基于TMD的车致箱梁振动控制模型试验研究

为研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)在控制轨道箱梁结构振动中的应用,以高速动车组和CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-箱梁结构为原型,设计制作了几何相似比为10∶1的车-轨-桥耦合振动缩尺模型系统,分析了TMD在不同质量比、不同位置以及不同安装数量等工况下对箱梁顶板和翼板的减振效果。结果表明:TMD质量比为0.02时减振效果优于质量比为0.01时的减振效果,在考虑结构安全及经济性的条件下,可优先选择质量比更大的TMD;不同TMD安装位置对箱梁各部件的减振效果不同,安装TMD的板件处振动响应得到了明显抑制;安装2个TMD对箱梁结构的减振效果优于安装1个TMD,其减振范围也有所提升。研究结论可为高架轨道箱梁结构的减振设计提供参考。

基于气动措施和滑轮式TMD的人行景观桥涡振混合控制研究

为了解决传统式调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)在控制低频桥梁结构中弹簧静伸长过长的问题,介绍了滑轮式TMD及其用于结构振动控制时的特点,指出滑轮式TMD可以有效减小弹簧静伸长量。以一座人行景观桥为例,研究了采用气动措施和滑轮式TMD对该桥的涡振控制效果。风洞试验结果显示,在最优气动措施下,主梁的涡振振幅减少了一半以上,但仍未达到行人舒适性要求。基于Scanlan线性涡激力模型进行滑轮式TMD的优化设计,在气动措施的基础上进一步辅以滑轮式TMD进行涡振控制。分析结果表明,气动措施结合滑轮式TMD进行涡振控制能够满足行人舒适性要求,并确保滑轮式TMD质量块的工作行程不超过限值。通过同时采用气动措施和滑轮式TMD,可以满足主梁涡振限值、TMD弹簧静伸长量和工作行程等多重要求,从而有效控制主梁的涡振现象。本文提出的混合控制方案为类似工程中的涡振控制提供了有益参考,可为工程实践提供指导。

桥梁抗风型TMD对车-桥耦合振动系统减振性能研究

为研究桥梁抗风型调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)对车辆荷载引起结构振动的减振效果,并揭示车载作用下的TMD激振机理,提出了基于模态动能演化的多自由度结构TMD控制方法,确定了安装TMD的最优设计参数和布设位置;考虑桥梁有限元模型动力求解的通用性,基于桥梁三维动力分析系统BDANS软件建立了车-桥-TMD动力耦合分析系统;以经典单自由度移动弹簧质量过简支梁模型为研究对象,分析了车-桥-TMD系统振动特性,结合某深水区非通航桥梁抗风型TMD工程实例分析了TMD对车致振动的减振效果和机理。研究结果表明:TMD行程幅值与减振效果呈现正相关特点,即行程幅值越大对车-桥动力效应引起的振动减振效果越好;安装TMD可以显著提高结构的等效阻尼比,满足等效阻尼比>1%的工程需求,提高桥梁结构振动的稳定性;TMD在一定条件下可以减小车辆通过时引发桥梁竖向位移冲击效应,最大可减少3%左右;TMD对车-桥2个子系统的加速度瞬态峰值均起到了一定的抑制效果,尤其对桥梁结构竖向振动加速度作用效果明显,安装TMD后的桥梁跨中竖向振动加速度RMS值减少约20%;对大跨钢箱桥梁而言,相比较小的车辆荷载冲击效应,一阶竖弯呈邻跨反对称特性的桥梁结构在车辆通行过程中更容易激起TMD,使桥梁结构获得更佳的减振效果。

一种形状记忆合金半主动TMD系统的试验研究

针对调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)系统应用于轻型结构时易失调从而导致减振效果下降的问题,提出了一种新型形状记忆合金半主动TMD系统。该系统利用钢索悬吊质量块并承担其全部重量,使用有效截面为矩形的大尺寸镍钛形状记忆合金棒材,提供TMD系统水平面2个方向不同的抗弯刚度。为了研究该系统的半主动性能,进行了足尺形状记忆合金半主动TMD系统的自由振动试验,通过改变形状记忆合金的工作温度,研究了温度变化对TMD系统频率及阻尼比的影响。研究结果表明,控制形状记忆合金工作温度从-40~+80℃,TMD系统的频率随温度升高呈现升高趋势,而阻尼比随温度升高呈现下降趋势。将该新型形状记忆合金半主动TMD系统应用于受控结构中,一旦TMD失调,可以通过改变形状记忆合金的温度使其重新调谐。因此,设计的新型形状记忆合金TMD系统在轻型结构减振研究中具有一定的工程应用价值和前景。

移动荷载作用下悬浮隧道管体TMD减振分析及优化布置

为减小悬浮隧道管体在移动荷载作用下的动力响应,采用TMD作为振动控制措施并对减振效果进行了分析。将悬浮隧道管体简化为弹性地基梁,采用移动简谐力模拟汽车荷载,通过Morison方程计算管体振动过程中的流体附加惯性效应和阻尼效应,推导建立了移动荷载作用下管体-TMD系统振动控制方程组。采用Newmark-β法进行数值求解,分析了TMD对悬浮隧道管体的减振效果。针对悬浮隧道管体振动特征,提出采用分布式TMD的布置形式,并对移动速度、TMD阻尼比的影响进行了讨论。结论表明:TMD对移动简谐荷载作用下的悬浮隧道管体具有显著减振效果,最大位移减振率在50%以上。由于多阶模态参与振动,单一TMD的有效减振范围有限。在保持总质量不变的情况下,采用分布式TMD可以获得较好的整体减振效果。提高TMD质量比和降低移动荷载速度有助于提高TMD的减振效果。增大阻尼比会减弱TMD的效果,应综合考虑减振效果和工作空间的要求确定。

Optimal design theories of tuned mass dampers with nonlinear viscous damping

Optimal design theory for linear tuned mass dampers （TMD） has been thoroughly investigated, but is still under development for nonlinear TMDs. In this paper, optimization procedures in the time domain are proposed for design of a TMD with nonlinear viscous damping. A dynamic analysis of a structure implemented with a nonlinear TMD is conducted first. Optimum design parameters for the nonlinear TMD are searched using an optimization method to minimize the performance index. The feasibility of the proposed optimization method is illustrated numerically by using the Taipei 101 structure implemented with TMD. The sensitivity analysis shows that the performance index is less sensitive to the damping coefficient than to the frequency ratio. Time history analysis is conducted using the Taipei 101 structure implemented with different TMDs under wind excitation. For both linear and nonlinear TMDs, the comfort requirements for building occupants are satisfied as long as the TMD is properly designed. It was found that as the damping exponent increases, the relative displacement of the TMD decreases but the damping force increases.

Mitigation of Ice-Induced Vibrations for Offshore Platforms Using Tuned Mass Damper

The problems of ice-induced vibration have been noticed and concerned since the 1960s, but it has not been well resolved. One reason is that the dynamic interaction between ice and structure is so complicated that practical ice force model has not been developed. The recent full-scale tests conducted on jacket platforms in the Bohai Sea presented that ice could cause intense vibrations which endanger the facilities on the deck and make discomfort for the crew. In this paper, the strategy of mitigation of ice-induced offshore structure vibration is discussed. Based on field observations and understanding of the interaction between ice and structure, the absorption mitigation method to suppress ice-induced vibration is presented. The numerical simulations were conducted for a simplified model of platform attached with a Tuned Mass Danlper （TMD） under ice force function and ice force time history. The simulation results show that TMD can fa- vorably reduce ice-induced vibrations, therefore, it can be considered to be an alternative approach to utilize. Finally, the application possibilities of utilizing TMDs on other miniature offshore structures in ice-covered areas of marginal oil fields are discussed.

人行桥人致振动分析及TMD减振设计

大跨人行桥在行人荷载作用下容易出现剧烈振动,进而影响通行舒适度与桥梁安全。当舒适度评价不满足要求时,如何通过简单措施实现振动控制是工程设计人员关心的问题。以一座(50+100+50)m的连续钢箱梁人行悬索桥为例,借助于有限元数值模拟手段,以人群荷载作用下的竖向加速度峰值为指标评价行人舒适度,并对舒适度不满足要求的模态使用调谐质量阻尼器(TMD)进行减振设计;比较了经典单个TMD、并联双TMD、串联双TMD的减振效果。结果表明:对于单个TMD而言,减振效果随TMD质量增大而提高,但减振率增幅逐渐减缓,因此单纯依赖TMD质量增加不是经济有效的减振措施;在保持TMD质量相同的情况下,多TMD方式的减振效果优于单个TMD,串联双TMD比并联双TMD减振效果更佳。该研究结果可为类似结构的减振装置设计提供参考。

土与结构相互作用对海上风机TMD减振效果的影响研究

通过建立考虑土与结构相互作用的海上风机支撑结构三维有限元分析模型,结合泥面处固定连接和不同的地基土性质,研究了风浪荷载联合作用下海上风机TMD的减振效果,分析了土与结构相互作用对TMD减振效果的影响。结果表明,若将泥面处简化为固定连接,会严重低估风机结构的动力响应;土与结构相互作用会放大风机结构的动力响应,且降低TMD的减振效果,与泥面处固定连接相比控制率降低约4%;在其他条件都相同的前提下,风机结构的动力响应随地基土弹性模量的增大而减小,且土体工程性质越好,TMD的减振效果越好。

主结构阻尼对TMD最佳设计的影响研究

通过引入调谐质量阻尼器(TMD)可以解决复杂建筑结构的振动问题。主结构阻尼的存在使得TMD最佳设计由解析解变为非线性方程解。对于无阻尼主结构,TMD最佳设计时,各设计参数是质量比μ的函数,因此μ的取值是设计的关键。通过理论对比和案例数值分析,得到结论:主结构阻尼对TMD的减振效果具有削弱作用,随着阻尼的增大而增大,但可以通过增大μ来对冲这种削弱作用;考虑了主结构阻尼后,TMD最佳设计公式有一定的误差,μ越小越明显;综合考虑减振效果等因素,建议取μ=5%~10%。工程实践中可以以最佳设计参数为基准进行小范围变动取值试算,取最优结果。研究结果可为TMD的最佳设计提供参考依据。

桥梁断面颤振控制的TMD优化设计方法

为提高调谐质量阻尼器(TMD)对桥梁断面颤振的控制性能,提出了2种新的TMD参数优化设计方法,即考虑气弹效应影响的经验公式方法和数值优化方法。首先,基于二维耦合颤振理论建立桥梁-TMD系统运动微分方程。其次,以流线形桥梁断面节段模型为例,对比分析考虑气弹效应影响的2种设计方法和传统TMD设计方法所得到的桥梁-TMD系统颤振临界风速与鲁棒性能,并对TMD用于桥梁颤振控制的原理与不同设计方法差异化原因开展分析。研究表明,考虑气弹效应影响的经验公式方法和数值优化方法相较传统TMD设计方法能显著提高桥梁-TMD系统颤振临界风速,其中数值优化方法得到的桥梁-TMD系统颤振控制性能最优,且相较传统设计方法得到的桥梁-TMD系统,在鲁棒性方面也有了较大提升。考虑气弹效应影响的2种优化方法可进一步提高桥梁颤振安全系数,为实际工程应用提供理论参考。

丽水南城体育馆大跨楼面TMD减振分析

丽水南城体育馆存在大跨结构区域,用作网球馆楼面以及轮滑管屋盖,运动场地在人致荷载下经常会出现响应超过竖向振动舒适度限值,需对相应共振的人致激励工况进行减振分析。本文采用有限元程序MIDAS对整个结构进行减振前后的动力特性分析,通过合理布置调谐质量阻尼器有效抑制楼面在人行荷载激励下的振动,降低了最大响应点处人致振动的竖向加速度峰值,最大减振率达到了71.2%,均小于规范竖向振动加速度限值要求0.5m/s^(2)。

TMD抑制既有铁路钢桁梁桥横向振动研究

针对我国既有铁路钢桁梁桥的振动特性,对机车、转8转向架货车和客车分别建立车桥TMD系统耦合振动方程,将轮对的蛇行及轨面不平顺作为主要的激振源,通过随机函数产生随机激振,利用车桥TMD耦合振动仿真程序的大量模拟计算,研究桥梁在列车尤其是长大空重混编的货物列车随机激励下的横向振动规律,分析多点调频质量阻尼减振器抑制铁路钢桁梁桥横向振动的效果。结果表明,TMD能有效的抑制既有铁路钢桁梁桥的横向振动。

上海世博文化中心TMD减轻人致振动分析与实测研究

上海世博文化中心是2010上海世博会永久性场馆之一,其主体结构由沿环向的36榀悬臂长度不一的钢桁架和矩形钢管混凝土内框架组成。结构六层为悬挑钢结构楼盖,易引起人致振动问题。对采用调谐质量阻尼器(TMD)进行人致振动控制的上海世博文化中心进行了大量的计算分析和现场实测。结果表明结构各榀桁架的竖向共振频率处于2.5 Hz-3.0 Hz之间;当人以2.0 Hz的频率正常行走时,结构竖向振动较小,TMD基本无影响;而当人以结构竖向共振频率快速走动或奔跑时,TMD能有效减小结构的竖向振动响应,减振效率约为15%。这对长悬臂空间结构的舒适度问题和采用TMD进行人致振动控制问题的研究具有参考借鉴意义。

基于功率法的TMD系统参数优化与减振性能分析

建立了结构-TMD体系的功率平衡方程,从功率的角度分析了TMD系统在地震激励下减振效果,并考虑结构周期与阻尼比的影响。经HHT变换得到地震激励的时频图,解释了有控体系较无控结构在某些时刻各功率放大的原因。推导了结构基底受简谐荷载作用时,主结构的耗能功率公式,以主结构的耗能功率最小为优化目标得到TMD最优频率比及阻尼比,并与以往的四种优化方法进行了对比。结果表明,基于耗能功率最小的优化方法在随机激励下的位移方差及确定地震波作用下的能量及功率响应的大小均介于上述四种优化方法之间,且较无控结构均有大幅度的减小,因此该优化方法具有一定的适应性与可靠性。

施工中大桥桥塔的TMD减振研究

施工中大桥桥塔的风致振动对施工具有很大的危害,采用调谐质量阻尼器(TMD)对其进行减振。首先,通过一个二自由度的振动模型来阐述TMD装置的工作原理,并导出了TMD参数和外激励频率与减振效果的之间的关系。然后,在讨论大桥桥塔结构按一阶模态向一个单自由度系统的等效简化问题中,提出了一种基于固有频率的等效质量简便算法。最后,结合崖门大桥的桥塔施工进行实例TMD减振分析, 实测结果表明TMD的减振效果非常好但其设计过程也很复杂。

TMD对列车作用下大跨钢桁架桥的振动控制研究

南京长江大桥是连接我国南北的重要交通命脉,考虑到列车引起的振动对该桥危害较大,有必要采取有效措施对其进行振动控制。结合车桥动力方程,有限元分析时将列车经过大桥全过程的桥梁结构作为时变系统来考虑,基于ANSYS平台编制了动力时程响应分析程序。据此研究了调谐质量阻尼器(TMD)在该桥减振控制中的参数敏感性和控制效果,并对比分析了列车时速对减振效果的影响。结果表明,TMD在其刚度和阻尼系数取值合理时可达到最优控制效果;设计TMD对该桥列车致振动竖向加速度的控制效果明显,且在列车时速较高时减振效果更加显著。

3种构造形式调谐质量阻尼器性能

提出了3种平面内自由运动的调谐质量阻尼器(TMD)构造形式,即十字形(CTMD)、X形(XTMD)和旋风形(TTMD),通过有限元模型对比分析了3种TMD刚度变化、模态和简谐激励振动响应。根据分析结果可知,当TMD激励方向与弹簧垂直时,弹簧出力表现出非线性行为;相比于其他构造形式,TTMD减振效果更为稳定,效率更高。当质量比大于3%时,TTMD抑振效果更为显著。

瓷柱型电气设备基于BI-TMD的混合控制减震研究

电力系统作为生命线系统的重要组成部分,其在地震发生时的安全运行至关重要,而历次强震表明,电气设备,尤其是瓷柱型电气设备,抗震性能较差,震害严重。该文给出一种基于基础隔震(base isolation, BI)和调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)原理的 BI-TMD 混合控制策略,用于增强瓷柱型电气设备的抗震能力。通过有限元分析,给出这一混合控制策略在不同控制参数时,对不同频率的瓷柱型电气设备的减震效果。结果表明,BI-TMD对于长周期丰富的地震动和含速度脉冲的地震动的减震效果明显增强,地震动经过隔震层“滤波”后传递到被控设备的频率不确定性降低;所提出的BI-TMD减震方法具有良好的减震幅度和减震稳定性。

高耸结构TMD接触非线性阻尼振动控制研究

调谐质量阻尼器(TMD)能有效地控制高层建筑结构的风致振动,而TMD子结构往往将产生过大的冲程,且由于荷载不确定性决定其冲程也是不可确定的,故必须进行限位设计。鉴于此,对TMD的限位控制进行研究,提出了大阻尼TMD系统、开关阻尼限位控制和离位阻尼限位控制三种不同的限位策略。以广州新中轴线电视塔结构为分析模型,结合TMD系统在运动过程中的8个工作状态,给出了在考虑开关阻尼限位控制和离位阻尼限位控制两种限位控制策略下系统的运动方程,并进行了风载激励下的数值仿真分析。数值分析的结果表明:不同限位间距时,两种限位工况对系统位移、加速度响应的峰值和均方值控制效果规律不尽相同;对于开关限位控制,当限位距离为TMD最优控制下摆幅的36%时,在控制效果损失约4%的前提下,TMD的摆幅与最优控制下的摆幅相比,减少了约45%;当TMD摆幅相同时,与大阻尼TMD系统相比,其控制效果高8%;离位限位控制对结构加速度峰值有更好的控制效果。恰当地选择限位距离和限位阻尼系数,既能改善风致振动下结构的舒适度,又能减小TMD的摆幅。