框架結構的TLD減震控制研究

王 建，潘 穎

(上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620)

框架結構的TLD減震控制研究

王 建，潘 穎

(上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620)

針對5層框架結構模型進行模態分析，得出結構的前幾階主振型。設計出多組TLD減振方案，在基頻周圍對結構進行諧響應分析，對比不同方案的TLD減振效果，得出TLD的優化設計依據。并根據此依據，以某教學樓為實際工程背景，提出具體的TLD減震方案。對教學樓進行簡諧激勵模擬，結果顯示TLD對教學樓的位移反應有顯著抑制作用。再對教學樓進行地震波動力時程分析，結果顯示TLD對教學樓的位移和加速度反應有明顯的抑制作用。研究表明，TLD對框架結構具有良好的減震應用前景，TLD優化設計方法可作為實際工程設計的參考。

TLD；框架結構；減震；優化設計

0 引 言

眾所周知，我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，地震劇烈、頻繁而分散，而地震中的財產損失和人員傷亡主要來自建筑物的倒塌。框架結構由于自身優點，被廣泛應用于多層工業廠房、多層辦公樓、旅館、住宅以及學校和醫院等，因此框架結構的減震研究具有重要意義。一般來說，框架結構的抗側剛度小，在水平荷載作用下其側移較大，不具備良好的抗震性能。傳統設計方法通過增加結構剛度來減少結構的振動，在框架結構上的具體方法是框架內加設支撐或剪力墻等。但由于經濟條件和建筑材料力學性能的限制，以及地震作用的不確定性，這種傳統方法不能很好地解決結構的地震安全問題。自20世紀70年代，學者們開始研究在建筑物上設置控制裝置以減少其振動反應[1]。TLD(調諧液體阻尼器)作為1種結構控制裝置，由于其造價低廉、安裝簡單等優點受到了研究者的青睞[2]。目前來說，視角多限于TLD對高柔結構的風振和地震控制，而少有對框架結構的減震研究[3]。文中基于框架結構模型，對比研究了多組TLD的減震效果，為TLD的優化設計提供一些建議。并在此基礎上，以實際工程為例，提出具體的TLD減震設計方案。

1 TLD對框架結構的減震機理

TLD(調諧液體阻尼器)，經過特別設計的水箱，作為結構的被動耗能減震裝置，一般加設在結構頂部。當結構在地震作用下產生振動后，引起水箱中水的晃動，水箱側壁承受動水壓力，通過一定的設計，將這種動水壓力調節成抑制結構振動的控制力，從而實現了TLD的減震作用[4]，如圖1所示。

圖1 結構-TLD體系Fig.1 Structure-TLD system

TLD對結構的控制作用

對TLD中的動水壓力的計算，Sun等[5]經過一系列假設，利用淺水波動理論，在分析中，忽略水的粘性，僅考慮水箱底層的阻尼作用，得出了容器內水體晃動的運動特性，從而通過積分能得到動水壓力。Sun等提供的方法雖然具有可靠的理論依據，但該方法求解過程復雜，并且當邊界條件較復雜時，無法求解，所以不適于工程界使用。比較而言，利用Housner等效模型[6]計算TLD的動水壓力是1種簡單有效的方法，此種方法適合工程數值模擬。Housner將晃動水體對水箱的壓力用2個質量來等效模擬，如圖2所示，M為水體總質量，h為靜水深，M0為振蕩質量，與容器彈簧連接，K為等效剛度系數，M1為脈沖質量，與容器固接。

圖2 Housner 模型Fig.2 Housner model

對于矩形水箱，2L為水箱長度。

TLD的控制力來源于M0的慣性力，通過對TLD尺寸的調整，M0的質量和等效剛度系數K發生改變，TLD的控制力也因此發生改變。根據結構的動力特性，通過優化設計可使TLD達到對結構的最佳控制效果。在TLD尺寸的設計中，需要關注2點。

1)實際結構是一個多自由度振動系統，具有多個自振頻率，而且也要考慮結構阻尼的影響。那么在此種情況下M0的頻率設計需要一個合理的依據；

2)安置TLD對結構自身的影響。若TLD設計的過重，不僅會增加結構的荷載負擔，而且會改變原有結構的動力特性，所以TLD質量與結構質量要取一個合理的比值。

2 TLD優化設計研究

2.1 框架模型

研究模型為5層鋼筋混凝土框架結構辦公樓[7-8]，一層高4m，其余層高均為3m.矩形柱截面為0.5m×0.5m，矩形梁截面為0.3m×0.6m，樓板厚度為0.1m.結構有限元模型如圖3所示。

結構的前五階自振頻率如表1所列，前三階主振型如圖4所示，第一階主振型出現在Y方向(即短邊方向)，第二階振型在Y向的參與系數遠小于第一階。利用TLD控制結構地震反應時只考慮第一階主振型，該振型頂層側移最大，所以將TLD布置于頂層以達到最佳減震效果。

圖3 結構有限元模型Fig.3 FE model of structure

表1 結構振動特性

圖4 主振型Fig.4 Mode shape

2.2 TLD最優調頻比研究

M0與結構彈簧連接形成一個質量-彈簧系統[9]，其自振頻率可由M0質量和彈簧剛度系數求得，假設M0質量不變，設置五組剛度系數，沿結構Y方向輸入單位幅值簡諧加速度激勵，進行頻譜范圍為1.45～2.25 Hz的諧響應分析，數據顯示減振率對調頻比反應敏感，當調頻比設計為0.95時，減振率高達39.8%，效果顯著。建議在設計使用TLD時，將調頻比限制在結構基頻的0.92～0.98之間，這就是TLD頻率設計的依據。具體參數和結果見表2.

2.3 TLD最優質量比研究

將TLD的調頻比固定在0.95，設置六組M0質量，沿結構Y方向輸入單位幅值簡諧加速度激勵，進行頻譜范圍為1.45～2.25 Hz的諧響應分析。當TLD質量比超過2%，結構共振頻率越來越低，減振率隨質量比呈現下降趨勢，原因就是過大的TLD已經足夠影響結構的動力特性。而且在實際工程中，過重的水箱也增加了頂層的荷載負擔。建議在設計使用TLD時，將質量比限制在1.0%～2.0%之間，這就是TLD質量比設計的依據。具體參數和結果見表3.

表3 不同質量比TLD方案

3 實際工程應用

3.1 工程背景

本工程來自玉溪市美麗100校園建設項目，該教學樓占地近1 000 m2，主體為6層框架結構，框架柱為箱形鋼管混凝土，框架梁為H型鋼。教學樓有限元模型如圖5所示。其振動特性見表4和如圖6所示。

表4 結構振動特性

圖5 教學樓有限元模型Fig.5 FE model of teaching building

圖6 主振型Fig.6 Mode shape

3.2 簡諧激勵下減振效果研究

現取TLD的質量比為1.2%，調頻比為0.95，分布安裝在結構的第5層和第6層上，TLD具體參數見表5.

沿結構X方向輸入單位幅值簡諧加速度激勵，進行頻譜范圍為1.15～1.75 Hz的諧響應分析，對比設置TLD前后的振動反應，見表6，TLD在簡諧激勵下減振效果高達30%～40%.

表5 TLD參數

表6 設置TLD前后減振效果對比

3.3 地震作用下減震效果研究

為研究TLD在地震作用下對結構的減震效果，選取EL_Centro地震波作為激勵輸入[10]，EL_Centro地震波的卓越周期為0.56 s，與結構的基頻比較接近。根據《建筑抗震設計規范》要求，玉溪市的抗震設防烈度為7°，將地震波的加速度峰值限制在0.35 m/s2以下[11]。TLD對教學樓5樓、6樓的控制效果如圖7所示。

從有限元計算結果來看，設置TLD對框架結構的地震反應有控制作用。TLD減震控制本身具有如下特點。

1)結構的地震反應隨層高而增大，如圖7中，6層的位移和加速度反應都略高于5層，波形基本一致，說明TLD對其減震的規律是一致的；

2)地震波開始輸入的起始階段，TLD減震效果不明顯，這說明TLD減震方法需要一定的啟動時間，即建筑物振動足夠引起TLD內水體振蕩，TLD才發揮減震作用；

3)地震波的頻率成分是復雜的，上圖中可看出，無論何種頻率，TLD都發揮了減震作用。尤其當頻率成分正接近結構基頻時，減震效果尤為突出。

圖7 地震作用下減震效果對比Fig.7 TLD effect under eartquake

4 結 論

1)在結構上使用TLD進行減震時，TLD的水體振蕩基頻要略低于結構基頻。對于框架結構，建議取調頻比為0.92～0.98之間。過重的TLD會改變主結構的動力特性，所以TLD裝置不宜過重，建議為主結構重量的1%～2%；

2)對TLD的優化設計中，建議用對結構輸入簡諧激勵的方法來選取TLD的最優設計參數，這樣能明顯提高設計效率，之后再對結構輸入地震波進行驗證分析；

3)文中的2個模型中，由于結構第三階為扭轉振型，頻率較低，外載荷容易激起第三階的振動。因此，考慮同時利用多個TLD抑制扭轉振動的影響是進一步研究的方向；

4)地震作用下，TLD對框架結構的加速度和位移反應有明顯的抑制作用，所以將TLD應用于框架結構減震控制具有一定的應用前景。然而在實際工程中應用還可能存在選材、安裝和維護等問題，需要進一步的研究。

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GB50011-2010，Code for seismic design of buildings[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2010.

2015第三屆采礦、安全與環境保護國際會議——礦山地質與環境保護征文通知

由西安科技大學主辦的“第三屆采礦、安全與環境保護國際會議”擬定于2015年11月6-8日在西安舉辦。會議主題: 礦山地質及環境保護。

征稿范圍:

1.礦產資源勘查理論與技術；

2.礦山地質與開采技術條件評價；

3.礦山水文地質及水害防治；

4.礦山隱蔽致災地質因素探測技術；

5.煤礦瓦斯地質及瓦斯防治；

6.礦區地質災害與治理技術；

7.煤炭資源安全綠色高效開發與利用；

8.數字礦山技術；

9.礦區環境保護技術；

10.其它相關研究。

對優秀論文擇優推薦到《Journal of Coal Science & Engineering(China)》(煤炭學報英文版)，《煤田地質與勘探》及《西安科技大學學報》發表。

征文截稿日期：論文全文提交 2015 年8月20日前

征稿郵箱：icmse2015@hotmail.com

更多會議相關信息請登錄網站：http://www.icmse2015.cn

Research on TLD seismic reduction for frame structure

WANG Jian，PAN Ying

(CollegeofMechanicalEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China)

A five-story frame structure model is analysed to get its modes.To get the basis of optimum design，different TLD devices are designed and the seismic reduction efficiencies of the TLD devices are compared after the dynamic responses of the controlled structure computed under harmonic excitation.And based on this，a teaching building is computed under harmonic excitation，the result shows that TLD can reduce the displacement reaction.The teaching building is also computed under excitation of seismic ground motion，the result shows that TLD can reduce the reaction of displacement and acceleration.The study shows that TLD has good application prospect for frame structure，the TLD design parameters and simulation method in this paper can be used as a reference to practical engineering design.

TLD；frame structure；seismic reduction；optimum design

2015-05-10 責任編輯：劉 潔

上海工程技術大學研究生科研創新項目(20140608012)

王 建(1990-)，男，安徽馬鞍山人，碩士研究生，E-mail:leslie-wj@163.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0411

1672-9315(2015)04-0467-06

TU 312

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