调频液体阻尼器及其结构分析

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第十章被动调频阻尼器及其结构减振设计,10.1,调频液体阻尼器及其结构分析,主要内容,：,10.1,调频液体阻尼器及其结构分析,10.1.1,简介,10.1.2,调频液体阻尼器的减振原理,10.1.3,调频液体阻尼器结构分析,10.1.4,减振控制的工程应用实例,被动调频减振装置主要利用减振装置的自振频率与结构的受控频率相调频时，将结构本身的振动能量转换到被动调频装置上，达到耗散能量、控制结构动力反应的目的。,被动调频减振装置,调频质量阻尼器（,TMD,）,调频液体阻尼器（,TLD,）,概 述,10.1.1,调频液体阻尼器简介,动侧压力,在地震或风荷载作用下，调频液体阻尼器（,TLD,）将产生振动，使得固定水箱中的液体晃动，并在其表面形成波浪。,（,1,）,矩形、圆柱形或圆环形水箱，利用水晃动时表面波浪的作用力,（,2,）,U,型管状水箱，利用水晃动时产生的水平惯性力,晃动的液体和波浪对,TLD,箱壁产生的,动压力差,造价低、易安装、维护少、自动激活性能好、容易匹配调频频率等,（减振作用）,液体运动引起的,惯性力,TLD,原理图,优点,分,类,10.1.2,调频液体阻尼器的减振原理,基本假定：,TLD,水箱为刚性；箱体的运动是小幅度的；液体无粘滞性，不可压缩，无旋；,TLD,所在结构层只作沿,x,方向的水平运动，其水平加速度为 。,速度势函数,流体的刚体运动势函数,不动容器由于势函数作用下水中不平衡所产生的的液压力对应的势函数,1.,矩形深水,TLD,它们分别满足拉普拉斯方程：,式,(10-2),和,(10-3),相应的边界条件和初始条件分别为：,(a),剖面图,(b),平面图,矩形深水,TLD,图,根据式,(10-1),和,(10-7),，可求得相应的矩形,TLD,中水晃动反应总的速度势函数：,根据矩形,TLD,中水的晃动速度势函数的表达式,(10-8),，可得矩形,TLD,中水内部任一点处的液动压力为：,矩形,TLD,对结构的控制力，即,TLD,左右水箱壁上液动压力的的合力为：,2.,矩形浅水,TLD,浅液,TLD,制振原理,浅液矩形,TLD,水晃动的频率为：,矩形浅水水箱中水的运动：,边界条件,分别为水在,x,和,z,方向的流速,为液面波高,为边界层厚度,为液动压力,为水的动粘滞度,水箱设置结构层风振加速度,边界层外，水的运动可认为是有势流，假设速度势函数为：,水晃动速度与速度势函数关系：,水表面动粘滞阻尼系数,b,水箱的宽度,s,液体表面粘性影响因子，一般在,02,之 间,将式（,10-24,）代入方程（,10-20,）、（,10-21,）、（,10-22,），经转换，可导出矩形浅水水箱中水运动的控制方程：,3.,圆形浅水,TLD,（,a,）正面,（,b,）平面,浅液,TLD,制振原理,考虑到水箱对结构的反馈制振力是由于水的晃动压力所引起的，因此减振力为：,对于圆柱形容器，由伯努利方程可知：,略去边界层的粘滞力，可以得到圆柱形容器中的液体提供的减振力：,（,a,）正面,（,b,）平面,浅液,TLD,制振原理,将式（,10-38,）、式（,10-39,）代入（,10-37,）中，同时略去,w,的影响，得：,对于波液波动，存在：,在容器侧壁处，由边界可知：,4.,调频液体柱状阻尼器,TLCD,在,U,型管中加设开有小孔的隔板，孔洞的面积可调。利用液体振荡过程中产生的阻尼消耗能量达到减小结构振动反应的目的。液体在流经小孔前后，因截面突然变化，运动的流体将产生局部水头损失（能量损耗），这种损失是,TLCD,耗散能量的主要部分,。,可调节液体的长度,L,、宽度,b,，液体的质量，使管中液体的振荡频率与结构的自振频率相等或相近，从而达到最好的减振效果。,减振力,管状水箱中水晃动所产生的水平惯性力对水箱壁的作用,TLCD,减振原理图,U,型水箱中水的总惯性力为：,根据达朗贝尔原理，由平衡条件可得,U,型管状水箱中水晃动的运动方程为：,水箱对结构的控制力可认为是,U,型管状水箱中水运动的水平惯性力对水箱壁的作用。,U,型管状水箱作用在结构第,k,层上的控制力为：,式（,10-43,）可变换为：,U,形管状水箱中水晃动的自振频率：,水箱的非线性阻尼比：,U,型管状水箱的相关参数对控制效果的影响规律主要有：,（,1,）,U,型水箱的,B,值越大，结构反应越小，减振效果越好；,（,2,）,U,型水箱隔板阻尼对结构反应控制效果有一个最佳点，其位置在换算阻尼比值为,05%,之间；,（,3,）,B,值对,U,型水箱中水晃动反应的影响不十分显著，一般,B,越大，水晃动反应越大；,（,4,）,U,型水箱隔板阻尼对其中水晃动反应的影响是明显的，隔板阻尼越大，水晃动反应越小；,（,5,）相同条件下，,U,型水箱中水的质量越大，,TLCD,的减振效果越好；,（,6,）,U,型水箱中水晃动的自振频率与原结构自振频率接近时，,TLCD,的减振效果最好；,（,7,）相同条件下，,B/L,越大（但必须小于,1,），,TLCD,的减振效果越好；,只要合理地选择,U,型水箱的参数，那就可使,U,型水箱对结构振动控制的效果较佳。,5.,新式,TLD,图中附加磁性流体式,TLD(TMFD),、圆锥式,TLD,、斜底式,TLD,设计的主要目的是优化,TLD,中液体的晃动力。,图,3,斜底式,TLD,示意图,图,1,附加磁性流体,TLD,图,4,内表面带凹槽的,TLD,图,5,带有夹板式网筛的,TLD,示意图,图,6,夹板式网筛示意图,图中内表面带凹槽的,TLD(WSDE,),与带夹板网筛的,TLD,设计的主要目的是增加水箱内液体的耗能。,图,2,圆锥式,TLD,模型示意图,图,7,旋转挡板式,TLD,示意图,图,8,可移动挡板式,TLD,示意图,带挡板式,TLD,设计的主要目的则是拓宽,TLD,的有效频率带宽。,图,9,可控式,TMD-TLD,混合调频系统示意图,可控式,TMD-TLD,混合调频系统能够保证结构物在工程振动中出现频率偏移时的减振效果。,10.1.3,调频液体阻尼器结构分析,设置,TLD,的结构系统的运动方程：,TLD,的运动方程：,利用振型叠加法，式（,10-48,）、（,10-49,）变为：,具有,TLD,的结构位移响应自功率谱密度函数为：,TLD,相对结构位移响应的自功率谱密度函数为：,1.TLD,对结构风振响应的控制分析,结构和阻尼器的位移响应标准差：,结构速度和加速度响应的标准差：,2.TLD,对结构地震响应的控制分析,被简化为,n,个质点的结构在水平地震作用下的自由度设为,n,，则设有,TLD,的结构运动方程为：,TLD,的运动方程为：,利用振型叠加法，式（,10-60,）、式（,10-61,）变为：,j,结构第,j,振型参与系数,设,可以求得结构和阻尼器的位移响应标准差为：,10.1.4,减振控制的工程应用实例,实例：南京电视塔,TLD,风振控制,南京电视塔是一座以广播电视发射为主，兼有观光、娱乐等多功能的高耸结构，如图所示。塔总高,310.1m,，塔身的主体是由三条互成,120,度夹角、下大上小的预应力混凝土柱肢构成，柱肢为薄壁箱形截面，中间每隔,25m,左右用预应力混凝土连梁把它们相连。高度,169.78m202.29m,处的大塔楼支承在这三条柱肢上，在大塔楼上设有旋转餐厅等设施；高度,235.28m246.61m,处的小塔楼设有贵宾厅。小塔楼上部设有通风机房，再往上则分别为钢筋混凝土筒、平台及钢桅杆。,小塔剖面图,TLD,装置的种类,为了保证电视塔在八级风中正常工作，并对游客开放，就要降低小塔楼处的加速度响应。在小塔楼上部的风机房中，设置,A,、,B,两种圆柱形,TLD,装置，以减轻风振型反应，同时给维修人员留下进出通道。,南京电视塔,(,a),立面图,n,南京电视塔立面图,(b),竖向串联多自由体系,30,个相同的多层环形,TLD,被安装在建筑物的顶部，沿周边布置。每个,TLD,分为,9,层，每层高,22,厘米，且每层均有,12,个突出物来消除由于液体振荡产生的漩涡和增加附加阻尼。,日本横滨的,Shin Yokohama Prince Hotel,珠海金山大厦,在大厦顶部设置了,100,个浅液矩形,TLD,，长,1.0m,，宽,0.6m,，高,0.52m,，分,10,层，每层高,0.052m,，水的总质量为,31.2t,，设置,TLD,后，主楼顶层的振动加速度减小一半左右，完全满足了舒适度的设计要求。,大连国贸大厦,在结构中配制水箱设计成减振控制装置。,THANK YOU!,