结构振动控制技术（PPT58张）

结构振振动控控制技技术湖南科科技大大学土土木工工程学学院二0一二年年三月月主讲：：王修修勇教教授第一章章绪绪论结构的的动力力反应应结构在在动荷荷载作作用下下引起起的响响应地震风车辆...常见激励地震作作用（（中国国发生生的14次地震震）1556年中国国陕西西华县县8级地震震，死死亡人人数高高达83万人。1668年山东东郯（（tan）城8.5级，波波及8省161县，史史称““旷古古奇灾灾”。。1920年宁夏夏海原原县8.5级，死死亡24万人。。1927年甘肃肃古浪浪8级地震震，死死亡4万余人人。1932年甘肃肃昌马马堡7.6级地震震，死死亡7万人。。1933年四川川茂县县7.5级地震震。1950年西藏藏察隅隅县8.6级地震震。1966年邢台台6.8级、7.2级地震震，共共死亡亡8064人。1970年云南南省通通海县县7.7级地震震。死死亡15621人。1975年辽宁宁省海海城县县7.3级地震震。地震被被成功功预测测预报报预防防。1976年唐山山7.8级地震震，死死亡24.2万人。。1988年云南南省澜澜沧7.6级(澜沧)、7.2级(耿马)的两次大大地震。。2008年汶川8.0级地震，，6.9万人遇难难。2010年青海省省玉树7.1级地震2003年12月伊朗6.6级强震，5万人死亡亡。2004年2月摩洛哥6.5级地震，，564人死亡。。2005年3月苏门答腊腊8.7级地震，，1300人死亡。。2005年3月日本南部部7级地震，，1人死亡，，672人受伤。。2005年2月伊朗南部部6.4级地震，，602人死亡。。2006年5月印尼爪哇哇6.2级地震，，5782人死亡。。2007年7月日本新潟潟6.8级地震，，地震造成成11人死亡。。2006年7月印尼7.7级强震，，668人死亡。。2007年9月印尼7.9级海底地地震，10人死亡数数百人受受伤。2007年8月秘鲁8级强震，，510人死亡。。2009年9月印尼7.9级地震，5000人死亡。。2010年1月海地7.3级地震，十余万人人死亡。。2010年2月智利8.8级地震，799人死亡。。2011年2月新西兰6.3级地震，200人遇难。。2011年3月日本9.0级强震2011年3月日本东东北部海海岸发生生9.0级地震。。2011年3月缅甸7.2级地震。地震作用用（国外外发生的的16次地震））产生传递引起震源地震波建筑物所所在场地地结构的地地震反应应地震的破破坏作用用钢结构(扭转)Torsionbyeccentricstiffnessinplan地震的破破坏作用用多高层钢钢筋混凝凝土结构构TaiwanEarthquake1999.9.211:472,300地震的破破坏作用用底层大空空间LessonsfromEarthquakes:

damagebyweakfirststory(onlycolumns)低层剪断断滑移LessonsfromEarthquakes:

damagebyweakfirststory(onlycolumns)地震的破破坏作用用中间层刚刚度突变变,剪断LessonsfromEarthquakes:

damagebyweakstoryinmiddleheight地震的破破坏作用用平面不规规则单单层LessonsfromEarthquakes:

Lowrisebuildingsalsoarewereseverelydamaged地震的破破坏作用用房屋内部部设备仪仪器倒塌塌破坏LessonsfromEarthquakes:Facilitiesinsidethebuildingswereseverelydamaged地震的破破坏作用用地震中破破坏的桥桥梁风的作用用英国泰湾湾桥风毁毁1897年风作用下下结构可可能发生生颤振、、驰振、、涡振以以及静风风失稳风灾破坏坏事例1948年美国塔塔可玛桥桥（TacomaNarrow）风毁Tacoma桥风毁视频风的破坏坏作用从1918年起，，至少有有11座桥梁毁毁于强风风风的破坏坏作用风灾破坏坏事例-静风失稳稳冷却塔风风毁输电塔风风毁台风毁坏坏的房屋屋和桥梁梁风灾使广广告牌毁毁坏风的作用用斜拉桥拉拉索风雨雨振（日日本）风的作用用斜拉桥拉拉索风雨雨振（洞洞庭湖大大桥）风的作用用TokyobayBridge风的作用用结构振动控制被动控制主动控制半主动控制混合控制金属屈服服阻尼器器基础隔震粘弹性阻阻尼器摩擦阻尼尼器粘性液体体阻尼器器调谐质量量阻尼器器调谐液体体阻尼器器质量阻尼尼器主动斜撑撑和锚索索主动质量量阻尼器器混合质量量阻尼器器主动变阻阻尼控制制主动变刚刚度控制制磁流变阻阻尼器电流变阻阻尼器耗能减震震可控流体体振动控制制技术的发展现状状MMPassiveDamperMBase

IsolationMmTunedMassDamper被动控制制形式PassiveControlSystemsStructureExcitationResponsePED研究结构构振动控控制技术术目的控制结构构的振动动响应保证结构构安全；；提高结构构的舒适适性；；避免因结结构振动动引起的的公众恐恐慌。振动控制制技术简简介及发发展历史史（1）被动动控制制a、隔震1881年，日日本河河合浩浩藏提提出了了结构构基础础隔震震的概概念。。1924年，日日本鬼鬼头健健三郎郎，提提出了了基础础轴承承隔震震方案案。1978年，美美国Kelly等，提提出叠叠层橡橡胶支支座隔隔震方方案及及技技术术。绪论b、耗能减减振1970年开始始，Kelly提出在在结构构中设设置非非结构构构件件的耗耗能元元件—金属软软钢屈屈服耗耗能器器，包包括：：扭转转梁，，弯曲曲梁、、U型钢器器件等等，这这一思思想是是对结结构抗抗震延延性设设计的的一个个重要要发展展。阻阻尼器器被动动减振振应用用。80年代开开始TMD,TLD,TLCD的应用用。（2）主动控控制20世纪50年代，，日本本Kobori提出结结构变变刚度度减震震概念念。1972年，Yao应用现现代控控制理理论，，提出出了土土木工工程结结构振振动控控制的的概念念，开开创了了结构构主动动控制制的新新里程程。结构主主动控控制特特点：：能取取得很很好的的效果果，需需要很很大外外部能能量的的输入入。绪论（3）结构半半主动动控制制近几十十年来来，半半主动动控制制发展展迅速速。半半主动动变刚刚度，，半主主动变变阻尼尼：电电流变变、磁磁流变变。半主动动控制制特点点：输输入能能量很很小，，控制制效果果接近近主动动控制制。3、讲授内内容隔震、、TMD控制原原理、、TLD/TLCD减振、、阻尼尼器减减振，，半主主动变变刚度度、半半主动动变阻阻尼、、混合合控制制，半半主动动与混混合控控制，，主动动控制制与智智能控控制：：主动动控制制、智智能控控制、、自适适用控控制。。绪论参考书书目《结构振振动与与控制制》—李宏男男《结构振振动控控制：：被动动耗能能减振振，主主动、、半主主动和和智智能控控制》—欧进萍萍《高耸结结构振振动控控制》—王肇民民《结构工工程中中的被被动消消能系系统》—T.T.Soong等绪论第二章章基基底隔隔震1、概念念基底隔隔震：：在基基础和和上部部结构构间设设置隔隔震层层，使使之与与固结结于地地基中中的基基础顶顶面分分开，，限制制地震震动向向结构构物的的传递递。隔隔震层层水平平刚度度显著著低于于结构构的侧侧向刚刚度。。目前前基底底隔震震主要要用于于隔离离水平平地震震作用用。2、原理理通过设设置隔隔震装装置系系统形形成隔隔震层层,延长结结构的的周期期，适适当增增加结结构的的阻尼尼,使结构构的加加速度度反应应大大大减少少,同时使使结构构的位位移集集中于于隔震震层,上部结结构像像刚体体一样样,自身相相对位位移很很小，，结构构基本本上处处于弹弹性工工作状状态，，从而而建筑筑物不不产生生破坏坏或倒倒塌。。动力方方程：：设：图2.1基底隔隔震模模型其中D为动力力放大大系数数，当当β较大时时，D小于1。图2.2动力放放大系系数稳态相相对位位移反反应：：弹性力力和阻阻尼力力：总作用用力的的幅值值：传导比比：图2.3振动传导比比此时具有隔隔震效果。。一般地震的的周期为0.1s,卓越频率10HZ，采用隔震震层，相当当于减小k，周期为0.4～0.5s，结构固有有频率0.2～0.25HZ。a、提高了结结构地震安安全性及舒舒适感。b、防止了非非结构构件件破坏和建建筑物内物物品振动、、移动和翻翻倒。图2.4隔震与非隔隔震结构地地震反应对对比c、降低了房房屋结构造造价。7度区可节省省1％～3％；8度区可可节省5％～15％；9度区节省10%～20%。d、结构平立立面设计较较为灵活。。e、可以保持持仪器和设设备的正常常使用功能能。3、隔震结构构的特性4、基底隔震震方法（1）橡胶垫隔震震：竖向刚度度大，水平平刚度为竖竖向的1%。橡胶垫层隔隔震支座：：普通叠层层橡胶支座座；铅芯叠叠层橡胶支支座；高高阻尼叠层层橡胶支座座。图2.5橡胶垫层隔隔震支座（2）滑、转动支支座a、聚四氟乙乙烯支座：：对输入的的地震波频频率不敏感感，隔震范范围广；b、回弹滑动动支座；c、滚轴、滚滚珠支座；；图2.6滚轴、滚珠珠隔震装置置d、摩擦锤支支座（FPS）e、摇摆支座座f、踏步式支支座图2.7摇摆式隔震震支座图图2.8踏步式隔震震支座g、阻尼器5、隔震装置置性能隔震装置是是指将结构构与地基隔隔离的装置置和机构，，它一般由由隔震器和和阻尼器组组成。要要求隔震器器具有承受受荷载的能能力、大变变形性能和和在大地震震后帮助隔隔震器迅速速恢复到原原位的能力力。目前，世界界各国广广泛接受和和采用的隔隔震器是多多层(或叠层)橡胶支座。图2.9多层橡胶和和单层橡胶胶块的变形形状态（1）普通叠层层橡胶支座座的力学性性能a、竖向变形形性能b、水平大变变形引起的的竖向变形形图2.10竖向受压时时的荷载—位移曲线图图2.11水平大变形形引起的竖竖向沉降c、水平变形形性能图2.12水平荷载—位移曲线图图2.13竖向压力对对水平刚度度的影响（2）铅芯多层层橡胶支座座a、竖向变形形性能铅芯多层橡橡胶支座在在坚向压缩缩时的荷载载—位移曲线，，以及伴随随水平位移移发生的竖竖向沉降量量均和普通通多层橡胶胶支座的性性质基本相相同。b、水平变形形性能图2.14铅芯橡胶支支座水平荷荷载—位移的关系系（3）高阻尼多多层橡胶支支座a、竖向变形形性能在竖向压力力作用下，，高阻尼多多层橡胶支支座的荷载载—位移曲线，，以及伴随随水平位移移发生的竖竖向沉降量量均和普通通多层橡胶胶支座的性性质大体相相同。b、水平变形形性能图2.15高阻尼橡胶胶支座在水水平荷载作作用下的滞滞回曲线（4）阻尼比的的确定其中：—滞回曲线包包围的面积积；d—水平刚度—水平位移6、隔震动力力反应分析析（1）隔震层分分析模型a、考虑隔震震层的最大大位移在多多层橡胶隔隔震支座的的线性范围围内(一般最大变变形约为250％)，故在该范范围内模型型可取为线线弹性的。。b、当采用的的阻尼器为为粘滞型阻阻尼器时，，阻尼力F可按下式计计算：式中，v为相对速速度；c为阻尼常常数；n为待定常常数，一一般取n＝0.5~2.0。图2.16橡胶垫层层隔震层层恢复力力模型d、铅芯多多层橡胶胶隔震支支座和高高阻尼多多层橡胶胶隔震支支座可采采用修正正的双线线型模型型，如图图：c、当采用用的阻尼尼器为滞滞回型阻阻尼器时时，隔震震层系统统分析模模型可采采用如图图5.13所示的双双线型模模型。图2.17修正的双双线型恢恢复力模模型（2）隔震分分析模型型a、刚体模模型基底隔震震多用于于高宽比比较小的的中低层层房屋。。如果上上部结构构的刚度度较大，，则由于于隔震层层的水平平刚度相相对小得得多，上上部结构构可简化化成刚体体。2.18隔震结构构的刚体体模型振动方程程：式中，[M]、[C]、[K]、{U}和[I]分别为体体系的质质量阵、、阻尼阵阵、刚度度阵、位位移向量量和位置置向量，，具有如如下形式式：b、多质点点体系平平动分析析模型当上部结结构相对对较柔、、层间变变形较大大时(如多层框框架结构构)，隔震房房屋可简简化成多多质点体体系。图2.19多质点平平动体系系的分析析模型动力方程程：c、多质点点体系平平动—摇摆分析析模型当上部结结构层间间刚度相相对较小小、垂直直荷载较较大，而而采用的的多层橡橡胶垫的的橡胶总总厚度较较大时。。可能产产生明显显的坚向向变形。。在这种种情况下下，不仅仅要考虑虑结构的的水平振振动，而而且还要要考虑结结构的摇摇摆振动动，它的的分析模模型如图图：图2.20多质点隔隔震体系系平动—摇摆振动动分析模模型振动方程程：式中为结构地地板的摇摇摆角加加速度；；[H]为体系质质点的位置矩矩阵。d、隔震桥桥梁支座座模型1）、聚四四氟乙烯烯支座摩擦力：：图2.21聚四氟乙乙烯支座座模型2）、R—FBI（回弹滑滑动支座座）、FPS（摩擦锤锤支座））模型图2.22回弹滑动动支座模模型世界中,美,日三国国隔震震结构工工程应用用应用层层数:中国19层，已建近450幢美国29层，已建近近100幢日本42层，已建近1200幢中国应用用数量：：1991年～现在在已建450幢(广东,西昌，新新疆，云云南，山山西…….)我国隔隔震技术术的应应用为人民建建造确保保地震时时安全的的住宅让人民享享用免遭遭地震伤伤亡的权权利(1)中国隔震震建筑分分布：已应用在在我国广广东，福福建，山山西，陕陕西，云云南，四川，宁宁夏，内内蒙古，，新疆，，河北，，河南，，江苏，，北京，上上海，天天津，台台湾等16个省市自自治区(2)中国隔震震建筑数数量：在我国设设计和建建成隔震震房屋近近450幢(3)范围:住宅,办公大楼楼,教学楼,医院,指挥中心心.邮电通信信楼,博物馆,体育馆….民用住宅宅70%,重要建筑筑20%,其它10%中国隔震震建筑应应用分分布图（（已建成成）1993-2002隔震技术应用分布图多种隔震震型式（1）基底隔隔震（有地下下室）（2）首层隔隔震（无地下下室）（3）层间隔隔震（竖向不不规则））我国第一一棟橡胶胶支座隔隔震房屋屋（8层住宅））-广东汕头头1989-1993SeismicIsolation-ApplicationinChina平面布置置图HousesinShantouCity(2)隔震房屋屋不隔震房房屋隔震结构构工程程应用及及地地震考验验SeismicIsolation-inShantouCity--Earthquakeexperience中国第一一栋:1993年汕头头8层隔震房房屋(联合国UNIDO国际项日日)中国地震震考验:1994.9.16台湾海峡峡地震(M7.3)汕头传统房屋屋:晃动激烈烈人站不稳稳青少年跳跳窗逃（（死伤126人）水桶溅水水1/3汕头隔震房屋屋:人无震感感云南大理理--隔震结构构工程应应用和地地震考验验（1995.10.24首层隔震震广东东澄海政政府干干部住宅楼（（7层）HousesbuildingsinsouthernChina首层隔震震四川西西昌隔隔震住宅宅楼（8栋）1995HousesinXichanCity隔震支座座基底隔震震首层隔震震广州市地地震监测测指挥中中心2000年首层隔震震汕头博物物馆1996年MuseuminShantouCity,southernChina(1)首层隔震震四川西西昌邮邮电局隔隔震楼楼（7层）1995隔震支座基底隔震太原市图书书挡案馆隔隔震楼(6层)1998隔震支座基底隔震太原综合楼-ApplicationinChinaHighrise(19story)buildinginTaiyuanCity,northernChina新疆乌鲁木木齐石化厂厂区隔震住宅楼群（38栋，13万m2）2000年当年世界隔震震面积最大(基底隔震)新疆乌鲁木木齐第八钢钢厂区隔震震住宅楼群（（36栋，12万m2）2001年当年世界隔震震面积最大(基底隔震)Isolatedbuildings--thelargestareaintheworld北京地铁地地面枢纽站大大面积平台台上隔震住住宅楼(建设中)●RC大平台（2000米1500米）上建造48幢9层的隔震住住宅楼●隔震建筑面积480,000平方米目前世界面积最大隔震建筑群隔震层(隔震支座)层间隔震–StoriesIsolation隔震层(隔震支座)北京地铁9层隔震房屋屋（2）北京地铁9层隔震房屋（4）(M)17P04BJ05Stories-isolation隔震房屋完好无损损ElCentrowaveTianjingwaveLocalSitewaveGroundMotion地震Ag=0.60gIsolationStructuralAcc.结构As=0.11～0.16g(M)17p04BJISO07Storiesno-isolationShakingtabletests）不隔震No-Isolation(Fixed)Damage,CollapseElCentro(N-S)(Transverse)GroundMotion地震Ag=0.366gStructuralAcc.结构As=0.834gComparison:隔震/不隔震=1/4Storiesno-isolation(Severedamage,collapse)Storiesno-isolation(Severedamage,collapse)北京地铁地地面枢纽站RC平台上隔震支座施施工安装北京地铁地地面枢纽站隔隔震住宅楼楼技术经济效益益(1)房屋抗震安全度提高4倍(2)平台的地震反反应降为2/3(3)住宅面积增加加近10万平方米（房屋从6层增加到9层）(4)直接增创产值值6亿元(6000元/平方米)(未计间接效效益）SeismicIsolation-ApplicationinUSA(1)

USCUniversityHospital–withisolationSeismicIsolation-ApplicationinUSA(2)USCUniversityHospital––withisolationSeismicIsolation-ApplicationinUSA(3)USCUniversityHospital––withisolation

(AfterEQ1994.1.17,Northridge)SeismicIsolation-ApplicationinUSA(4)

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OliveViewHospital–withoutisolationSeismicIsolation-ApplicationinJapan(1)Westpost&communicationbuilding--withisolation53965m2electricandcomputerfacilitiesSeismicIsolation-ApplicationinJapan(2)Westpost&communicationbuilding--withisolationSeismicIsolation-ApplicationinJapan(3)

Westpost&communicationbuilding--withisolationJapanKobeEarthquake1995.1.175:476,000JapanKobeEarthquake1995.1.175:476,000SeismicIsolation-ApplicationinJapan日本高高层（（26层）隔隔震住住宅大大楼日本高高层（（32层）隔隔震商商住大大楼日本超超高层层（42层）隔隔震住住宅大大楼（（大坂坂市））2002.10.施工至至28层日本超超高层层（42层）隔隔震住住宅大大楼（（大坂坂市））日本超超高层层（42层）隔隔震住住宅大大楼（（大坂坂市））旧房屋屋加固固SeismicIsolation-ApplicationforRetrofitinUSA(1)SaltLakeCityandCountyBuilding——bearingputonthebase层间隔隔震（旧房屋屋加固固）SeismicIsolation-ApplicationforRetrofit16storiesBuilding—bearingputon8thfloor旧房屋屋加固固（（日本本Kobe）旧房屋屋加固固（（新西西兰）旧房屋屋加固固（（新西西兰）桥梁、、地铁铁等应应用南疆铁铁路布布谷孜孜铁路路隔震震桥（（9孔，各各32米）2000年通车车2003。2。24新疆伽伽师地地震6。2级别L=50KM地震后后救灾物物资源源不不断运运往灾灾区SeismicIsolation-ApplicationinBridgesinJapan(10)SeismicIsolation-ApplicationinOilTank(4)SeismicIsolation-Applicationinindustryfacilities第三章章调调谐质质量阻阻尼器器1、概述述调谐质质量阻阻尼器器（TunedMassDamper，简称称TMD），该该系统统是一一个由由弹簧簧、阻阻尼器器和质质量块块组成成的振振动系系统。。TMD振动控控制机机理：：当结结构在外激激励作作用下下产生生振动动时，，带动动TMD系统一一起振振动，，TMD系统相相对运运动产产生的的惯性性力反反作用用到结结构上上，调调谐这这个惯惯性力力，使使其对对结构构的振振动产产生控控制作作用，，从而而达到到减小小结构构振动动反应应的目目的。。图3.1TMD结构系系统研究表表明，，调谐谐TMD系统的的自振振频率率与结结构某某一振振型自自振频频率一一致时时，TMD系统对对此振振型的的振动动反应应控制制效果果最佳佳。应用：：应用较较早的的被动动控制制装置置之一一，在在结构构风振振中应应用较较广，，可以以用于于控制制结构构的风风振和和地震震反应应。优点：：(1)对结构构功能能的影影响较较小；；(2)安装简简单、、方便便；(3)维修、、更换换容易易；（4）可以以减少少工程程建设设的造造价。。缺点：：增加结结构的的附加加质量量1%～2%。，设：则：求解得得：图3.2无阻尼尼TMD计算模模型无阻尼尼运动动方程程：2、调谐谐质量量阻尼尼器（（TMD）的基基本原原理式中：：若令：：*主振振系统统振动动消失失，称称为动动力调调谐条条件。。则：*阻尼尼器弹弹簧传传递给给主质质量的的作用用力：：正好平平衡外外激振振力，，相互互抵消消—无阻尼尼力消消振器器原理理。设：图3.3有阻尼尼TMD计算模模型3、有阻阻尼消消振器器运动方方程：：可以得得到：：设：推出：：为了简简化分分析，，设，，则则：取图3.4主振系系统振振幅曲曲线*存在在2个公共共点。。*对于于任意意的f，公共共点的的纵坐坐标是是不同同的。。*改变变f，可以以得到到2个公共共点纵纵坐标标值相相等。。*当公共共点纵纵坐标标相等等，调调节使主振振系统统振幅幅曲线线的一一个峰峰值与与公共共点重重合，，这时时主振振系统统的振振幅最最小。。优化设设计1）利用用第一一个优优化条条件（（两公公共点点纵坐坐标相相等））因为公公共点点与无无关，，取则则：此外：：两个公公共点点与无关，，固有有对应存在2个正根（即两个公共共点）由韦达达定理知：联立方程组求求解：于是有：优化值：2）利用第二个个优化条件：：振幅曲线的的一个峰值与与公共点重合合。可得当较较小时，差别不大，则则可以令：*外部激励为为随机过程，，采用谱分析析。*宽带过程，，频率分布广广，宜采用AMD。*MTMD主要用于抗风风设计，抗震震方面备受争争议。*当，，对于不同的，振幅曲线不不存在公共点点，不能按上上述过程求解解，可以采用数数值方法计算算。TMD应用67.5m244mShinjukuParkTower(1994)RollerCiticorpBuilding278minNewYork410tonconcreteblockwithtwospringdampingmechanisms,wasinstalledinthe63rdfloor.第四章调谐谐液体质量阻阻尼器1、概述调液质量阻尼尼器是一种结结构被动控制制装置，它是是装有液体并并固定在结构构上的刚性容容器。包括：：TLD(TunedliquidDamper)、TLCD(TunedliquidcolumnDamper)。调液质量阻尼尼器的减振原原理：将调液质量量阻尼器安装装在结构上，，当结构受荷荷载作用产生生振动时，阻阻尼器中的液液体发生振荡荡。液体振荡荡产生的动水水压力作用于于刚性容器壁壁并传播到结结构上，从而而对结构运动动产生影响。。这个作用是是惯性力和耗耗能作用的组组合，利用其其阻尼的耗能能作用和惯性性的吸振作用用，达到减小小结构反应的的目的。应用：船防滚动箱箱、卫星转动动轴减振、海海洋平台、高高层结构的风风振。调液质量阻尼尼器有很多优优点：(1)经济，基本上上不增加或增增加少量的土土建费用就可可以达到减振振的作用；(2)简单易行，可可方便地将盛盛液容器安装装在结构上(3)较少的维护费费用；(4)适合短期或长长期使用；(5)多用途，盛有有水的TLD可兼做储水装装置；(6)无污染，阻尼尼器中液体使使用普通水时时有利于环保保。2、TLD的减震原理研究证实，TLD的减振作用与与容器中液体体的质量、频频率、粘滞性性及容器的尺尺寸等多种因因素有关，调调节这些参数数就可以改变变TLD的频率。TLD对结构的控制制力由两部分分组成：一部部分是水随结结构一起运动动所产生的惯惯性力；一部部分是水运动动时产生的粘粘滞力。当TLD中的液体使用用水时，由于于水是低阻尼尼的液体，运运动时产生的的粘滞力可忽忽略不计。此此时，水运动动产生的惯性性力构成了对对结构的控制制力。调节水水的惯性力，，从而达到结结构减振的目目的是TLD设计的准则。。TLD频率与结构的的自振频率接接近时，TLD中液体惯性力力最大，即控控制力最大。。3、TLD动水压力简化化计算（1）、矩形TLD中水的固有频频率式中，h为液体的深度度；A为TLD沿外荷载输入入方向的边长长；g为重力加速度度；n为液体自振频频率的阶数。。TLD中第一阶振荡荡周期与与h/A的关系如图4.1所示：图4.1与h/A的关系1)由图中可以看看到：当容器器的长度A确定后，液体体的周期随h/A的增大而减小小；2)h/A确定后，液体体的振荡周期期随容器长度A的增大而增大大；3)h/A大于0.5时，液体的振振荡周期趋于稳定值。。利用TLD减振，需将丁丁TLD中液体的振荡荡周期调调谐谐到结构的自自振周期附近近，从而得到到最大的动水水压力。根据据所设计结构构的自振周期期，由上图可可以选择出合合适的TLD形式。（2）TLD中液体动水压压力计算液体晃动问题题为典型的非非线性问题，，目前还无法法得到其解析析解。求解一一般采用流体体体积函数法法(简称VOF法)，它是求解不不可压缩的、、粘性的、瞬瞬变的和具有有自由表面流流体运动的一一种差分方法法。对于刚性的、、装有粘性流流体的容器，，假定流体是是不可压缩的的、均匀层流流，流体满足足的Navier-Stokes方程为：式中，P为流体的压力力；为为流体的密密度；为为流体的的运动粘滞系系数；分分别为为x、y和z方向的体积加加速度。定义一个流体体体积函数F(x，y，z，t)。若单元体充充满流体，F值为1；若单元体无无流体时，F值为0；当单元体与与自由表面相相交时，F值介于0与l之间。F函数满足方程程：采用施主与受受主单元体方方法来处理F的对流量。利用有限差分分法，通过计计算分析得出出单位宽矩形形TLD中动水压力最最大值的的简化化计算公式为为：图4.2动水压力图4、TLD结构减振体系系的简化计算算方法（1）控制系统的的数学模型n个自由度的土土木结构的运运动方程：M,C,K分别为质量、、阻尼、刚度度矩阵，环境干扰位位置矩阵设结构上安装装P个控制装置，，控制力为，相应的位置矩矩阵为。。受控结构的运运动方程：定义：得：状态方程可以以表示为：（2）TLD—结构体系的状状态方程及时时域分析在相对地面的的坐标系统中中，可以简化化成n个质点的结构构装有了TLD装置时，TID—结构系统的受受控反应方程程可表示为：：式中，分分别为为结构位移反反应向量、速速度反应向量量和加速度反反应向量；分分别为体系系的质量阵、、阻尼阵和刚刚度阵；为为单位列向量量；为为地面输入入加速度；为为TLD对结构的控制制力，阻阻尼尼为瑞利阻尼尼，其表达式为：：设求解状态方程程，即可以求求得TLD—结构这个控制制系统的地震震动反应。TLD减振效果：质质量比2%；位移减振率率19%~22%；加速度减振振率19%~37%。TLD（TunedLiquidDamper）TLCD减振装置一般般采用U型，U型管中设有小小孔的隔板，，面积可调节节。利用液体体振荡过程中中产生的阻尼尼消耗能量达达到减小结构构振动反应的的目的。液体体在流经小孔孔前后，由于于截而突然变变化，运动的的液体将产生生局部水头损损失(能量损耗)，这种损失是是TLCD耗散能量的主主要部分。局部水头损失失与液体在孔孔洞处流速的的平方成比：：b图4.3TLCD装置K为局部水头损损失系数，与与液体的截面面面积A和隔板的小孔孔面积有关；为为液体在在空洞处的平平均流速。5、TLCD的减振原理及及设计（1）TLCD减振原理根据需要调节节U型管中液体的的长度L及宽度d以及管中液体体的质量，使使管中液体的的振荡频率与与结构构的自振频率率f相等或接近，，从而达到最最好的减振效效果。（2）TLCD运动方程（模模型）拉格朗日方程程b—振荡频率与L有关无结构振动时时：（3）TLCD—结构系统的的运动方程程图4.4TLCD减振体系无阻尼自由由振动：引入参数：：，结构阻尼尼比：质量比有效质量比比：TLCD阻尼比线性化（简谐振动动半周内的的总水头损损失与线性性体系能量量相等的条条件）定义误差：：则：设：简化体系运运动方程为为：优化设计：：*一般情况下下很小，研究究表明*由上述方程程求得，进行优化化设计。6、利用TLCD减振分析a、利用数值值方法求；；b、研究参数数的影响；；c、研究振动动响应。第五章耗耗能阻尼器器的减振与与设计1、概述耗能阻尼器器减振是通通过来用附附加子结构构或一定的的措施，以以消耗地震震传递给结结构的能量量为目的的的减振手段段。通过耗耗能装置消消耗掉部分分能量，以以至于结构构反应减小小。外部输入的的能力=结构动能+势能（应变变能）+阻尼耗能+其它耗能（（塑性变形形）耗能减振技技术优点：：减振效果果好、构造造简单、造造价低廉、、适用范围围广、维护护方便等。。耗能阻尼器器：软钢阻阻尼器、摩摩擦阻尼器器、粘弹性性阻尼器、、粘滞液体体阻尼器，，MR阻尼器。StructurePassivecontrolsystemResponseExcitationSchematicDiagramofPassiveEnergyDissipationSystem被动耗能控控制PassiveControlForce=f(Disp.andVelocityAcrossDampers)Passiveforcecanbelinearornonlinear.Conservationofenergyyields:E=totalenergyinputtothestructurefromexcitationEd=energydissipatedbysupplementaldamping

devicesEk=kineticenergyofthestructureEs=elasticstrainenergyofthestructureEh=energydissipatedduetoinelasticdeformation2、软钢阻尼尼器软钢优点：：具有优良良的塑性变变形性能，，可以在超超过屈服应应变几十倍倍的塑性应应变下往复复变形数百百次而不断断裂的优点点。图5.1不同形式的的软钢阻尼尼器：(a)U型带、(b)扭转梁、(c)弯曲梁。软钢的应力力—应变数学模模型图5.2应力—应变数学模模型卸载Bauschinger(包新格)效应：与相相关的应应力依赖于于应变强化化量。各向向同性强化化理论将确确定：同性运动强强化理论为为：。。实验结结果位于两两