Feasibility study of a large-scale tuned mass damper with eddy current damping mechanism

Tuned mass dampers （TMDs） have been widely used in recent years to mitigate structural vibration. However, the damping mechanisms employed in the TMDs are mostly based on viscous dampers, which have several well-known disadvantages, such as oil leakage and difficult adjustment of damping ratio for an operating TMD. Alternatively, eddy current damping （ECD） that does not require any contact with the main structure is a potential solution. This paper discusses the design, analysis, manufacture and testing of a large-scale horizontal TMD based on ECD. First, the theoretical model of ECD is formulated, then one large-scale horizontal TMD using ECD is constructed, and finally performance tests of the TMD are conducted. The test results show that the proposed TMD has a very low intrinsic damping ratio, while the damping ratio due to ECD is the dominant damping source, which can be as large as 15% in a proper configuration. In addition, the damping ratios estimated with the theoretical model are roughly consistent with those identified from the test results, and the source of this error is investigated. Moreover, it is demonstrated that the damping ratio in the proposed TMD can be easily adjusted by varying the air gap between permanent magnets and conductive plates. In view of practical applications, possible improvements and feasibility considerations for the proposed TMD are then discussed. It is confirmed that the proposed TMD with ECD is reliable and feasible for use in structural vibration control.

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.

悬索桥竖弯涡振MTMD减振控制效果和参数优化研究

为研究多重调谐质量阻尼器(Multiple Tuned Mass Damper,MTMD)抑制桥梁单阶涡振的性能,建立桥梁结构-MTMD系统竖弯涡振广义单自由度动力方程,以某大跨度悬索桥为背景进行MTMD减振控制效果和参数优化分析。采用数值方法求解动力方程,获得系统在简谐涡激力下达到稳态谐振时结构的动力放大系数和MTMD对结构的附加模态阻尼比,并与单一频率调谐质量阻尼器(Single Tuned Mass Damper,STMD)的减振控制效果进行对比,然后以附加模态阻尼比为目标对MTMD进行参数优化。结果表明:MTMD比最优参数STMD拥有更宽的控制频带和更好的减振效果,经优化后的MTMD减振性能优于最优参数STMD。实际应用MTMD时,应选择较大广义质量、5~7种频率规格,并根据二者找到无量纲频率范围和各TMD阻尼比的惟一最优取值。

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。

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。

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。

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。

Seismic response of controlled structures with active multiple tuned mass dampers

Active multiple tuned mass dampers （referred to as AMTMD）, which consist of several active tuned mass dampers （ATMDs） with identical stiffness and damping coefficients but varying mass and control force, have recently been proposed to suppress undesirable oscillations of structures under ground acceleration. It has been shown that the AMTMD can remarkably improve the performance of multiple tuned mass dampers （MTMDs） and is also more effective in reducing structure oscillation than single ATMDs. Notwithstanding this, good performance of AMTMD （including a single ATMD illustrated from frequency-domain analysis） may not necessarily translate into a good seismic reduction behavior in the time-domain. To investigate these phenomena, a three-story steel structure model controlled by AMTMD with three ATMDs was implemented in SIMULINK and subjected to several historical earthquakes. Likewise, the structure under consideration was assumed to have uncertainty of stiffness, such as 4-15% of its initial stiffness, in the numerical simulations. The optimum design parameters of the AMTMD were obtained in the frequency-domain by implementing the minimization of the minimum values of the maximum dynamic magnification factors （DMF） of general structures with AMTMD. For comparison purposes, response analysis of the same structure with a single ATMD was also performed. The numerical analysis and comparison show that the AMTMD generally renders better effectiveness when compared with a single ATMD for structures subjected to historical earthquakes. In particular, the AMTMD can improve the effectiveness of a single ATMD for a structure with an uncertainty of stiffness of 4-15% of its initial stiffness.

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)。

地震作用下调谐黏滞质量阻尼器阻尼比增效效应与优化设计研究

调谐黏滞质量阻尼器(Tuned Viscous Mass Damper,TVMD)是一种有效的被动惯容减震装置,本文针对地震作用下建筑结构TVMD阻尼比增效效应与优化设计展开研究。将TVMD对结构自身阻尼耗能功率的控制效果归纳为TVMD等效附加阻尼比,并基于随机振动理论推导了等效附加阻尼比的理论表达式。为了使TVMD更具实际应用价值,TVMD理论上应取得比同阻尼系数的黏滞阻尼器(VD)更大的等效附加阻尼比,这一现象定义为TVMD阻尼比增效效应,并定义了阻尼比增效系数来量化评估阻尼比增效效应。将等效附加阻尼比和阻尼比增效系数均作为优化目标,提出了TVMD最优设计参数理论解。参数分析结果表明,本文解具有良好的稳定性和适用性,为了更高效地发挥阻尼比增效效应,推荐TVMD质量比不超过0.3或阻尼比不超过0.1。以某七层标准钢框架结构作为工程算例展示了TVMD设计流程,并验证了本文解的有效性和优越性。算例分析结果表明,使用本文解设计TVMD能显著放大其阻尼元件变形,表现出了理想的阻尼比增效效应。与传统解相比,本文解还具有另一个明显优势,即保证TVMD的减震效果优于同阻尼系数的VD,不存在减震效率问题。

大跨度桥梁超低频调谐液体质量阻尼器研发及应用

大跨度桥梁在运营过程中易发生较为明显的超低频振动问题,采用调谐质量阻尼器(TMD)进行控制时,由于箱梁内部空间有限,常规TMD在结构上无法满足要求。基于此,提出一种基于浮力和流固耦合作用的超低频调谐液体质量阻尼器(TLMD)。为研究TLMD对结构的阻尼减振效果,进行模型试验,分析安装TLMD前、后主结构加速度幅值和阻尼比;将该新型超低频TLMD在贵州龙里河大桥上进行实桥应用,测试主梁频率特性和阻尼比。模型试验及实桥应用结果表明:TLMD减振技术可实现0.283 Hz乃至更低频率的超低频阻尼减振;采取TLMD控制后,模型试验主结构的阻尼比从0.038%提高至2.2%,主结构的加速度幅值从减振前的0.41 m/s2降低至0.01 m/s2;贵州龙里河大桥超低频TLMD当采用0.31%的质量比时,主梁一阶竖弯模态实测阻尼比从0.20%提高至0.82%,阻尼比提高了3.1倍。超低频TLMD参数稳定、性能可靠,有效降低了阻尼器的安装高度,显著提升了结构阻尼比,增强了桥梁的抗风性能。

调谐惯质阻尼器动力试验和参数识别

研发了一种新型调谐惯质阻尼器(TVMD)装置,该装置分别采用电涡流与金属弹簧作为TVMD的阻尼元件与弹簧元件.首先,对该TVMD装置进行动力试验,研究其动力特性.然后,提出4种基于试验数据识别TVMD参数的方法,即峰值点拟合法、滞回曲线拟合法、时程拟合法和传递函数拟合法.动力试验结果表明:TVMD具有惯性质量放大效应和阻尼增益效应;弹簧元件和惯容元件均表现出理想的线性特性,而阻尼元件由于电涡流阻尼固有属性和TVMD装置中存在的摩擦,表现出非线性特性.参数识别结果表明:4种方法均能合理确定TVMD参数,其中,传递函数拟合法能提供用于调谐设计的等效阻尼系数,而其他3种方法能识别非线性阻尼模型的参数;滞回曲线拟合法和时程拟合法具有更高的参数识别精度,而峰值点拟合法和传递函数拟合法具有更高的计算效率.

三星堆古蜀文化遗址博物馆大型螺旋坡道结构减震设计与舒适度分析

三星堆古蜀文化遗址博物馆中庭的螺旋坡道采用钢箱梁结构体系,其最大半径为28.7m,水平投影长度为118.5m,宽度为4.5~14.5m。介绍了螺旋坡道结构减震(振)设计过程,通过设置黏滞阻尼器和调谐质量阻尼器减小坡道在地震作用和人行激励作用下的结构响应,采用MIDAS Gen和ANSYS软件建立多尺度整体模型考虑螺旋坡道和主体结构的相互作用,进行了地震作用时程分析和人行激励舒适度分析。结果表明,各水准地震下黏滞阻尼器对螺旋坡道水平加速度减震效率约为45%~50%,水平位移的减震效率约为55%~70%。设置调谐质量阻尼器对螺旋坡道竖向振动加速度减振效率约为55%~60%,有效减小了坡道在人行激励作用下的结构响应。

某工程连廊及不规则悬挑结构振动舒适度分析与控制

针对某工程连廊及不规则悬挑结构,基于MIDAS/Gen软件建立有限元仿真分析模型,按照国内外相关规范,验算结构正常使用时各人行荷载工况下的舒适度。针对不满足要求的结构,开展基于调谐质量阻尼器(TMD)的振动控制分析,并对无控制状态及振动控制后的计算结果进行对比。结果表明:连廊及悬挑结构在人行荷载激励下部分工况下竖向加速度响应超过规范限值,最大可达0.9839m/s^(2),采用TMD系统进行减振控制后,结构加速度响应得到有效降低;对于超限工况,TMD有效减振率在69%以上,最高减振率达90.82%,平均减率为85.59%。