[发明专利]多向多频率调谐质量阻尼器

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑结构震动控制装置，特别是涉及一种建筑结构震动控制的多向多频率调谐质量阻尼器。

背景技术

调谐质量阻尼器(tuned mass damper，简称TMD)系统是在结构顶层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主结构相连，应用共振原理，对结构的某一振型加以控制。通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱、机房或旋转餐厅。它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入TMD，其动力特性发生变化，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，其阻尼也发挥耗能作用，从而达到使原结构的振动反应明显衰减的目的。

调谐质量阻尼器结构应用的现代思想的最早来源是早在1909年Frahm(Frahm，1909；Den Hartog，1956)研究的动力吸振器。Frahm的吸振器由一个小质量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。在简谐荷载作用下，可显示出当所连接的吸振器的固有频率被确定为(或调谐为)激励频率时，主质量M能保持完全静止。Den Hartog(Ormondroyd and Den Hartog，1928)最早研究了主系统中没有阻尼时的无阻尼和有阻尼动力吸振器理论，他们提出了吸振器的基本原理及确定适当参数的过程。主系统的阻尼包含在Bishop(1952)提出的动力吸振器的分析中。紧接在上述工作之后，Falcon等(1967)设计了一个优化过程以获得主系统的最小峰值响应和最大有效阻尼。Jennlge和Frohrib(1977)数值计算厂控制建筑物结构中弯曲和扭转模式的移动—转动吸振器系统。Ioi和Ikeda(1978)提出了主系统在小阻尼情况下这些优化吸振器参数修正因子的经验公式。Randall等(1981)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(1980)进一步用表列出了最大动力放大因子、调谐频率比及特定质量比和主系统阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。

TMD在土木工程中有较早的应用历史，前苏联于20世纪50年代初就在钢电视塔及烟囱上安装了撞击式摆锤，使得风荷载作用下的振动得到较大的衰减。由于TMD能有效地衰减结构的动力反应，安全、经济、对建筑功能影响小、便于安装、维修和更换，已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置。TMD不仅可用于新建建筑，而且通过“加层减震”技术可以改善已有房屋的耐震性能。大量的试验和数值分析研究表明，这种控制装置无论对风振和地震引起的振动都有明显的减振效果。但TMD受频率限制比较大，当激励为窄带或结构的响应以基频控制时，其控制效果比较理想，当激振为宽带激励或结构的响应是多个振型都起作用时，控制效果不明显，即TMD的控制频域宽度很窄。

为了增强用于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加宽调谐频率范围，Roberson(1962)研究了将动力吸振器支承于一个没有阻尼的线性加三次方弹簧(即Duffing型弹簧)之上的主系统的动力响应。他将“消除带”定义为规格化主系统幅值小于1的共振峰值之间的频率带。非线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多，Pipes(1953)研究了一个有双曲正弦特征的强化弹簧，并得出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。 

为了改进动力吸振器的性能，Snowdon(1960)研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能，表明采用刚度正比于频率和恒定阻尼系数材料的动力吸振器能显著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。Srinivasan(1969)分析了平行阻尼动力吸振器，即一个辅助无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，但在该情况下，消除带变小了。Snowdon(1974)研究了其他可能的吸振器形式，如三—单元吸振器的，显示如果第三单元(即辅助弹簧)与阻尼器串联，主系统幅值能减小15％～30％，但这种减小对频率非常敏感，在实际中它将影响吸振器的性能。 

但建筑结构所受到的如风和地震的环境荷载的作用来自不同方向，传统的TMD无法对不同方向的风振和地震进行控制，因此需要开发一种能够对不同方向的风振和地震进行控制的TMD；另外，结构在不同方向上的自振频率各有差异，因此传统的TMD也无能为力。因此需要解决来自不同方向的风振和地震反应以及不同方向的结构自振频率的问题。

发明内容