調諧質量阻尼器對樓板的振動控制

1、<p>　　調諧質量阻尼器對樓板的振動控制</p><p>　　【摘要】鋼結構樓板在人群荷載激勵下，很有可能發(fā)生共振，從而影響結構的舒適度和安全性，因此有必要采取一定的措施，減小鋼結構樓板的動力響應。調諧質量阻尼器（TMD）以其經(jīng)濟、方便、抑制窄帶振動效果顯著等優(yōu)點取得了較好的應用效果。本文以某體育館樓板鋼結構為工程背景，用MIDAS GEN建立了有限元模型，研究TMD減小樓板振動響應的效果。通過分析可

2、知，設置合理的調諧質量阻尼器參數(shù)能有效地減小結構的動力響應，從而提高結構的舒適度和安全性。 </p><p>　　【關鍵詞】調諧質量阻尼器；振動控制；舒適度 </p><p>　　中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　調諧質量阻尼器（Tuned Mass

3、 Damper，以下簡稱TMD）具有經(jīng)濟、方便、抑制窄帶振動效果顯著等優(yōu)點[1]。最近幾十年，國內外許多學者將各種構造形式和參數(shù)的TMD這一被動控制裝置運用到樓板振動控制這一領域，均取得了較好的效果[2]。本文以某實際工程鋼結構樓板為工程背景，研究了TMD對于樓板振動效應的影響。 </p><p><b>　　1 工程概況 </b></p><p>　　本文所選工程樓

4、蓋采用張弦梁結構，張弦梁（上弦為H型鋼梁），梁間距要求為每4m一道，跨度為40m，建筑要求鋼梁頂至拉索下邊緣高度不超過3m，鋼梁上為150mm厚現(xiàn)澆混凝土樓板。 </p><p><b>　　2 模型建立 </b></p><p>　　2.1材料、截面及基本尺寸選取 </p><p>　　上弦梁選用Q345B鋼材，中間段H型鋼H900×

5、;450×16×30，兩端H900×450×25×50，撐桿選Q345B，圓鋼管159×6，下弦拉索采用半平行鋼絲束132Ф7，強度級別不小于1720MPa。從梁頂面到下弦索的最低點高度取2.7m（<3.0m），撐桿均勻地布置7根。采用MIDAS/GEN 730建立有限元模型進行分析計算，計算模型如下所示： </p><p>　　圖1 一榀張弦梁計

6、算模型 </p><p>　　圖1張弦梁樓蓋整體計算模型 </p><p>　　2.2荷載工況及其組合 </p><p><b>　?。?）荷載工況 </b></p><p>　?、貲L：構件自重，由程序自動計算；樓面荷載：6.5kN/m2； </p><p>　?、贚L：樓面活載（人群荷載）：4

7、.0kN/m2； </p><p><b>　　2.3荷載組合 </b></p><p>　　荷載組合采用標準組合，各工況分項系數(shù)如下表所示： </p><p>　　表1 標準荷載組合 </p><p>　　組合1 1.0DL+1.0LL </p><p>　　組合2 1.0DL+0.5LL &l

8、t;/p><p>　　2.4拉索預應力控制 </p><p>　　分析計算后可得拉索中的拉索初始張拉力理論控制值為：2558kN。 </p><p><b>　　3 結構動力分析 </b></p><p>　　結構動力分析按三維空間結構進行。模態(tài)分析得到的前10階振型表所示： </p><p>　　表

9、2 結構動力特性計算表 </p><p><b>　　模態(tài)號 頻率 </b></p><p>　　(rad/sec) 頻率 </p><p>　　(cycle/sec) 周期 </p><p>　　(sec) TRAN-X </p><p>　　質量合計(%) TRAN-Y </p>

10、<p>　　質量合計(%) TRAN-Z </p><p><b>　　質量合計(%) </b></p><p>　　1 7.73 1.23 0.81 0.48 0.00 78.83 </p><p>　　2 7.85 1.25 0.80 0.48 0.26 78.83 </p><p>　　3 8.79 1

11、.40 0.71 0.48 0.26 78.88 </p><p>　　4 9.44 1.50 0.67 0.48 0.54 78.88 </p><p>　　5 10.37 1.65 0.61 0.48 0.54 78.92 </p><p>　　6 11.77 1.87 0.53 0.48 0.70 78.92 </p><p>　　7

12、13.84 2.20 0.45 0.48 0.70 78.93 </p><p>　　8 16.59 2.64 0.38 0.48 1.32 78.93 </p><p>　　9 18.74 2.98 0.34 0.48 37.47 78.93 </p><p>　　10 18.85 3.00 0.33 2.37 37.47 78.94 </p>&l

13、t;p>　　從該結構的樓面振型表中可以看出，結構的第一振型即為樓面豎向振動，并且占據(jù)結構所有豎向振型的79%，明顯第一振型即為豎向動力荷載的主控振型。 </p><p>　　當該樓面進行排球比賽或者人員走動時，將對樓面產(chǎn)生較大的隨機激勵，激勵的主要方向垂直于樓面,這個激勵與人的步速、體重有關[3]。根據(jù)國內外相關研究資料統(tǒng)計結果表明,一般行人的步行頻率為1.5～2.5Hz[4]。該結構豎向主控振型頻率約為1

14、.25 Hz，與行人步行頻率較接近,當這一情況發(fā)生時，可能激發(fā)出連廊的第一階模態(tài),引起共振[5]。 </p><p>　　為了檢驗這一可能，本次計算采用簡諧激勵法，頻率分別為1.2305、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5Hz（與人步行的頻率范圍一置）。在計算模型中，在整個樓面布置壓力荷載，設定每1m2等面積分布有1個人，每人體重假設為70kg。根據(jù)有關資料統(tǒng)計，當廊面滿布行人行走過程中，約有20%人的步

15、行頻率達成一致，結構阻尼比取為0.035。 </p><p>　　4 TMD減震系統(tǒng)設置 </p><p>　　為了提高連廊的安全性能和使用性能，通過設置調頻質量阻尼器（TMD）系統(tǒng)消弱結構的振動反映。如果TMD的振動頻率與對應調節(jié)的結構振動頻率相差較多，其減振效果將大為縮減，甚至起到反作用，所以如何控制TMD系統(tǒng)的振動頻率保持不變顯得尤為重要[5]。 </p><p&

16、gt;　　4.1TMD減震系統(tǒng)參數(shù)選取 </p><p>　　根據(jù)動力特性計算結果，本文采用的TMD的計算參數(shù)如下：由樓板的一階（主控振型）自振頻率，可得； </p><p>　　取質量塊的質量為0.8t，由、得TMD的剛度為47.757N/m； </p><p>　　阻尼比取0.035，阻尼系數(shù)：。 </p><p>　　TMD的具體參數(shù)如

17、表3所示： </p><p>　　表3 TMD參數(shù)表 </p><p>　　TMD 質量 0.8t </p><p>　　TMD 頻率 1.230Hz </p><p>　　TMD 剛度 47.757kN/m </p><p><b>　　彈簧數(shù)量 4 </b></p><p&

18、gt;　　彈簧剛度 11.939kN/m </p><p>　　阻尼系數(shù) 0.893kN*(s/m) </p><p><b>　　阻尼器數(shù)量 2個 </b></p><p>　　阻尼器阻尼系數(shù) 0.446 kN*(s/m) </p><p>　　最大阻尼力 86.230N </p><p>　　

19、最大沖程 25mm </p><p>　　最大速度 193mm/s </p><p>　　阻尼器平均功率 0.011HP </p><p>　　阻尼器速度指數(shù) 1 </p><p>　　TMD 總數(shù) 24 </p><p><b>　　阻尼器總數(shù) 48 </b></p><p&

20、gt;　　質量總數(shù) 19.2t </p><p>　　TMD布置于兩片張弦梁之間的次梁上，具體分布位置見圖3。 </p><p>　　圖3 TMD平面布置圖 </p><p>　　5 TMD減振效果 </p><p>　　根據(jù)國際標準ISO-2631-2:1989中，結構在頻率1.23Hz左右振動時的加速度限值——約0.25m/s2作為限值。

21、 </p><p>　　圖4 ISO-2631-2:1989中豎向振動舒適度曲線[6] </p><p>　　經(jīng)過計算，樓蓋中心位置的減震效果明顯，在與人步行的頻率范圍一置范圍內樓板中部加速度減震效果如圖5所示。 </p><p>　?。╝）人行頻率1.2305 </p><p>　?。╞）人行頻率1.5 </p><p&

22、gt;　?。╟）人行頻率1.75 </p><p>　?。╠）人行頻率2.0 </p><p>　　（e）人行頻率2.25 </p><p>　?。╢）人行頻率2.5 </p><p>　　圖5 TMD系統(tǒng)減振效果圖示 </p><p>　　從圖中可以看出，在結構中安置TMD系統(tǒng)，最大加速度均降至0.25m/s2以下，

23、結構體系滿足舒適度的要求，減小了結構的動力響應有助于提高結構的安全和適用性能。 </p><p><b>　　6 結論 </b></p><p>　　通過分析研究可知，通過設計合理的調諧質量阻尼器(TMD)，可以有效地減小樓板的動力響應，這不僅能滿足結構的舒適度的要求，也能結構的安全性和使用性。 </p><p><b>　　參考文獻

24、 </b></p><p>　　[1] 王均剛,馬汝建,趙東,林近山.TMD振動控制結構的發(fā)展及應用.濟南大學學報.(自然科學版).2006. V01. 20(2): 172-174. </p><p>　　[2]葉繼紅,陳月明,沈世釗.減震系統(tǒng)在網(wǎng)殼結構中的應用[J].哈爾濱建筑大學學報,2000, 23(5) :10-13. </p><p>　　[

25、3]趙玲.調諧質量阻尼器用于大跨度樓蓋振動控制的研究.北京工業(yè)大學.碩士學位論文.2007. </p><p>　　[4]操禮林,李愛群,陳鑫,張志強.人群荷載下大型火車站房大跨樓蓋振動舒適度控制研究[J].土木工程學報.2010, 43:334-340. </p><p>　　[5]張高明.火車站站房結構在人行和列車激勵作用下的振動舒適度問題研究[D].北京:中國建筑科學研究院,2008