TMD调谐质量阻尼器的局限性
调谐质量阻尼器(TMD)的研究综述+祁丽丽+土木工程学院
调谐质量阻尼器（TMD）的研究综述工程力学祁丽丽（河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003）摘要：本文对调谐质量阻尼器（TMD）的构造及工作机理进行了分析，归纳总结了TMD的发展阶段，并举例阐述了TMD在结构振动与控制方面的应用，从而说明TMD在土木工程防灾减灾技术中发挥着重要作用，由此可见TMD具有良好的发展前景和研究价值。
关键词：调谐质量阻尼器，吸振器，阻尼器，减振作用A General Statement to the Research of Tuned Mass DamperQI Li-li( Institute of Civil Engineering, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）Abstract：The structure and working mechanism of tuned mass damper are analysed in the article and it summarizes the development stages of TMD and illustrates the applications of TMD in structural vibration and control.Thus TMD plays an important role in disaster prevention and reduction technology . From the article we can learnTMD has good development prospect and the research value.Key words：t uned mass damper;absorption isolator;damper;damping effect1 引言随着结构振动控制技术的迅速发展，调谐减振技术的理论研究变得更加成熟，应用也更加广泛。
调谐质量阻尼器（TMD）在钢结构人行天桥维修中的应用研究
调谐质量阻尼器（TMD）在钢结构人行天桥维修中的应用研究原国华【摘要】主要对某钢结构人行天桥的主要病害进行了分析，提出了一种在箱梁内部安装调频质量阻尼器（ TMD）的新技术。
箱梁改造后进行了加固效果分析，结果表明安装调频质量阻尼器（ TMD）后大大降低了钢箱梁共振效应，减少了行人的不安全感，保证了桥梁的安全运营和耐久性能。
【期刊名称】《建材技术与应用》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】3页(P21-23)【关键词】钢箱梁;病害;调频质量阻尼器【作者】原国华【作者单位】山西省交通科学研究院，山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】TU352.1某钢结构人行天桥桥身呈半圆形，半径38.0 m，桥宽3.8 m，桥长123.3 m，主梁为3跨连续钢箱梁，跨径组合为：37.6 m+44.1 m+37.6 m，桥台处各加长2.0 m的悬臂。
钢箱梁高1.122 m，顶板宽3.8 m，底宽1.8 m，梁下采用橡胶支座，下部结构桥台为矩形截面Y形立柱，桥墩均为圆形独柱，均采用钢筋混凝土扩大基础。
该桥修建于1988年，设计人群荷载为4 kN/m2，全桥人行梯道4处，位于各墩台处，由预制钢筋混凝土踏板现场拼装组成，天桥平面图见图1。
2009年对该桥进行了全面检测和脉动试验，检测结果及试验数据表明需对该天桥进行耐久性处理，降低桥梁共振效应。
检测单位对该桥进行了全面检测和脉动试验，检测结论为：该钢结构天桥钢箱梁前三阶自振频率为1.623 Hz，2.337 Hz和2.984 Hz，前三阶频率均不能满足CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》的要求。
为了减少行人的不安全感，避免桥梁共振，钢箱梁竖向自振频率应≮3 Hz，根据检测数据判断，该天桥钢箱梁竖向刚度较低，行人行走过程中易激发共振。
另外，行人在桥上行走过程中，感觉到桥有些晃动，存在较大的安全隐患。
该桥采用钢箱主梁和钢筋混凝土桥面铺装，根据检测报告，该桥主梁存在共振问题。
台北101大楼风阻尼器
台北101大楼总高508公尺，楼层数为101层，属於超高层建筑，这种大楼在高层位置容易受到风力影响而产生摆动。
如果风力太强，造成结构物的振动太大，将使住户产生不适感，所以，为了降低建筑物振动反应，装设抗风阻尼器就成了解决的办法。
这颗类似单摆的金色大圆球，其正确名称为：「调谐质量阻尼器」（Tuned Mass Damper，TMD）。
这颗阻尼器的功能是用来减缓因强风造成建筑物振动而引起的不适感。
通常人感到不舒服，与楼层的尖峰加速度值有关，根据文献对高楼居民受风力摆动引起不适的研究显示，振动加速度达5cm/sec2时，人会开始感觉到建筑物的摆动并因此感到不舒服。
所以台湾的规范规定：在回归期半年（一年内可能会发生两次的机率)的风力作用下，建筑物最高居室楼层角隅之侧向振动尖峰加速度值不得超过5cm/sec2。
台北101大楼调质阻尼器所装设的位置与造型最後决定悬吊於87~92层之间。
这个类似单摆的调质阻尼器，其直径约为5.5公尺，共由41层厚度125mm的圆形钢钣堆叠焊接组合而成，各层钢钣的直径则配合球体形状呈2.1m~5.5m的尺寸变化。
整个球体由8组90mm 直径的高强度钢索，透过支架托住球体质量块的下半部，将660公吨的载重悬吊支承於92层结构。
此外，调质阻尼器支架周围也另设置了8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器(Primary Hydraulic Viscous Damper) ，其功能在於吸收球体质量块摆动时之冲击能量，减少质量块的摆动。
而为了避免强风及大地震作用时质量块摆幅过大，调质阻尼器下方则放置了一可限制球体质量块摆动的缓冲钢环（Bumper Ring），以及8组水平向防撞油压式阻尼器（Snubber Damper），一旦质量块摆动振幅超过1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒（Bumper Pin）就会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。
单摆式调谐质量阻尼器的力学原理：一个简单的调质阻尼器是由质量块（惯性力）、弹簧（弹性恢愎力）与阻尼（能量消散）所组成，装设於结构物上使之降低结构的动态反应，如顶层位移及加速度反应。
调谐质量阻尼器_TMD_对大跨度楼面的减振效果分析_叶飞
的最大值在跨中，因此将 ＴＭＤ 放在跨中附近。本工
程比较了几种不同的 ＴＭＤ 布置方式，以求得最优
－５－Βιβλιοθήκη ·上海建设科技 ２０１４ 年 第 ４ 期·
规划与设计
的 ＴＭＤ 方案。 ２．３．１ ＴＭＤ 质量的影响
在工程中常用的 ＴＭＤ 质量比在 １％￣５％之间。 钢梁安装不同质量的 ＴＭＤ，其中，刚度系数、阻尼系 数如表 ２ 所示。
表 ３ 不同质量比下的减振效果
质量比 ／％
０ １ ２ ３ ５
跨中节点最大 位移 ／ｍｍ
１２．６ ４．１ １．６ １．４ １．１
跨中节点最大 速度 ／ｃｍ·ｓ－１
１８．７ ５．１６ ２．５５ ２．１６ １．７３
跨中节点最大 加速度 ／ｍ·ｓ－２
２．８５ ０．７７ ０．５８ ０．４９ ０．４０
从表 ３ 可以看出，质量比在 １％、２％、３％和 ５％ 时，对应的减振率分别为 ７３％、８０％、８３％和 ８６％， 质量比越大，减振效果越好，质量比在 ２％ 时已能 满足英国规范 ＢＳＩ 的规定。
近年来，随着新型轻质高强度材料的日益运用 以及对建筑美学和使用功能的追求，建筑结构中出 现了越来越多的大跨度楼面。随着跨度的不断增 加，大跨度楼面的基频不断降低，其楼面振动问题 也日益突出。ＧＢ ５００１０ 一 ２０１０《混凝土结构设计规 范》第 ３．４．６ 条就该问题做出了规定［１］。该条文基于 舒 适 度 的 要 求 ，对 混 凝 土 楼 盖 结 构 的 竖 向 自 振 频 率，设计人员需根据使用功能的要求进行验算， 并且规定了大跨度公共建筑的竖向基频不宜低于 ３ Ｈｚ。然而目前许多大跨度楼面梁往往不能满足规 范的这条要求。根据以往工程实例，３０￣５０ ｍ 跨度的 单跨简支钢梁的截面高度通常是在 １．２０￣１．６０ ｍ，计 算和实测结果都表明，钢梁的基频和行人正常行走 时的频率接近［２］。结构的竖向基频取决于自身的质 量和刚度，直接增加刚度、减小质量是提高基频的 最直接方法，但大跨度梁刚度的增加往往会同时导 致质量的同量级增加，故提高频率的效果不明显。 基于上述情况，工程界这十几年发展起来很多种消 能减振技术。该技术从被动控制的角度入手，通过 在主体结构上增设消能减振装置，增大结构整体的 阻尼，将能量迅速耗散，从而满足楼面舒适度的要 求。调谐质量阻尼器（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒｓ，ＴＭＤ）系 统就是一种常用的消能减振装置。它由固体质量、 弹簧和阻尼器组成。它有自身的振动频率和阻尼， 通过改变质量或刚度调整阻尼器子系统的自振频 率，可使其接近主结构的基频。当主结构受振动时， 子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性 力作用在结构上，使主结构的振动反应衰减，以满 足主结构舒适度的要求。
调谐质量阻尼器的技术研究及工程应用
调谐质量阻尼器的技术研究及工程应用1摘要：本文对调谐质量阻尼器的工作原理进行了系统分析并对其构造进行剖析，同时对TMD在结构振动与控制方面的应用进行系统研究，根据应用分析表明TMD在结构结构振动控制中起着着重要作用，尤其在高耸结构中效果更为显著。
关键词：调谐质量阻尼器，减振，工程应用随着建筑功能的多元化，同时结构计算方法和轻质高强材料的发展和使用，高耸、大跨度结构振动问题越来越引起业工程界和学术界的重视，从而带动了振动控制技术的迅速发展，调谐质量阻尼器是振动控制的主要形式之一，近年来，调谐减振技术的理论研究变得更加成熟，应用也更加广泛。
由于TMD能有效地衰减结构的动力反应，且构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗风装置。
1 概述TMD结构应用思想的最早来源是1909年研究的动力吸振器。
最早主要对单个无阻尼TMD系统进行研究，主要研究内容为如何确定TMD的最优参数，研究多集中于对结构控制效果和最优控制参数的理论研究。
为使TMD的控制效果达到最佳，即扩大其耗能能力，需要将TMD的振动频率调至结构振动频率附近并选用适当的阻尼。
但TMD减振也存在缺点，即鲁棒性较差，当实际频率比偏离最优频率比时，其控制效果会大幅下降，即结构所受激振力频带较窄的时候TMD的控制效果较优，而激振力频率随机性较强时，控制效果明显降低，而多重调谐质量阻尼器（MTMD）可以有效解决上述问题。
本文基于TMD参数有效域概念，对某建筑上的MTMD应用进行了设计，使得该建筑结构系统振动得到有效控制，且鲁棒性较稳定。
2 调谐质量阻尼器的工作机理调谐质量阻尼器是一个振动系统，其由质量为M的质量块、弹簧刚度为K的弹簧和阻尼系数为C的阻尼器组成。
该系统简化模型如图1所示。
它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入了TMD，其动力特性发生了改变，原结构承受动力作用而剧烈振动时，由于TMD质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，从而使原结构的振动反应明显减弱。
单摆式TMD简介及其减振性能分析
。
图1
台北 101 大楼调谐质量阻尼器配置示意图 Schematic drawing of the Taipei 101 Tower’ s Tuned Mass Damper
Fig． 1
同济大学施卫星、 严峻等进行了一个单摆式 TMD 安装在风力发电塔上的减振试验［2］， 并得出
Structural Engineers Vol． 28 ， No． 6
（ 3）
以上在忽略主结构阻尼的情况下导出了单摆 式 TMD 最优参数的表达式。然而， 主结构的阻尼 忽略主结 往往具有显著的消耗振动能量的作用， 对于 构的阻尼显然具有明显的不合理性。 因此， 主结构阻尼 ζ p ≠ 0 的形式， 有阻尼系统最优参数 的解并不可以用无阻尼系统最优参数求解的方法 求出， 准确的数值解不具有无阻尼结构最优参数 的表达式的形式， 而只能根据式 （ 3 ） 用数值搜索 的方法找出最小峰值的反应。 对于确定 结 构 阻 尼 比 ζ p ， 找出最优的参数 γ ，f ，ζ s 是一种数值迭代的过程。 把振动响应 | u p | / H 看成是关于 g 的函数， 对于第一组特定 的 γ 和 f 的值， 代入不同的 ζ s 的值： （ ζ s1 ， ζ s2 ， ζ s3 ， …， ζ s4 ， ζ si ） 。 找出函数各自的最大值： | up | | u | | up | ， p … H max1 H max2 H
［3 ］
1
引
言
2
2． 1
单摆式 TMD
单摆式 TMD 的工作原理
目前， 有关单摆式 TMD 装置减振性能的研究 还比较少， 应用也很有限， 其中最具代表性的是台 北 101 大楼。单摆式 TMD 主要由单摆和阻尼器 组成。其工作原理： 将单摆的自振频率调整接近 于主结构的控制频率， 当外力 （ 风力、 地震力 ） 作 用于主结构上使之产生振动时， 单摆产生与主结 构始终反向的摆动， 产生反向作用力作用于主结 从而控制结构的振动， 作用在主结构上的能 构上， 量通过单摆式 TMD 的阻尼器消散， 从而控制结构 。 对于外力作用的振动反应
调谐质量阻尼器施工方案
调谐质量阻尼器施工方案1. 引言调谐质量阻尼器（TMD）是一种被广泛应用于结构抗震领域的 passively controlled device。
它通过在结构中引入质量和阻尼来减小结构的振动响应，从而提高结构的抗震性能。
本文将介绍调谐质量阻尼器的施工方案，包括选用材料、设计原理、施工流程等内容。
2. 选用材料在进行调谐质量阻尼器施工前，首先需要选用合适的材料。
常见的调谐质量阻尼器材料包括钢、铅、聚合材料等。
其中，钢材是较为常用的选择，具有较高的密度和强度，能够提供足够的质量以阻尼结构的振动。
此外，钢材还具有良好的可塑性和耐腐蚀性，适用于不同的施工环境。
3. 设计原理调谐质量阻尼器的设计原理是通过将其与结构相连，通过质量和阻尼的作用减小结构的振动幅值。
具体而言，设计原理包括以下几个方面：3.1 质量选择根据结构的特点和需求，在设计过程中需要选择合适的质量。
质量的大小会直接影响调谐质量阻尼器的阻尼效果，一般情况下，质量的选择应保证调谐质量阻尼器的质量足够大，但又不能过大，避免对结构整体产生不必要的影响。
3.2 阻尼选择调谐质量阻尼器的阻尼特性也是设计中需要考虑的重要因素。
阻尼的选择应根据结构的振动特性和设计要求进行。
一般地，阻尼器可以选择线性阻尼或非线性阻尼，具体情况可以进行仿真分析或实验研究。
3.3 安装位置选择调谐质量阻尼器的安装位置选择也是设计中的重要考虑因素。
一般情况下，调谐质量阻尼器可以安装在结构的关键部位，如梁、柱等。
通过合理选择安装位置可以最大限度地减小结构的振动响应。
4. 施工流程调谐质量阻尼器的施工流程主要包括材料准备、安装和调试等步骤。
4.1 材料准备在施工前，需要进行材料准备工作。
首先，根据设计要求选购符合规格要求的调谐质量阻尼器材料。
其次，对选购材料进行仔细检查，确保材料无损伤和质量问题。
4.2 安装安装调谐质量阻尼器时，首先需要进行结构的准备工作，如清理施工面、确定安装位置等。
质量调谐阻尼器和调频液体阻尼器
调谐质量阻尼器由质块，弹簧与阻尼系统组成。
01
当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到结构上，调谐这个惯性力，使其对主结构的振动产生调谐作用，从而达到减小结构振动反应的目的。
02
调谐质量阻尼器的早期研究
TMD结构应用的现代思想的最早来源是Frahm在1909年研究的动力吸振器。Frahm的吸振器的图解见图7．1，它由一个小质量m和一个刚度为A的弹簧连接于弹簧刚度为K的主质量M。在简谐荷载下，当所连接的吸振器的固有频率被确定为激励频率时，主质量M能保持完全静止。
采用TMD系统对于某些难以采取传统加强措施的结构，如高层结构、高层塔架结构、大跨度结构、海洋平台等重大结构，提供了一条难以替代的减振措施；
可以充分利用主结构已有的结构作为TMD系统，不必专门设置调谐装置；
TMD系统的优点：
对于某个TMD系统，应尽量以控制主结构的低阶振型为目标；
单个TMD用于结构控制时其有效频率较窄，控制效果不稳定。可以通过增加TMD系统的数量以应对较宽频带的激励；
调谐质量阻尼器的早期研究
调谐质量阻尼器的应用
台北101大厦是目前世界第一高楼，总高度502m，共100层，在87层的一个房间内挂有一个端部带阻尼的大复摆，可减振 40﹪ ~60﹪ (风振或地震)；
调谐质量阻尼器的应用
阿联酋28层七星级大酒店，为了抵抗地震和风振，在弧形支撑杆内安装了单自由 度摆动的TMD系统，实现减振。
202X
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质量调谐阻尼器（TMD） 与 调频液体阻尼器（TLD）
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质量调谐阻尼器
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TMD调谐质量阻尼器的局限性
TMD阻尼作用的大小取决于TMD响应滞后于结构响应90°相差条件。
结果由TMD传输的弹性力变成粘滞力作用于结构。
采用TMD 吸振，通常只有在激励振动包含一个主要频率分量的情况下或者很窄的频率带情况下。
然而对于随机激励的多自由度系统来说，单纯应用TMD要达到减振的目的，会是复杂的和困难的。
传统的调谐质量阻尼器一般采用离散化的设计，针对某一价固有频率或者较窄频率范围设计的TMD具有很好的减振效果。
然而当激励在一个较宽的频率范围的时候，TMD的减振效果显降低。
TMD系统对结构振动反应控制的关键是将TMD系统的自振频率调谐到被控制结构的自振频率上随着时间的推移，结构的一些性能会发生变化，从而降低了TMD系统对结构的控制作用。
如何拓宽TMD的控制振动的频率范围，就成了TMD需要改进设计的方向之一了。
为解决这个问题，提出了多调谐质量阻尼器的概念(MultipleTunedMassDamper，简称MTMD)。
MTMD系统是由多个TMD
组成的，其控制作用有两个方面：一是利用MTMD系统控制单自由度结构体系，将每个TMD的自振频率分布在一定范围内研究表明，MTMD系统对结构振动反应的控制效果比质量相等的TMD的控制效果好；二是利用MTMD系统控制多个自由度结构体系，将每个TMD 的自振频率调谐到需要控制的结构相应振型的自振频率上。
调谐质量阻尼器的弹簧和阻尼特性不随时间变化，因而限制了TMD对各种频率和形式外激励的适应能力。
TMD失调或TMD自身阻尼的波动都会削弱其减振效果，并且TMD的鲁棒性较差。
这些都使得主动和半主动调谐质量阻尼器得到了研究和应用。
针对TMD的局限性，可以采取相应的改进措施来使得其在一个宽的频率范围内起到减振效果。
一项有效措施就是将其调频率实时转移，使其在不同的激励频率下都具有强的衰减功能。
影响调谐频率的因素一般是减振器的质量和和刚度，若是采取变刚度调请频率就会转移，继而覆盖一个宽带频率范围。