框架结构TLD减振设计与振动台试验测试

张吉兆 杨明飞 徐国耀

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

调谐液阻尼器(TLD)是一种被动控制装置，在高层建筑和高耸结构的风振、地震控制中得到较广泛的应用，控制效果良好［1-3］。

国内外学者在TLD减震系统方面已做了大量研究。2000年，李宏男将安装于建筑物顶部的水箱设计成为悬吊式水箱，利用水箱中水的振动和水箱摆动耗能来减小建筑结构的地震反应，建立了体系的分析计算模型，推导出其动力反应的运动方程，试验研究结果表明此装置对结构的相对位移和加速度均有很好的减震效果［4］。2006年，密苏里大学土木工程系陈根达对控制中的钢结构振动台模型进行试验研究。通过钢结构的振动台模型试验，研究了在刚性地基条件下矩形TLD对结构地震反应的减震机理和减震效果，为进一步研究结构相互作用对结构TLD减震控制效率影响的振动台模型试验提供对比数据。同时试验表明，在水箱中设置铁丝网有助提高TLD的减震效率;地震动的频谱特性和峰值加速度对TLD的减震效率有重要影响。贾影等人通过理论分析与计算，研究了对应于不同频率的TLD装置参数的选取，讨论了各参数对TLD振动控制作用的影响，给出了对应于一定荷载频率范围TLD对结构振动控制作用较好的参数取值范围。

本次研究针对6层框架结构进行了数值和实体建模，分别对数值模型的模态分布和7度罕遇地震下结构的各层水平位移进行了数值分析。对实体模型进行了振动台测试，获取有价值的数据。

1 TLD阻尼器工作原理

1.1 TLD减振原理

TLD在地震荷载作用下将产生振动，引起装置中液体的晃动，在液体表面形成波浪，由动压力差和液体惯性力形成TLD的减振作用。

1.2 附加TLD框架结构减振计算模型

附加TLD减振系统的框架结构运动方程

式中:［Ms］—框架结构的质量矩阵;

［Ks］—框架结构的刚度矩阵;

［Cs］—框架结构的阻尼矩阵;

{(t)}— 框架结构的速度;

{X(t)}—框架结构的位移向量;

［I］—元素为1和0构成的惯性力指示向量，与加速度激励方向一致的元素为1，其余为0;{(t)}为地面运动加速度向量;{FTLD}—TLD的控制力向量。其中，

式中:［H］— TLD阻尼器的位置矩阵，其中第i个列向量为{0 0 … 0 1 0 …0}T，1为其第 i个元素，表示 TLD安装在结构的第i个自由度上;

{PTLD(t)}—具有n个元素的TLD控制力向量，其中第 i个元素为{PTLD，j(t)}。

2 框架结构减振算例

2.1 ANSYS 模型

根据结构模型，采用通用有限元软件ANSYS对结构进行模拟，并利用COMBIN14单元和MASS21单元模拟水箱的作用。梁柱均采用BEAM188单元。通过调整COMBIN14和MASS21单元参数，找到与试验所得频率最接近的参数，用于模拟实际模型，最终使TLD等效:水的质量M为2.4 kg，弹簧刚度为1×106N/m。

加与不加TLD减振系统的模型如图1所示。

图1 框架结构模型

2.2 模态分析与罕遇地震反应分析

(1)模态分析。模态分析是研究结构动力特性的一种有效方法和手段。

结构无阻尼自由振动方程为:

式中:［Ms］和［Ks］分别是框架结构的质量和刚度矩阵;{(t)}和{X(t)}分别是框架结构质点的加速度和速度列矩阵。

假设结构做简谐振动，可以得到结构的广义特征值方程:

式中:ω是框架结构的自振频率;{Φ}是结构的阵型向量，n维，同时其特征行列式为:

求解之后可以得到框架结构的各阶自振频率，其中最小的为结构的基频。

根据模态分析可知，该6层框架结构的基频为1.101 7 Hz。由于结构对称，前两阶模态分别以x和y方向平动为主;第3阶为扭转模态;第4阶和第5阶是x和y方向的弯曲模态;第6阶及以上属于高阶不规则模型。模态分析的结果(表1)与框架结构的特点相吻合。

(2)罕遇地震下的反应分析。在7度罕遇地震的作用下，对框架结构进行了动力分析，结构在最大变形时刻的应力分布如图2所示。

从图2可以看出，结构应力最大的位置在梁柱节点位置，尤其第1至第4层右侧较为明显。

表1 框架结构模态分析结果Hz

图2 罕遇地震下框架结构的应力分布

3 振动台测试

3.1 模型设计制作

试验的模型是以竹片为原材料制作而成的高1.5 m的6层框架。梁柱节点和柱脚详图分别如图3和图4所示。

3.2 振动台测试及结果分析

试验采用ETP-500型自由度振动台对框架结构的实体模型进行振动测试。

试验工况共分6组:在未附加TLD减振系统时依次向振动台输所入PGA为35，100，220 gal的单向Elcentro波，并分别记录下框架结构在相应地震波下产生的顶点最大位移和最大加速度;在结构的顶部加上TLD减振系统，在同样地震波PGA下测试得到顶点最大位移和最大加速度。

图3 梁柱节点示意图

图4 柱脚结构示意图

对试验结果进行分析:在35 gal的Elcentro波作用下，加入TLD的框架结构顶点最大位移降低了35.7%，最大加速度降低了 48.1%;在 100 gal的Elcentro波作用下，加入TLD的框架结构顶点最大位移降低了33.3%，最大加速度降低了47.7%;在220 gal的Elcentro波作用下，加入TLD的框架结构顶点最大位移降低了38.1%，最大加速度降低了44.0%。

在220 gal的Elcentro波的作用下，结构顶点位移和加速度减震效果如图5所示。

振动台测试的结果显示TLD减振系统对框架结构的减振效果明显，结构顶点最大位移响应和顶点最大加速度响应得到了有效控制。

4 结语

以有限元程序ANSYS为工具对附加TLD减振系统的6层框架结构进行数值分析，对结构模型进行了振动台试验测试，得出相关结论。

通过模态分析，验证了框架结构的动力特性，同时说明框架结构一阶阵型以水平向为主。

图5 TLD减震效果对比

对结构在7度罕遇地震作用下的应力分布进行了动力模拟，结果显示，结构应力最大的位置在梁柱节点位置，因此需考虑加强该位置。

对实体模型进行了振动台试验测试，测试结果显示，7度罕遇地震下，顶点最大位移降低幅度可达38.1%，顶点最大加速度降低幅度可达44.0%。

［1］钱稼茹，Wanritchai P，丁雄.用TLD减小电视塔动力反应的振动台试验研究［J］.建筑结构学报，1995，16(5):32-39.

［2］李忠献，徐守泽.高层建筑水平地震反应阻尼器控制理论与试验研究［J］.地震工程与工程振动，1994，14(3):97-104.

［3］阎维明，周福霖，谭平.土木工程结构振动控制的研究进展［J］.世界地震工程，1997，13(2):8-20.

［4］李宏男，贾影，李晓光，等.利用TLD减小高柔结构多振型地震反应的研究［J］.地震工程与工程振动，2000，20(2):122-128.

［5］欧进萍，张微敬.高层建筑结构的风振阻尼控制分析与设计方法［J］.建筑结构学报，2003，24(6):32-37.