建筑結構中安裝阻尼層和TMD技術的實驗研究

摘要：TMD對于建筑結構地震作用的影響可能減小，也可能放大。為了避免出現TMD對結構地震作用放大的情況，同時尋找實際情況下TMD安放的最佳位置，筆者進行了多組單水平方向上的地震模擬實驗，并對實驗數據進行分析。最終得出則TMD系統置于結構受控模態最大位移點處時效果最佳。

關鍵詞：TMD 阻尼層 實驗

1、TMD減震體系簡介

TMD減震體系（下文簡稱TMD）是附加在主結構中的一個子結構，由質量塊、彈簧、阻尼器組成。質量塊通過彈簧和阻尼器與主結構相連結，如圖1該體系的工作原理是，主結構承受動力作用而振動時，質量塊也產生慣性運動;經過合理選取子結構參數，當TMD的自振頻率調諧到與主結構的頻率或激勵頻率達到某種關系時，TMD將通過彈簧、阻尼器向主結構施加反方向作用力來部分抵消輸入結構的擾動力，并通過阻尼器集中消能，使主結構的振動反應衰減。因此，TMD的控制力依賴于它與主結構之間的相對運動，是隨著結構振動而被動產生的。實際上，TMD可認為是利用共振原理，對結構的某些振型反應加以控制的，如圖1所示。圖中，K和C分別為TMD的彈簧剛度和阻尼系數，其質量塊一般是專門增配的。

2、 減震實驗及分析

2.1 輸入的地震作用

不同地震波對結構的彈性和地震反應的大小有影響，但是不影響其規律性的研究，本實驗選取輸入的地震記錄為El Centro波，只從X向激勵，加速度峰值取0.69g m/s2，時間軸長取6.39s，時間步距0.00156s。水平X向的地震動持時間以及振動加速度時程見圖2

圖2 X向El-Centro波

2.2 試驗模型及操作

影響結構的彈性地震反應的因素有很多，如基礎條件等，結構本身的特性包剛度、質量等。本實驗采用5層木結構模型，通過改變阻尼層的位置來研究阻尼在結構震動過程中對結構反應效應的影響。

我們實驗項目模型為一個5層的木結構小型框架，共分為8組進行實驗，第一組為對照組，該組不加入任何TMD觀察其在該地震波作用下的加速度峰值情況以及其峰值出現的時刻。而第2組到第8組TMD安放的位置見下表1，我們主要測控了4層其運動要素的情況。

表 1 TMD-阻尼層安放位置

2.3實驗數據處理

通過數據統計，找出各組試驗各層加速度數據中的最大值與最小值，并將最大值與第一組進行對比，計算反應比E：

其中， 是表示未設置TMD時結構的反應，另外一個量 表示設置TMD時結構的反應，E值可以理解為地震動下結構響應的衰減率。根據定義計算設置TMD各組的E值，記錄于表格。具體的底層各組加速度峰即反應比的值見表2~5

表3 第3層加速度峰值匯總

表3 第3層加速度峰值匯總

表4 第4層加速度峰值匯總

表5 頂層加速度峰值匯總.

在表2中，將其余7組與第1組進行比較不難發現，加速度峰值都比不加TMD的要大，其中第7組增加最多，增加了10%左右。

在表3中，加速度峰值均比不加TMD的小，其中第2組減少的最多，約31.4%。其次是第5組的29.6%。第3層已經可以看到TMD的減震效果。

表4中顯示出加速度峰值總體來說都減小了，依然是第2組減震效果最為明顯，減小的幅值有15.3%。其次是第3組的8.6%。而第6組的地震作用卻被放大了。

從表5來看，加速度峰值有變大的也有變小的，不過增加的不多，減震效果最好的是第3組為23.4%。其次，是第8組減震效果較好。而第6組的地震作用被放大的幅度最大為30.0%

綜合從以上4表來看，加速度峰值底層最大，其值為7.30~8.03，頂層加速度峰值較大，約5.56~9.48，中間層的加速度峰值都相對小一些。不同組實驗同一層的地震作用受到的影響不同，同一組實驗中不同層的地震作用受到的影響也不同。同組實驗同一層的正負加速度峰值收到的影響性質不一定相同，且幅度不同。

3、結論

通過對實驗數據的處理和分析初步可以得出以下結論：

①由設置單層TMD的實驗組來看，TMD對于其設置層的附 近層加速度影響較大。

②TMD對于正負加速度峰值影響性質不一定相同，且影響程度一般不同。

③TMD設置方式確定時，各層地震作用被削減幅度一般不同，而且還可能出現其中幾層地震作用放大，另幾層地震作用得到削弱。

④當設置TMD的層數相同但是位置不同時，對于地震作用的影響效果差別很大。

綜上，單就減震效果來說TMD最優安裝位置應在結構受控模態最大位移點處。本實驗中為第一陣型最大位移處為頂層，對應著在4、5層設置TMD時，減震效果最為明顯，印證了該結論。同時，將最優組與其他組比較我們可以發現，若要在實際工程中對TMD設置位置進行調整，即使改動的幅度較小也需要系統驗證對于建筑結構減震效果的影響，并結合可以改善經濟效益的程度進行權衡，再最終做出決定。

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