调频液体阻尼器及其结构分析PPT课件VIP

1、主要内容主要内容： 10.1 调频液体阻尼器及其结构分析简介调频液体阻尼器的减振原理调频液体阻尼器结构分析减振控制的工程应用实例 第1页/共21页 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 述第2页/共21页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

2、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惯性力TLD原理图优点分类第3页/共21页调频液体阻尼器的减振原理调频液体阻尼器的减振原理基本假定：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 。kxt（ ）12( , , )( , , )( , , )(101)x z tx z tx z t 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

3、水TLD它们分别满足拉普拉斯方程：21220(102)0(103) 式(10-2)和(10-3)相应的边界条件和初始条件分别为：hzx(a) 剖面图abyx(b) 平面图矩形深水TLD图122121000012120000001200010410 510 6010 7zhzh()( )zztt( )()zzx,akx,a|zz|g|gtt|dt,|dtzz|x (t),|xx第4页/共21页根据式(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：1,3 ,.222()cosh(, )( )cos()( )1082cosh4109( )tanh1010iikiiiiz

4、hixaax z tbtx xtihaaabiigithaa 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：10 11wp ( x,z,t )t 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 ： 001,3,(0, , )( , , )2( )( )tanh10 12TLDwwhhikiiFtpz t dzpa z t dz bbi habh x tti ha 第5页/共21页2.矩形浅水矩形浅水TLDTLDTLDTLDF( )Pth1haaxz浅液TLD制振原理110 192gha浅液矩形TLD水晃动的频率为 ：010

5、20uwxz矩形浅水水箱中水的运动：111021suuupuwxtxzxwwwpuwgtxzz ( ()bhhz边界层22111022suuupuuwxtxzxzpgz ()bhzh h 边界层外 00 ()0 ()1023 ()()uxawzhwuztxppz 边界条件uw、bhpsx 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 第6页/共21页边界层外，水的运动可认为是有势流，假设速度势函数为：( , , )( , )cosh ()1024x z tG x tk hz, ,cosh ()1025, ,sinh ()Gu x z tk h

6、zxxw x z tkGk hzz222( )01026( )(1) ( )( )HsuhtxuTugghuxtxxx 水晃动速度与速度势函数关系：1tanh()1027tanh ()1028tanh()tanh (),(0,1, 2,) 1029112(1)10302Hkhkhk hkhnTk hknahshb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：第7页/共21页3.3.圆形浅水圆形浅水TLDTLD2arh2az（a） 正面（b） 平面浅液

7、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： 00220()()10 341()10 352TLDxax ahhTLDnFtbP tdzP tdzFgb对于圆柱形容器，由伯努利方程可知： 222, , ,()()10372rp rz tghzvvw第8页/共21页1038rvv( , , , )|()|1040r ar ap rz tghz200, , ,()1041rhrp rz taghz dzd 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：2arh2az（a） 正面（b） 平面浅液TLD制振原理将式（10-38）、式（10-39）代

8、入（10-37）中，同时略去w的影响，得： 对于波液波动，存在： |01039rr av在容器侧壁处，由边界可知：第9页/共21页4.4.调频液体柱状阻尼器调频液体柱状阻尼器TLCDTLCD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

9、第10页/共21页()()1042mkkIA LB xAB wx 210432kAALww w tAgw tABx ()1047kU tABw tALx 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 ：221044LLLkBwwwxL 式（10-43）可变换为：21045LgLU形管状水箱中水晃动的自振频率：水箱的非线性阻尼比： 1104624Lw tgL第11页/共21页U U型管状水箱的相关参数对控制效果的影响规律主要有：型管状

10、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

11、U型水箱对结构振动控制的效果较佳。第12页/共21页5.5.新式新式TLDTLD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模型示意图第13页/共21页图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

12、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。第14页/共21页调频液体阻尼器结构分析 10 48TLDMx tC x tKx tp tHFt 2*TLD21*2( )1050210511052TiiiiiiijjjjjjjTq tq tq tptL HFttttHqtLM 22*1,1054i ikkntx xikkiF FkkSzHSz T()()(1,2,., )10 49djdjdjdjjdjdjjdjm xtcxtx tkxtx tmHx tjm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）、

13、（10-49）变为：具有TLD的结构位移响应自功率谱密度函数为： 2*1,1055ddkkndx xkF FkkSHSzTLD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第15页/共21页 11222011122201,10561057ii iiddddn mxx xixkn mxx xxkSzdkSdk结构和阻尼器的位移响应标准差：41220120,10 58,10 59ii iii ixx xixx xiSzdSzd结构速度和加速度响应的标准差：2.TLD2.TLD对结构地震响应的控制分析对结构地震响应的控制分析 ( )1060gTLDMx tCx tKx tM

14、I x tHFt 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： T()()( )1061djdjdjdjjdjdjjdjgdjm xtcxtxtkxtxtm x tmHx t 利用振型叠加法，式（10-60）、式（10-61）变为： 22*12( )10 622( )10 63/10 64TiiiiiijgTLDjjjjjjjgnjiijjiq tq tq tx tL HFttttHqx tmm j结构第j振型参与系数第16页/共21页( ), ( )(),( )()i ti ti tgkTLDdxteq tHeFtHe 122122

15、()()1065()()1066idxjgxdgHSdHSd设可以求得结构和阻尼器的位移响应标准差为：减振控制的工程应用实例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。第17页/共21页贵宾观光厅

16、风机房237.91241.31 小塔剖面图AAAABB 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 0.000169.780202.290235.480246.610天线钢桅杆（方形）混凝土桅杆（方形）小塔楼混凝土桅杆（圆形）大塔楼综合层连梁塔肢12345678910111213141516 (a) 立面图 n南京电视塔立面图 (b) 竖向串联多自由体系第18页/共21页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