调谐液体阻尼器(TLD)用于风振控制的研究进展调谐液体阻尼器(TLD)用于风振控制的研究进展‘李黎张
俊勇唐家祥
(华中理工大学土木工程系)
摘要风载荷是高层建筑和高耸结构的主要设计载荷之一调频质量阻尼器(TMD)技术在高层结构风
振
控制中得到广泛应用与TMD相比调谐液体阻尼器(TLD)具有造价低结构简单易于安装等优点
并且若设计合理具有与TMD同等的减振效果因此TLD在高层建筑的风振控制中有较广阔的应用
前景本文简要地介绍了TLD用于高层建筑风振控制的原理及国内外的研究及应用状况文后列了该领域主要的有关文献
一前
一
.二二
传统的结构抗风设计是通过增强结构本身的抗力来抵御风的作用的这是被动消极的结构对策由于人们尚不能准确地估计结构在未来可能遭遇的风荷载的强度和特性按传统方法设计的结构不具备自我调节能力因此在这种不确定性动载荷作用下特别是对于高柔结构很可能不能满足安全性和舒适性的要求低花费高效益的芳法是对高层建筑的风振反应采用振动控制的方法结构控制分为主动控制(Aetivecontrol)被动控制(Passiveeontrol)混合控制(Hybrideontrol即主动控制与被动控制的组合)主动控制虽然效果显著但需要输入外部能量因而这种控制的设置技术要求较高费用较大被动控制不需要外部能源效果不如前者但它造价低易于实现因而是研究和应用得最多的一种在被动控制中调频质量阻尼器(TunedMassDamper简称TMD)是目前高层建筑风振控制方式中实际应用最为广泛的一种控制装置其风振控制效果已有定论〔‘〕TLD(TunedLiquidDamper)对建筑物减振的机理与TMD有相似之处但TLD具备了TMD的许多不具备的优点:(乃TLD构造简单;(2).f良容易安装;(3)自动激活性能好即TLD的晃动阻尼小;(4)减振频带宽;(5)在剧烈振动后TLD储液箱中的自由液面破碎后可再度生成而TMD的弹簧破坏后就不可挽回因此自从Mod产〕提出将TLD应用于建筑结构风振控制后立即引起建筑界人士浓厚的兴趣研究十分活跃这些研究一致表明只要参数选择合理TLD能达到与TMD一样的风振控制水平日本已率先将其应用于实际工程之中
如
Nagasaki机场指挥塔Yokohama
海洋塔实测
表明TLD的减风振效果十分显著闭国内对TLD的研究起步较迟笔者根据近几年的资料
介绍了TLD的制振原理国内外研究应
用及
发展动态
二TLD研究状况Modi
〔24口
首先将用于航空和海洋工程制振
的悬挂式圆环形液体阻尼器引入土木工程中当液体晃动基频调整为结构被振型频率时将
获得最大阻尼效果用于土木工程的调频液体阻尼器概念由此而来
一般将TLD分为浅水TLD与深水
TLD
水深同振动方向的尺寸之比小于1/8的水箱为
浅水TLD1浅液矩形TLD浅液矩形TLD实际是一种矩形浅水水
,国
家自然科学基金资
助1997年2月噪声与振动控制第1期
爪绍构伙应
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箱当它安装在结构上时结构因脉动风的作用而产生的振动会带动水箱一起运动从而激起水箱中水的晃动而水晃动对水箱侧壁的动压力又会反馈来作用在结构上合理调整水箱的参数就可使这种反馈动压力起到抑制结构运动
的目的TLD制振基本原理见图1所示根据
理论分析和试验表明当浅液矩形TI刀水晃动基率
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与结构的自振频率接近时可使TLD的制振
力和结构反应协调到最佳状态从而取得较好的制振效果
图2优化后的TLD与TMD控制效果比较
由方程(1)求得液体相对于箱体的水平速
度u(刀)以及波高刀(x)然后用Beinouli方程求液体作用于箱体的力FTL。振动台实验表明该
TL口卜‘一才
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图1浅液TLD制振原理Fuiin。等人仁5,2〕对TLD作了全面的研究
其模型多次被引用〔‘3’‘习基于浅水波浪理论
并引用边界层修正公式得到水箱水晃动控制方程
圈
:
模型合理若TLD参数选择恰当(水的质量为结构的1%
水晃动基频一结构被控
振型频率频率等)其减振效
果与TMD相当如图(2
)
所
示(f为液体晃动基频f为
结构被控振型频率)当激励幅值大将有破
碎波现象发生液体晃动会
匆_代二丁了
U
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肚(1a)
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式中ta
nh
(kh
)
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一
十乃
O
X作用于
水
箱为激励加速度b是水箱的宽度S是液体表面粘性影响因子
一般在。一2之间取值v为液体动粘系数
吸收更多能量因而液体阻尼有所增加同时
晃动基频会变化文[6]通过大量实验得到对
阻尼系数入和晃动基频。:进行修正的两个系
数而方程(l)其它参数不变数值模拟与实验结果相符较好有破碎波时TLD对结构的振
动控制同样有较好的效果
另一些学者通过求解容器中液体的非线
性
动力方程来描述TLD装置的减振原理[‘53
由于非线性结构频率会随荷载而变或者对结构频率计算有误差不能得到结构的真实
频率这样若用单一频率的TMD或TLD装
置调频控制就失去了意义工程中已有采取以结构被控振型频率为中心具有一定频率分布的一组TMD控制结构振动称为
MTMDS
(Mult
ipleTMDS)控制受MTMDS
思想的启
发文[7」提出MTLDS(MultipleTLDS)研究MTMDS各参数(TLDS数目各TLD
液体质调谐液体阻尼器(TLD)用于风振控制的研究进展量晃动基频等)与控制效果的关系数值模拟和大量实验表明只要参数选得恰当在小振幅
激励下无破碎波发生时MTLDS优
于
LTD
当有破碎波发生时两者效果相当上面讨论的是TLD对结构水平振动的控制在土木工程中有时必须对大跨度结构的扭
振(如斜拉桥因风而产生的驰振和颤振)进行控制“TLD结构”的扭振模型如图
(3a)所
示[,2:
护、M
TLD:劲卜、
)
aTLD一结构扭振祸合模型
—口咭片人应肠,。口、‘y00、
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!户口优、0910,,“.,2圆柱形浅水TLD也是一类人们感兴趣的Tl力与矩形TLD相比它无方向限制由于晃动时内部液体流动基理复杂目前多限于以线性理论为基础对圆柱形或环形TLD进行研究文[161718]应用浅水波浪理论和Miles仁‘9〕等效阻尼公式得圆柱箱内液体晃动控制方程用有限差分对圆柱形浅水TLD进行数值分析在振动台上作大型圆柱水箱浅水动力响应实验实验数值结果相吻合并为南京电视塔结构设计了一套圆柱形TLD装置以控制其第一振动的风振反应经理论分析该装置能使南京电视塔结构在八级风中小塔楼处的最大加速度响应下降125%3深水TLD高耸结构上常规的生活和消防水箱是深水水箱将其加以改造作为风振控制装置可使控制和使用合二为一是值得研究和推广的但是深水晃动阻尼作用比浅水TLD弱得多在深水水箱中装置象肋打孔隔板网浮子等液体振动阻尼器能提供强烈的阻尼但是这种情况下问题的建模求解相当困难在航天领域储液箱都采用上述液体晃动阻尼器(防晃元件)增加晃动阻尼主要是通过对真实储箱或它们的模型进行流体动力学实验进行研究[z0〕土木工程有关深水TLD的研究文献不多文[21〕设计了矩形深水水箱水中排列一些小柱子以增加晃动阻尼来控制Ikuchi斜拉桥塔的涡致振动风洞实验表明在水质量为塔被控制型广义质量095%时振动对数衰减率由原结构的0013增加到019约为15倍文[22」用数值模拟和实验方法对带金属丝网矩形深水TLD的风振控制作了初步研究以Boussinesq方程为液体运动控制方程并且考虑由于网作用的水头损失(由经验公式给出)用有限差分法求解以水平谐波激励作振动台实验结果与数值计算吻合进一步的实验发现深水箱加金属网能使液体晃动非线性减弱随着激励振幅增大共振频率相对稳定这不同于浅水箱只适于振幅不大的情况并且金属网一lse11!仁a图100e肠叫时日000.;,,
,0
图3b结构扭振反应曲线结构扭振运动方程Is况十
c汉+K刀一从+
M(2)
其中ICK分别为结构惯量阻尼系数和刚度M为外部载荷M为由于液体晃动作
用于
结构上的力矩图(3b)为将TLD晃动基频调整为结构频率时不同惯量比下数值计算结果
2__
一一一
一
(Iw=苦pab(aZ+hZ)为TLD
中液体绕o点运动
3一一一一一
卜下夕
~
,
惯量p为液体密度ab为TLD尺寸h为平
均液深)当Iw/I一0001%时结构位移反应仇
幅值减少60%!可以看出如果TLD参数(液
深尺寸)选择合理很少质量的液体对结构的
纵向角振动控制效果很好
2圆柱形浅水TLD