高层建筑设置常用TLD系统的风振控制效率对比分析

发布时间：2020-05-10 18:55

【摘要】：调谐液体阻尼器是一个被动吸收能量的,已经成功应用在高层建筑结构的振动控制装置。通常它由加水的水箱牢固地固定在建筑结构上。在风及地震荷载作用下,振动的建筑结构物引起水箱内水晃动,如果对晃动的频率调谐,使其与主体结构振动的一阶模态的自振频率相等,液体晃动的惯性力传递到结构上,这个惯性力与结构运动方向相反,可以减小结构的振动响应,因此在结构上增加了有效的阻尼。近几十年来,对结构和TLD系统在模拟风荷载的窄带激励下的响应进行了研究。一种研究TLD行为的方法是用等效调谐质量阻尼器(TMD)替换TLD,并找到合理描述TLD特征的等效TMD模型对应的质量、刚度和阻尼比。由Navier-Stokes方程和浅水波动理论推导得到等效的TMD模型特性,是一种很好的描述TLD特性的方法。同时为了提高TLD的振动控制效率,可通过增加内部阻尼装置如格栅等以增加其固有阻尼,在本文研究中使用了板式格栅,因为它具有许多实际优点。本文主要研究内容如下:为研究高层建筑设置各类常用TLD系统的风振控制效率,本论文选取了一高432米的超高层建筑为例,在对其进行风洞试验已获取外部风荷载时程的情况下,假设其顶部设置了各类常规TLD系统,为此可用于比较各类常规TLD的风振控制性能。首先根据Housner的集中质量法简化TLD模型,将液体简化为质量一弹簧一阻尼体系之后进行求解。其次根据深水波动理论,推导了矩形深水TLD动液压力公式,得到结构-TLD体系的的运动方程之后进行求解,比较这两种方法对结构风致位移和加速度响应的减振控制效果。采用Yu对常规TLD系统考虑基底较大振幅时,水箱晃动位移较大而引起的非线性效应,得到具有NSD性质的等效TMD模型所对应的非线性刚度和非线性阻尼参数。然后利用该方法对广州西塔进行风振控制计算,与采用集中质量法和深水波动理论方法进行数值计算的分析结果进行了比较。对于在水箱内部设置格栅来增加TLD系统的附加阻尼,建立了正弦和随机激励下基于能量耗散等效原则的等效线性和等效非线性TMD模型,得到其等效的质量、刚度和阻尼比的经验表达式,以及等效非线性模型中质量、刚度和阻尼比随振幅的变化关系。为了验证等效线性和非线性TMD模型的有效性,研究了在风荷载激励下,对西塔顶部安装的TLD系统中有无格栅的两类工况响应进行了对比分析比较,计算结果表明TLD中增加格栅后能有效加强其耗能作用,带格栅TLD系统比普通TLD系统有更好的风振控制效果。对广州西塔顶部设置四个带格栅TLD系统,建立了四个带格栅的TLD等效非线性TMD模型,得到其等效非线性TMD模型的质量、刚度和阻尼比表达式,通过与单一格栅TLD和普通常规TLD的风振控制效率做对比分析,验证了设置多个格栅TLD系统的风振控制效率的有效性。
【图文】：

示意图,控制系统,示意图,主动控制系统

a)主动控制 b)被动控制 c)混合控制 d) 半主动控制图 1-1 不同控制系统的示意图主动控制系统使用外部的能量源来减少结构的振动响应。在主动控制系统里，传感器被用来记录激励和结构的振动。如图 1-1(a)所示，在测得的激励或者振动的基础上，控制器通过执行装置产生控制力到主体结构上来阻碍结构的运动。主动控制系统需要外部的能量源来工作，在荷载作用期间，可能由于潜在的能量源故障而处于失效的风险中。虽然主动控制系统的概念已经在机械和电气工程领域实施了很长时间，但它在土木工程中的应用在 20 世纪 60 年代初才开始。Soong 和 Housner 描述了各种主动控制系统的发展及其在土木工程中的应用，目前研究开发的控制力型主动控制装置[4]主要有：主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等。如图 1-1(b)所示，在被动控制系统[5]中，没有作用力直接施加到次结构上。被动控

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图 1-2 结构-TLD 模型简图领域应用中，最早的两个 TMD 系统[19]分别于 1977 年和汉考克大厦和在纽约的花旗银行中心。然后在澳大利亚的许多结构中使用调谐质量阻尼器以减少建筑结构的振MD 来抵御风振，如图 1-3 所示。调谐质量阻尼器安装在囱上[20]，，导致结构响应减少 30％到 50％。TMD 应用已的情况非常有效。就其地震应用而言，Villaverde 指出的有效性取决于结构的类型以及地震激励的特征。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU973

【参考文献】