非线性 TMD 的基础上，基于传统的线性设计方法提出了一种基于跳变频率的非线性 TMD 的改进设计方法，得到了可用于改进设计的跳变频率解析解。

仿真结果表明，与基于线性的设计方法相比，基于跳变频率的非线性 TMD 的改进设计方法可以改善 TMD 的控制性能。

关键词：振动控制;非线性 TMD;刚度非线性;跳变频率;改进设计中图分类号： TU352.1;TU311.3 文献标志码： A 文章编号：1004-4523（2021）06-1215-08DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2021.06.013引言调谐质量阻尼器由于其具有结构简单、无需耗能、稳定性好等优点，在土木工程结构振动控制方面得到了广泛的应用[1⁃4]。

例如美国波士顿的 John Hancock 大楼、澳大利亚的悉尼电视塔和日本明石海峡大桥的桥塔上均安装了 TMD 装置[5] ，这些 TMD 装置成功抑制了结构在地震荷载和风荷载作用下产生的动态响应。

然而，在实际应用过程中， TMD 由于其过大的位移或者限位装置的应用而表现出非线性特性[6⁃7]。

因此，研究非线性调谐质量阻尼器（NTMD）的控制性能具有实际的工程意义。

近些年来，关于 NTMD 的研究已经取得了极大的进展。

作为 NTMD 的一种形式，非线性能量阱（Nonlinear Energy Sinks，NES）得到了广泛的研究[8⁃10]。

相较于线性 TMD，NES 能够与结构的任意阶模态产生共振现象，因此具有更宽的有效控制频率范围[11⁃14]。

此外，NES 能够从低阶模态到高阶模态分配结构的输入能量，并且使得能量从结构到 NES 单向、不可逆地传递，进而抑制结构的振动[15]。

在这篇文章中，我们主要介绍调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper）的设计准理上来讲，其实这类阻尼器的目的就是将会造成结构破坏的振动转移到阻尼器本身上（动力吸振）。

相比于增加大楼本身的能量耗散（阻尼），增加阻尼器自身的阻尼更容易控制且成本较低。

同时，阻尼器本身是进行刚体运动（rigid本身，所以，它不太容易产生结构上的疲劳破坏。

一般而言，在调谐质量阻尼器之中，它存在质量元件、弹簧元件以及阻尼元件。

为了说明其工作原理，我们先讨论动力吸振器。

对于动力吸振器而言，它的基本结构与调谐质量阻尼器类似，但是其中不存在阻尼元件。

从振动的能量传递的角度而言，两者的原理几乎一致。

1、动力吸振器基本原理首先，我们用一个简化的系统来说明其基本原理。

在这个系统中，它的激励源是一个偏心转动的质量块。

当动力吸振器没有安装在原始振动系统时，这个转动失衡系统可以表示为：我们可以看到，虽然在主系统的固有频率时，振动被大量减少，但是，在其附近的两个频率，我们创建了两个新的振动峰。

如果振动的主系统只运转在某个固定的频率上，那么动力吸振器是很有效的。

事实上，在大部分情况下，振动的激励频率并不是单一的。

例如，如果一台机器运转在一个固定的频率上，但是在开机或者关机时，其他的频率也会被激励。

再比如说，对于桥或者楼而言，它的振动激励其实是风载。

对于风载而言，振动的激励是宽频激励。

所以，动力吸振器并不能有效地解决其振动问题。

所以，阻尼元件就被添加到了这个动力吸振器中。

它的基本工作原理是，一部分主系统的振动能量被阻尼元件所耗散，另一部分能量被传递到了阻尼器上。

那么，将不会有新的主系统振动峰产生。

在下面一个章节里，我们就来讨论调谐质量阻尼器的基本原理和设计准则。

2、调谐质量阻尼器的基本原理对于调谐质量阻尼器，事实上，对于频率的设计准则和动力吸振器基本一致。

唯一的区别在于，阻尼元件可能会使相位略微偏移。

所以，在设计调谐质量阻尼器时，为了补偿这个相位偏移，阻尼器的自然频率应该为：其中µ是阻尼器与振动结构的质量比。

TLD和TMD减震的优化设计方法及应用一、TLD（液柱阻尼器）1.优化设计方法：（1）确定设计需求：根据建筑结构的特点和抗震要求，确定TLD的设计需求，例如减震比、耗能比等。

（2）选择液体：根据TLD的设计需求，选择合适的液体filler，如水、油等，以及填充比例。

（3）优化液柱设计：确定液柱的尺寸、位置和布置方式，考虑到结构的刚度和直观性。

（4）性能验证：使用数值模拟或试验验证设计的可行性和效果。

2.应用：（1）塔楼和高层建筑：TLD可以在高层建筑中起到减震和稳定结构的作用，尤其在抗风和抗地震方面表现突出。

（2）大跨度桥梁：TLD可在大跨度桥梁中减小结构的振动和位移，提高结构的稳定性和安全性。

（3）工业和设备抗震：通过在工业和设备中应用TLD来减小振动和冲击，提高设备的稳定性和抗震能力。

二、TMD（质量阻尼器）1.优化设计方法：（1）确定设计需求：根据结构的特点和抗震要求，确定TMD的设计需求，例如振动频率、质量比等。

（2）选择阻尼器：根据TMD的设计需求，选择合适的阻尼器类型，如单质量、多质量等。

（3）优化质量和刚度设计：确定质量和刚度的大小和分布，以达到最优的抗震效果。

（4）性能验证：使用数值模拟或试验验证设计的可行性和效果。

2.应用：（1）建筑结构：TMD可以用于大型建筑物的抗震设计，如高层建筑、桥梁等，通过调节质量和刚度来减小结构的振动。

（2）风力和风振控制：在高风区域使用TMD可以减小结构的风振响应，提高结构的稳定性和安全性。

（3）机械和设备抗震：将TMD应用于机械和设备中可以减小振动和冲击，提高设备的稳定性和抗震能力。

总结：TLD和TMD是两种常见的减震方法，其优化设计方法和应用可以根据结构的特点和需求进行灵活选择和调整。

通过合理设计和应用这些减震装置，可以提高结构的抗震性能，降低地震和风力对结构的破坏。

因此，在实际工程中，我们应根据具体情况选择合适的减震方法，并结合优化设计方法来提高结构的抗震性能。

地面运动冲击作用下调谐质量阻尼器的有效性外文翻译地面运动冲击作用下调谐质量阻尼器的有效性Emiliano Matta, Ph.D., P.E.1 摘要:众所周知，当输入设备的时间减少时，调谐质量阻尼器(TMDs)的有效性会降低。

试验表明，调谐质量阻尼器的使用通常会阻碍短时的，类似脉冲的地面震动，比如说那些在拟域的向前或抛掷的事件。

然而对这些可控制的伤害的系统的评估仍然是缺失的。

这篇文章里，一个近来分析地面震动脉冲模型被用来设计与评估调谐质量阻尼器在减少地震冲击性方面的影响。

根据这个模型，首先，会介绍一个新的优化方法来代替经典的方法。

然后，这两种方法会被拿来检测单自由度和多自由度的线性结构，这些结构既属于可分析的脉冲特点的大型拟域记录。

以百分位反应谱来表达结果在统计学上的评价，显示以脉冲为导向的调谐质量阻尼器正反面的设计理由，提高对调谐质量阻尼器在地面震动中的总体性能的理解。

DOI::版权: 2013 美国土木工程师协会土木工程师数据10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000629.库主题目标:地震工程;结构控制;抗震设计;阻尼;抗震结构;地表运动;冲击荷载;反应谱。

关键词:地震工程调谐质量阻尼器最佳设计浅埋地震地表运动脉冲模型百分率反应谱1. 引言被动调谐质量阻尼器被广泛应用于土木工程，用来减少由看似稳定的动态载荷(如风、海浪、人)引起的震动，但它的抗震性是建立在地面震动属性上的(Kayniaet al. 1981)。

当调谐质量阻尼器与一级结构的移动同时反应时，它被证明在对抗持久、窄频带的地面移动上是有效的，但对于减少猛烈冲击带来的峰值响应是无效的。

有些文献里承认调谐质量阻尼器有不便之处。

Sladek 和Klingner (1983)指出一个调谐质量阻尼器在短时间的通电后没有时间产生有效的控制作用。

Tsai (1995)证明一个调谐质量阻尼器在短时间里使用正弦激励，会有5%的质量比率在第一次反应周期里是无效的。

调谐质量阻尼器（TMD）在高层抗震中的应用摘要：随着经济的发展，高层建筑大量涌现，TMD系统被广泛应用.越来越多的学者对TMD系统进行研究和改进.本文介绍了TMD系统的基本工作原理，总结了其各种新形式，分析了它的研究现状，并指出了两个新的研究方向等。

关键词：TMD系统高层建筑抗震原理发展应用The use of the tuned mass damper in the seismic resistanceof the high—rise buildingAbstract：With the economic development，the high—rise buildings spring up, then，the tuned mass dampers are extensively used。

More and more scholars research and improve the tuned mass damper. This thesis introduces the operating principle of the tuned mass damper，summarizes many new forms of the tuned mass damper, analyzes its research status and even points out two new research directions。

Keyword: the tuned mass damper the high—rise building seismic resistance principle development use1。

引言随着社会经济的快速发展，城市人口密度不断增长,城市建筑用地日益紧张，高层建筑成为城市化发展的必然趋势［1-3］。

高层及超高层建筑的不断涌现，加上建筑物的高度和高宽比的增加以及轻质高强材料的应用，导致结构刚度和阻尼不断下降。