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高耸钢框架结构-TMD减震控制效果模型实验分析李金海1，a，刘金栓1,b，李芦玉1,c(1.大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 116024)a ljh@, b273898186@, c 7054419 @@摘要：由于TMD的经济性和实用性，其目前在实际工程中得到了广泛的认可和应用。
为了进一步验证TMD在高宽比较大的高耸钢框架结构中的减震控制作用，模型实验利用振动台对三层高耸钢框架结构-TMD模型在基底激励作用下的响应进行分析。
通过改变TMD的质量来进行分频率调谐控制，并分析了基底激励作用下TMD的不同安放位置对结构减震控制效果影响。
分析结果表明：通过改变TMD质量块的数量可以达到很好的调谐减震控制效果。
基底激励作用下TMD安装在顶部和底部都会有明显的减震控制效果。
关键词：变质量；调谐质量阻尼器；高耸钢框架；基底激励；传递函数国家自然科学基金资助项目：批准号为51008051中图分类号：TM 344.1文献标志码：A引言TMD的产生和发展已经有数十年的历史，近20年时间TMD更是凭借其经济，实用，安全性好，不需外加能源等诸多优点得到了迅速的发展和广泛的应用。
因此，伴随着工程师们大量的开发研究下，各种形式不同的TMD也随着实际生产需要应运而生【2】。
近年来，自然环境恶化，台风、高烈度地震频频发生，然而高耸钢结构的应用也随着社会发展需要而迅速发展，为了保证此类结构的抗震安全性和舒适性，国内外许多专家学者也做了大量的研究。
其中不乏利用TMD进行减震控制的研究。
为了研究高耸钢结构利用变质量TMD减震的效果，本实验分析利用振动台对三层TMD-高耸钢框架结构模型在基底激励作用下的响应进行测量分析，并结合利用结构振动理论和传递函数理论进行计算得到的结果，对比分析来验证变质量TMD的减震控制效果及其适用性【3】。
实验分析部分具体设计如下：首先在振动台上通过扫频实验得到结构的主频率，然后再根据各阶主频来确定基底激励进行实验，并对TMD安防在结构不同位置时候的减震效果进行实验测量，与结构不安放TMD时候的测量结果进行对比分析。
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。
高层建筑的风振控制研究摘要：高层建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。
文中分析了高层建筑的外部风环境、内部风环，以及风振控制中的被动控制、主动控制和混合控制系统，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。
关键词：风振控制；建筑风环境；控制系统0 引言高层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向发展，使得结构的刚度和阻尼不断下降，直接影响了高层建筑和高耸结构的正常使用。
建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。
本文基于人员不舒适感分析了高层建筑风振控制，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。
1 高层建筑的风环境1.1 外部风环境根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，有可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值，在风振舒适感控制中都是基于下述效应为基础。
（1）压力连通效应：当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成街道风，在街道上形成不舒适区域。
（2）间隙效应：如图2所示，当风吹过突然变窄的剖面时（如底层拱廊），在该处形成不舒适区域。
图2 间隙效应（3）拐角效应：如图3所示，当风垂直吹向建筑物时，在拐角处由于迎面风的正压与背面风的负压连通形成一个不舒适的拐角区域；有时，当两幢并排建筑物的间距L≤2d（d为建筑物沿风向的长度）时，两幢间也形成不舒适区域。
图3 拐角效应（4）尾流效应：如图4所示，在高层建筑物尾流区里，自气流分离点的下游处，形成不舒适的涡流区。
图4 尾流效应（5）下洗涡流效应：如图5所示，当风吹向高层建筑物时，自驻点向下冲向地面形成涡流。
图5下洗涡流效应2.2内部风环境高层建筑的内部风环境是指，由于风荷载的作用，高层建筑受到脉动风影响而发生振动现象，这种振动会给生活或者工作在高层建筑内部人带来不舒适感，对高层建筑物的正常使用造成影响。
带TMD减振装置的高耸设备模型风洞试验董子瑜;丁振宇;陈冰冰;高增梁【摘要】塔和烟囱等高耸设备容易在风诱导下发生共振，导致设备损坏，研究开发减振装置十分必要。
针对高耸设备的减振，设计了一种带钢丝绳的TMD减振装置的高耸设备试验缩比模型，在风洞中开展其减振效果的试验研究。
分别对无减振装置和带TMD减振装置的试验模型进行了试验和分析。
试验结果表明：在风洞条件下，TMD减振装置在主系统共振风速区域的减振性能优良，减振效率最高可达60％。
同时，采用有限元方法对整个试验过程进行数值模拟，以等效刚度和等效阻尼来表征钢丝绳的非线性，数值模拟结果与试验结果吻合，表明该种数值计算方法可用于高耸设备的工程振动分析中。
%High-rise structures such as towers and chimneys are easy to resonate under wind-induced vi-bration,leading to equipment damage.A kind of shrinkage ratio test model for the high-rise structures with vibration damping device using wire rope was designed and tested in a wind tunnel for studying the per-formance of vibration reduction.The test models with and without the tuned mass damper(TMD)device were studied.The test results show that under the condition of wind tunnel the vibration damping perform-ance of the TMD device with wire rope is very good,and the vibration amplitude reduction can reach 60%in the resonance wind speed region of the main system.In addition,finite element method is adopted to simulate the whole test process.The equivalent stiffness and equivalent damping is used to stand for the nonlinear characterization of wire rope,and the numerical simulation results are quite close to the test re-sults.As a result,thenumerical method can be used in the engineering vibration analysis ofhigh-rise equipment.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2016(033)005【总页数】7页(P9-14,25)【关键词】高耸设备;试验模型;风洞试验;有限元;钢丝绳隔振器【作者】董子瑜;丁振宇;陈冰冰;高增梁【作者单位】浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州 310032; 过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州 310032;浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州 310032; 过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州310032;浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州 310032; 过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州310032;浙江工业大学化工机械设计研究所，浙江杭州 310032; 过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州 310032【正文语种】中文【中图分类】TH703.6;TQ053.5;O343试验研究塔设备和烟囱等高柔结构在石化、化工、能源企业中十分普遍。
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。
TLD和TMD减震的优化设计方法及应用TLD（液体摇摆阻尼器）和TMD（质量摆锤阻尼器）是常用的结构减震器，用于减小结构的振动响应。
在抗震工程中，优化设计方法和应用对于提高结构的抗震性能至关重要。
本文将介绍TLD和TMD减震的优化设计方法和应用。
首先，对于TLD的优化设计方法和应用。
TLD是一种利用阻尼液体的在结构中摆动的阻尼器。
常见的TLD设计方法是通过调整阻尼液体的质量、液位和孔径等参数来实现。
优化设计方法主要包括以下几个方面：1.结构参数调整：根据结构的动力特性，调整TLD的位置和参数，使其与结构之间达到最佳的耦合效果。
2.液体参数调整：通过调整阻尼液体的质量、液位和孔径等参数，达到最佳的阻尼效果。
3.阻尼液体的选取：选择合适的阻尼液体以保证TLD的稳定性和耐久性。
4.监测与控制系统：设计合理的监测与控制系统，能够实时监测结构的振动响应，并根据实际情况对TLD进行控制，以达到最佳的减震效果。
TLD广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁和长跨度风力发电机等结构中。
通过减小结构的振动响应，可以提高结构的抗震能力和稳定性。
典型的应用案例包括：1.台北101大楼：为了抵抗台北地区的高架地震波，TLD作为主要减震措施被运用在该大楼中。
经过优化设计，TLD成功减小了结构的振动幅值，保证了大楼的安全性和稳定性。
2.日本大桥：日本是地震频发地区，为了保证大桥的耐震性能，TLD 被广泛应用于桥梁结构中。
通过优化设计，TLD减小了桥梁的振动响应，保障了大桥的安全性和稳定性。
接下来是对于TMD的优化设计方法和应用的介绍。
TMD是一种通过调整质量和刚度等参数来减小结构振动响应的阻尼器。
TMD的优化设计方法包括以下几个方面：1.质量参数调整：通过调整TMD的质量以达到最佳的阻尼效果。
2.刚度参数调整：调整TMD的刚度参数以适应不同结构的动力特性。
3.位置优化：优化TMD的位置以实现与结构的适当耦合。
TMD广泛应用于高层建筑和桥梁等结构中。
TMD隔震结构对高层建筑结构的振动控制王昌盛【摘要】结构在地震作用下会发生振动,需对结构在地震作用下的振动进行控制以保证结构的安全.在实际工程应用中,基底隔震是当前应用较为广泛的被动控制措施,但对于高层建筑结构的振动控制单单采用基底隔震,效果不是很理想.文中采用基底隔震和调谐质量阻尼器(TMD)联合振动控制措施对高层结构的振动进行控制.并结合算例,通过位移响应时程分析来说明联合控制的优势.【期刊名称】《四川建筑》【年(卷),期】2013(033)006【总页数】3页(P148-150)【关键词】高层结构;被动控制;基底隔震;调谐质量阻尼器【作者】王昌盛【作者单位】广西工学院土木建筑工程系,广西柳州545006【正文语种】中文【中图分类】TU352.12人类对于建筑结构的振动控制已经进行了长期的研究和应用，各国学者都在致力于不断提出新方法和新理论。
至今结构的振动控制可分为被动减振控制﹑半主动控制、主动控制、混合控制和智能控制［1］。
对于随机振动问题分析，即研究输入(激励)、结构体系、输出(响应)三者之间的关系，通常是已知激励和结构体系，求解响应。
激励可分为平稳激励和非平稳激励，结构可分为线性体系和非线性体系。
当前研究最为成熟的是线性体系在平稳激励下的响应。
在研究日益深入的同时，结构振动控制在工程应用中也取得了较大进展，特别是在一些经济发达国家。
从我国现阶段的国情来看，在实际工程中应用主动控制措施还需一段较长的时间［2］。
结构振动的被动控制在当前的振动控制中处于主导地位。
较为成熟的被动控制措施是基底隔震。
然而，基底隔震具有一定的应用范围。
对于高层结构如果采用基底隔震则会存在一些弊端，如:(1)隔震层竖向承载力不足，隔震装置被上部结构压坏，不能正常工作。
(2)隔震装置不能满足自动复位的要求，使结构在发生变形后不能恢复原位，影响结构的继续使用。
(3)耗能能力不足，在振动过程中不能有效地消耗能量。
针对上述的一些弊端，提出基底隔震和在结构顶层加装调谐质量阻尼器(TMD)进行联合振动控制的措施。
d o i：10. 3963/j. issn. 1674-6066. 2017. 04. 024设置TMD-T L D的高耸钢结构风振控制的研究蒋丽(湖北经济学院物流与工程管理学院，武汉430205)摘要：对设置T M D-T L D制振水箱的高耸结构风振反应控制进行了研究。
以某高耸结构为例，建立其三维有限元分析模型，推导出该高耸结构设置T M D-T L D制振水箱的高耸结构控制运动方程，并以实际水箱参数进行风振反应控制分析。
仿真分析表明，采用T M D-T L D制振水箱来抑制高耸结构的风振反应较为有效，并能使其安全性和舒适性满足规范设计要求。
关键词：TM D-TLD; 高耸结构；被动控制；风振响应R esearch on W ind V ib ratio n Control o f H igh-riseStructure w ith T M D-T L DJIANG Li(School of Logistics and Engineering M anagem ent» Hubci University of Economics»Wuhan 430205 »China.)A b s tr a c t: T'he wind-induced vibration response control of a high-rise structure with device is researched in this paper. Taking a high-rise structure as an example»the 3-D finite element model of the high-rise structure is established by general finite element softw are»the wind-induced vibration response control equation of it with TMD-T'LD device based on the modal analysis method is derived»and the wind-induced vibration control is analyzed wit parameters. The result shows th a t：the high-rise steel structure installed with TMD-T'LD control system can effectively restrain the wind vibration response»and the safety and comfort of the structure can meet the design requirements of the specification.K e y w o r d s : TM D-TLD; high-rise structures; passive control; wind vibration response随着我国经济的不断发展繁荣，高层甚至超高层建筑越来越多，高层建筑结构具有刚度小、高柔的特点，因此其在风荷载作用下振动较大，严重影响建筑的安全性和舒适度[1]。
传统的增大断面来提高结构刚度的方法十分的不经济，而通过附加的振动控制装置来限制高层结构的振动就显得非常必要。
T M D(T u n e dM a s s D a m p e r)系统由于具有较好的振动控制效果，是目前工程领域中应用最为广泛的一种被动控制装置。
目前为止，国内外众多学者对设置T M D系统的高层结构风振控制进行了大量研究，取得了一批具有启发性和建设性的成果[25]，为降低高层建筑结构的风致振动提供了可靠的理论参考。
同时该系统也在一些工程结构上得到应用，如上海环球金融中心大厦通过设置T M D系统降低结构的风致振动[6，]，大连某超高层建筑也利用T M D系统取得了良好的减振效果[]。
对于高耸钢结构更是需要设置T M D系统来限制结构的风致振动，由于其顶部常设置有消防用水箱，可以通过适当的措施，将消防用水箱制成T M D-T L D系统，利用水箱晃动时引起的内表面波浪对箱壁的动压力差以及水随着结构一起运动形成的惯性力，来抑制高耸钢结构风振响应。
对设置T M D-T L D制振水箱的高耸结构风振反应控制进行了研究。
以某高耸结构为例，建立其三维有限元分析模型，并推导出该高耸结构设置T M D-T L D制振水箱的高耸结构控制运动方程，并以实际水箱参数进行风振反应控制分析。
收稿日期：017-07-06.基金项目：湖北省自然科学基金（2011CFB849).作者简介：蒋丽（1978-)，博士，讲师.E-m ail:97771 9 17@qq. com831 基本理论T M D系统的力学模型为^^TM I D + 2 ^ 1^TM I D + ~1，TM I D = —Y N()F tm id =M b(^tm id +Y n)(2)其中，T M D为T M D系统的位移，^和^分别为T M D系统的阻尼比和自振频率，Y n为结构顶层中央处沿Y方向的加速度，F t m d为矩形T M D对结构施加的控制力，M6为T M D系统的质量。
该项目中，：0.02%,^选为与高耸钢结构Y向基本频率相等，即^=0.387 1 H Z,质量M6 =18000 k g。
为矩形T L D系统的力学模型为之TLD + 2 裏2~2^TL[) +~2，LD =—X n(3)F t l d =M t(d f，t m i[〕+Y n)(4)d=8 f1T T =a t a n h(KZ )，~2=g ntan)，M T=p a b h7zh a a a(5)其中，^d为TLD系统的位移，|2和分别为TLD系统的阻尼比和自振频率，心为结构顶层中央处沿X 方向的加速度，F T,D为TLD对结构施加的控制力，M T为TMD系统中水的质量，^为水的密度，a为水箱的长度，6为水箱的宽度，Zi为水箱中水的深度，g为重力加速度。
文中，~2为0. 02%,^选为与高耸钢结构X向基本频率相等，将a和A带人式（5)得到~2=0.379 8 H z,质量M t=11 544 kg。
在风荷载作用下，TMD和TLD系统对高耸钢结构风振响应被动控制的振动方程可表示为M j c+G c+Kx=F(^t) -H u (^t)(6)式中，M、C、K分别为W X W维高耸钢结构有限元模型的质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵；分别为w X1维该结构质量集聚节点自由度方向的加速度、速度以及位移向量，其中F(〇S n X1维风荷载的向量，其中N为结构的节点数量，n为结构的自由度数量，它们之间的关系为W=6N。
H*W X2作用位置矩阵，M (t)为2X1维控制力向量，它的元素可表示为I F t l du =jF}(7)F T M I D j采用无条件稳定的数值计算Newmark-b法可以求解方程（6),从而得到TMD和TLD系统对高耸钢结构的风振控制响应。
2数值算例分析2. 1 工程概况某高耸结构采用钢框架-支撑体系，高100 m,总计34层，由四根巨大的钢柱和柱间支撑形成内外筒体结构。
其中内外筒框架柱在30 m左右处开始相交，在85 m处合成一根框架柱。
柱间支撑从下往上由交叉支撑变为单斜杆支撑，支撑点的间距也逐渐变大。
柱间支撑在内外筒柱相交后也由内外双层合成一层。
采用ANSYS建立的高耸结构空间模型共有620个节点，1 272个单元，3 720个动力自由度（含48个约束自由度）。
其自振频率求解采用子空间迭代法。
该高耸结构有限元动力模型见图1。
荷载采用模拟的风荷载，以 每15度作为一种风荷载工况，一共24种工况。
2.2结构阻尼器设置在高耸钢结构顶部中央处放置消防用水箱，TMD-TLD制振水箱楼层顶面布置示意图如图1所示，其中长a=6m，宽 6 =2m，高H=1.5m，水位深度Z=0.962 m。
在水箱中沿X方向安装有隔板，使水箱内的水仅能沿X方向运动；同时在水箱下沿Y方向安装导向轨道，使水箱可以沿Y方向运动，而在X方向则不能运动。
因此，水箱沿X方向可认为是矩形TLD系统，而沿Y方向则可认为是TMD系统。
2.3流体阻尼器对高耸风振被动控制分析结构顶层加速度和层间位移角是高耸结构需要严格控制的两个指标，对此，相关结构设计规范也作了明84确说明，《高层民用建筑钢结构技术规程K JG J99—2015)明确表示为了保证高耸钢结构的安全性，在50年一遇的风荷载下，其层间位移角需要控制在1/400;而为了保证其舒适性，在10年一遇的风荷载下，顶点加速度不能超过0. 25m/s2。
首先对未设置TMD-TLD系统对该高耸结构进行时程分析，从表1中可以看出，在10年一遇的风荷载作用下，当风向为 0°、45。
、135。
、195。
、210。
、225。
、240。
、255。
、315°和330°下，高耸结构的顶点加速度分别为25.7 g a l、31.8 g a l、25.0 g a l、31.9g a l、27.8 g a l、28. 5gal、30. 4 gal、28. 6gal、38. 7gal 和 27. 6gal，超过了规范所规定的25 gal的限制，舒适性不满足要求；同时，在50年一遇的风荷载作用下，当风向为180。
、210。
、225。
和240。
时，其顶层的层间位移角分别为1/395、1/376、1/314和1/330,显然也超过了规范所规定的1/400的限制，安全性不满足要求，因此需要对其进行控制。
表1设置粘滞流体阻尼器的高耸结构风振反应控制效果10年一遇风荷载加速度响应最大值50年一遇风荷载最大层间位移角工况 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------原结构控制后加速度限值/gal 控制前控制后原结构控制后层间位移控制前控制后方向/度加速度/g a l加速度/gal是否满足规范要求是否满足规范要求层间位移角层间位移角角限值是否满足规范要求是否满足规范要求025.714.9425否是1/5331/9031/400是是1517.49.5425是是1/9701/1 1521/400是是3017.917.5325是是1/7621/1 0891/400是是4531816.6825否是1/7111/9861/400是是6018.610.8625是是1/1 0671/1 4451/400是是7517.911.4625是是1/9141/1 3231/400是是9018.211.0625是是1/8211/1 2231/400是是10516.912.3325是是1/8001/8831/400是是12022.414.6425是是1/6041/6221/400是是13525.020.9025否是1/4711/5101/400是是15020.312.9425是是1/5251/6781/400是是16523.812.6925是是1/5331/6571/400是是18024.215.1525是是1/3951/4991/400否是19531.914.6725否是1/4001/5071/400是是21027.817.1125否是1/3761/5231/400否是22528.520.7625否是1/3141/4161/400否是24030.416.7925否是1/3301/4391/400否是25528.614.2825否是1/4161/4881/400是是27024.710.2025是是1/4441/5061/400是是28520.412.5925是是1/4381/5181/400是是30022.219.6925是是1/4571/6321/400是是31538.724.4225否是1/6151/6591/400是是33027.620.6525否是1/5331/4751/400是是34522.819.9125是是1/6671/8941/400是是根据所采用的T M D-T L D系统对该高耸钢结构进行控制研究。
