TMD在高层建筑中不同高度减震效果研究

李顺顺 邱振华 李故功 王岩磊

TMD在高层建筑中不同高度减震效果研究

李顺顺 邱振华 李故功 王岩磊

（郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450000）

在多层钢框架建筑模型上安装调谐质量阻尼器（TMD：Tuned Mass Damper），选取功率谱生成地震波作为加载波形。改变TMD的安装高度，分别测得钢框架模型在不同TMD安装高度状态下的加速度，获得加速度时程曲线。根据结果分析TMD减震效果与安装高度的相关关系，得出TMD在实验结构中最佳的减震相对位置。

高层建筑；调谐质量阻尼器；不同安装高度；减震效果

调谐质量阻尼器是目前超高层建筑抗风设计中实际应用最为广泛的一种控制装置，其风振控制效果也得到了很多研究学者的认可。对超高层建筑来说，风荷载对建筑物稳定性的影响巨大；风荷载随着高度的增加而增加。因此，TMD一般安装在高层建筑的顶层，安装在顶层的抗风效果最好。但是，对于抗击地震方面，TMD的最佳安装位置却不可得知。与风振相比，地震的主要破坏形式横波却是从基础向顶层传播，且结构的地震响应机制更加复杂。那么，对于抗击地震破坏效果方面，TMD的安装高度与减震效果的关系是什么？这对高层建筑TMD减震系统的安装有重要意义，有必要做进一步研究[1-2]。

1 TMD工作原理及参数确定

1.1 TMD体系的工作原理

TMD控制器本身是一个由质量块、弹簧和阻尼器组成的动力系统。主体结构承受动力作用而振动时，质量块也产生相对惯性运动，当TMD的自振频率调谐到与主结构的频率或激励频率达到某种关系时，TMD将通过弹簧、阻尼器向主结构施加反方向作用力来部分抵消输入结构的扰动力，并通过阻尼器集中消能，使主结构的振动反应衰减。

1.2 TMD参数确定

先用数值计算软件Ansys Workbench进行模态分析，计算出模型的自振频率，然后通过扫频实验获得真实自振频率。按照数值计算软件计算出模型的自振频率以及调谐质量阻尼器TMD的参数，最后制作TMD。

表1 模态分析1-8阶固有频率

参考上海交通大学李春祥等人关于地震作用下高层建筑TMD研究与设计中TMD最优设计表格，可以推算出TMD减少结构震动的最优设计参数，具体如下：

调谐质量阻尼器由质量Mt、阻尼Ct和弹簧Kt组成。取调谐质量阻尼器与建筑模型质量比μ=0.08，Ansys Workbench计算出模型的自振频率ω1=85.265Hz。

已有钢框架模型质量M1=17.75kg

调谐质量阻尼器质量Mt=μ×M1=0.08×17.75=1.42kg

阻尼Ct=2×Mt×ξopt×ω1=2×1.42×0.154×85.265=37.3（N·s/m）

弹簧刚度Kt=×Mt=85.2652×1.42=10.324（kN/m）

最优阻尼比ξopt=（3μ/8×（1+μ）3）0.5=0.154

2 实验模型的制作

以郑州大学钟楼作为建筑结构的原型，取钟楼的下半部分，按照1∶25的相似比例制作钢框架结构模型。添加合适的配重，使之符合高层建筑的一般力学性能。

3 模型实验分析

震动试验台：DY-600型电磁式振动台。首先对六层钢框架模型在振动台进行扫频试验得到主结构的自振频率，并针对一阶振型进行控制，得到一阶共振频率大小为81.054Hz。由扫频实验获得的自振频率81.054Hz和Ansys Workbench计算出模型的自振频率ω1=85.265Hz在合理误差范围内，通过调整TMD参数，两个频率可以很好地契合。

为了研究在基底激励下TMD安装高度对减震效果的影响，将TMD分别安装在钢框架的顶部、中部、底部，通过已经安装的加速度传感器测量其不同工况下的加速度时程响应曲线。采样频率为2 000Hz，分4种工况进行处理，每种工况持续时间300s，在4种工况下输入相同的功率谱生成地震波。为减少误差，掐头去尾，取各个工况100～160s时间段为研究对象。

4 结论

本文通过振动台对比实验，分析了TMD安装在不同位置时建筑结构各个部位的减震效果，进而可以得到以下结论。①在相同能量的基底激励作用下，TMD减震效果显著，明显地减少了建筑模型的峰值加速度和峰值位移。②TMD安装在顶部减震效果最佳，中部次之，底部减震效果最差。因此，将TMD安装在建筑结构的顶部最好。③对顶部和中部结构，与TMD安装位置越接近的结构，减震效果越好。因此，当建筑结构的某个部位比较脆弱，防震级别较高时，可考虑在此位置安装TMD，但注意要考虑结构承载TMD重量的能力。④对建筑底部结构，TMD安装高度越接近底部结构各位置减震效果越差，甚至会增强底部的振动。因此，不能将TMD安装在建筑物的底部。

［1］李春祥.地震作用下高层建筑TMD控制研究与设计［J］.上海交通大学学报，1999（6）：746-749.

［2］周福霖.工程结构减震控制［M］.北京：地震出版社，1997.

Study on Shock Absorption Effect of TMD at Different Heights in Tall Buildings

Li Shunshun Qiu Zhenhua Li Gugong Wang Yanlei
（School of Water Conservancy and Environment,Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450000）

In the construction of multi-storey steel frame model is installed on the tuned mass damper(TMD∶Tuned Mass Damper),selects the power spectrum generated seismic waves as the loading waveform.Change the installation height of TMD,were measured in a steel frame model under the condition of the installation height of acceleration in different TMD curve acceleration.It was according to the results of correlation analysis of TMD the damping effect and the installation height,the relative TMD in the experimental structure of the optimal damping position.

high rise buildings；tuned mass dampers；different mounting heights；damping effects

TU352.1

A

103-5168（2017）09-0119-02

2017-08-03

郑州大学全国大学生创新创业训练计划资助项目（201610459028）。

李顺顺（1993-），男，硕士，研究方向：水工结构方向；邱振华（1995-），男，硕士，研究方向：水工结构方向；李故功（1993-），男，硕士，研究方向：水工结构方向；王岩磊（1996-），男，本科，研究方向：给水排水。