TMD与TLD振动控制
工程结构减震控制
一、工程结构减震控制的概念对高层建筑和高耸结构来说，水平荷载是主要荷载之一，并且往往起着控制作用,而对大跨度空间结构来说，竖向荷载却是主要控制荷载。
水平荷载一般包括风荷载和地震荷载，这两种荷载都是动力荷载。
随着高层建筑和高耸结构高度和高宽比的增大以及轻质高强材料的作用，其刚度和阻尼不断降低，在强风或强烈地震荷载作用下，结构物的动力反应强烈，很难满足结构舒适性和安全性的要求。
按照传统的抗风抗震设计方法，即通过提高结构本身的强度和刚度来抵御风荷载或地震作用，是一种“硬碰硬("你强他也强,你弱他也弱":^))”式的抗震方法，它很不经济，也不一定安全，而且失去了轻质高强材料自身的优势，还不能满足日益现代化的机器设备不能因为剧烈振动而中断工作或者破坏的要求。
为了克服传统抗风抗震设计方法的缺陷，1972年美籍华裔学者姚治平首次提出了工程结构减震控制这一新方法。
工程结构减震控制是由结构与控制体系共同抵御外界荷载，能动地调谐结构的动态反应，是―种积极主动的结构抗震对策。
通常，结构减震控制按照是否需要外部能量驱动控制机构分为主动控制（AMD）和被动控制（PMD），半主动控制及混合控制。
主动控制效果明显，但控制机构复杂，需要外加能源，控制系统的可靠性低；而被动控制技术是较早得到发展和应用的工程减震技术，构造简单，不需要外界能源输入能量，由控制机构隔离地震作用和消耗能量，达到减小结构地震反应的目的，如隔震、耗能减震和吸振减震等。
混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的结构振动控制形式。
从其组合方式来看，可分为：主从组合方式和并列组合方式。
典型的混合控制装置有：AMD与TMD 相结合、AMD与TLD相结合、主动控制与基础隔震相结合、主动控制与耗能减震相结合、液压－质量振动控制系统（HMS）与AMD相结合等。
二、隔震技术“隔震”，即隔离地震。
在建筑物上部结构与基础之间以及上部建筑层间设置隔震层，隔离地震能量向上部结构传递。
桥梁TMD和MTMD减振控制及参数优化
桥梁TMD和MTMD减振控制及参数优化摘要：tmd（tuned mass damper,调谐质量阻尼器）减振系统在土木工程领域最初被应用于高层建筑与高耸结构振动控制，后来被引入到桥梁结构减振控制。
tmd减振系统系统通常由质量块、弹簧、阻尼器组成。
本文介绍了桥梁工程tmd和mtmd减振控制原理及参数优化方法。
关键词：调谐质量阻尼器，参数优化方法abstract：tmd (tuned mass damper, tuned mass damper) vibration isolation system was used in high-rise buildings and high-rise structure vibration control originally in the field of civil engineering, and was introduced to the bridge structure vibration control later. tmd vibration systems usually consist of mass, springs, dampers. tmd and mtmd vibration control principle and parameter optimization method of bridge engineering are introduced in this paper. key words：tuned mass damper, vibration control, parameter optimization method中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：tmd（tuned mass damper,调谐质量阻尼器）减振系统在土木工程领域最初被应用于高层建筑与高耸结构振动控制，后来被引入到桥梁结构减振控制。
TMD在拱桥振动控制中的应用
TMD 的减振原理
调谐质量阻尼器(简称 TMD) 系统是一个由弹簧、阻尼器、质量 块组成的振动体系。它利用质量块在振动过程中产生的惯性力，来协 调结构自身的惯性力，从而减少结构的振动反应。我们用的是单自由 度体系的被动阻尼器。在质量为 M，刚度为 K，阻尼为C 的结构上安 装一个 TMD，其质量为ms 、刚度为ks 、阻尼系数为cs 。令结构的 位移x1 ，TMD 的位移为x2 ，则整个结构系统的运动方程为:
TMD简介
TMD的具体应用，在全世界范围已经有很多工程实例。美国70年代在波 士顿的John Hancock Building（1971年）和纽约的Citicorp Center（1978 年）上装设了两个重300吨的TMD装置。据报道，两栋建筑物在风载下的加速 度反应可衰减40%。澳大利亚的悉尼电视塔是建立在16层的Centerpoint钢筋 混凝土大楼上的，塔总高250米，塔上设置了一个塔楼，在塔楼顶部和塔的中 部分别安装了一个TMD。在TMD安装后的1980年，对塔的风振反应进行了实测， 结果表明，TMD对该电视塔风振反应的控制效果极好。在这之后，加拿大多伦 多电视塔也安装了两个小型TMD以控制其风振反应，减振效果也是十分令人满 意的。日本从80年代至今，对被动TMD开展了多方面的开发应用研究。1980年 在Chiba Port Tower（125米）上设置了支承式TMD装置，这是日本第一座设 置TMD的塔，该塔经历了1987年12月17日的近海地震（8级）的考验，随后大 阪Funade桥的桥塔上也安装了TMD，而且世界上第一长的悬索桥Kaikyo桥同样 采用了TMD来控制其300米高的主桥塔的风振反应。日本秩父桥悬臂架设阶段、 名港西大桥、来岛大桥、横滨湾桥、东神户桥、荒津大桥等多座大跨度悬索 桥、斜拉桥的施工架设，都采用了TMD装置，并有一些延用到成桥运营期。另 外采用TMD减振装置的还有英国的Kessock斜拉桥，法国诺曼底大桥的悬臂施 工阶段等。TMD装置在我国也有很多应用，如九江长江大桥的吊杆，杨浦大桥， 北京太平桥大街道两座人行天桥，黄山太平湖大桥的主塔，虎门大桥辅航道 桥悬臂施工阶段等。在高层建筑中，上海东方明珠和南京等电视塔上均安装 了TMD减震装置。
高层建筑的风振控制研究
高层建筑的风振控制研究摘要：高层建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。
文中分析了高层建筑的外部风环境、内部风环，以及风振控制中的被动控制、主动控制和混合控制系统，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。
关键词：风振控制；建筑风环境；控制系统0 引言高层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向发展，使得结构的刚度和阻尼不断下降，直接影响了高层建筑和高耸结构的正常使用。
建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。
本文基于人员不舒适感分析了高层建筑风振控制，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。
1 高层建筑的风环境1.1 外部风环境根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，有可能测得的建筑物外部环境的不舒适参数Ψ值，在风振舒适感控制中都是基于下述效应为基础。
（1）压力连通效应：当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成街道风，在街道上形成不舒适区域。
（2）间隙效应：如图2所示，当风吹过突然变窄的剖面时（如底层拱廊），在该处形成不舒适区域。
图2 间隙效应（3）拐角效应：如图3所示，当风垂直吹向建筑物时，在拐角处由于迎面风的正压与背面风的负压连通形成一个不舒适的拐角区域；有时，当两幢并排建筑物的间距L≤2d（d为建筑物沿风向的长度）时，两幢间也形成不舒适区域。
图3 拐角效应（4）尾流效应：如图4所示，在高层建筑物尾流区里，自气流分离点的下游处，形成不舒适的涡流区。
图4 尾流效应（5）下洗涡流效应：如图5所示，当风吹向高层建筑物时，自驻点向下冲向地面形成涡流。
图5下洗涡流效应2.2内部风环境高层建筑的内部风环境是指，由于风荷载的作用，高层建筑受到脉动风影响而发生振动现象，这种振动会给生活或者工作在高层建筑内部人带来不舒适感，对高层建筑物的正常使用造成影响。
结构振动控制的概念及分类
耗能方案性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构半主动控制和混合控制。
是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。
被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。
主动控制系统由传感器、运算器和施力作术。
主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质期开始研究主动控制。
目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。
主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和京的清水公司技术研究所。
，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几和耗能减震技术。
置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。
目前研究开发的基础和混合隔震等。
近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。
最近有使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振尼器（TLD）；（3）质量泵；（4）液压—质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。
ansys技巧总结_简单例子——tmd控制振动的步骤
在上面就以二阶和三阶为例吧，他们的振型是在y，z平面，这也好理解，这个方向刚度很低，所以低频率就出现在这个振型上。所以上面加的tmd的方向也很讲究，也就是节点10的位置是垂直于y，z平面，不然，在其他方向就没有好的效果了。
加tห้องสมุดไป่ตู้d：
finish
et,1,beam44
R,1,186160,178980000000,56238000000,1278,680,128980000000,
RMODIF,1,21,1278,680,
RMODIF,1,25,76160,110000,0,0,7.0678e-009,0,
UIMP,1,EX, , ,210000,
finish
/solu
antype,modal
modopt,subsp,10
mxpand,10
solve
finish
自己进入后处理器，察看结果
TIME 1 TIME
TIME
0.13996 0.139960
0.23500 0.235003
现在就上传一个简单的例子说明如何对结构的振动控制分析：
第一步：首先建立模型，如图，一个很简单的角形结构梁
其中上面的号码是节点号，连接1，10的就是调频器，节点2与1均有质量。
finish
/clear,start
/prep7
k,1
k,2,10000
k,3,5000,10000
0.13772
0.16125
有兴趣者可以对tmd命令流中的r,3,100,10中的阻尼进行变化
就可发现阻尼的作用了
TMD与TLD振动控制
调谐质量阻尼器的早期研究
➢为了增强用于减小主系统最大动力响应的吸振器的效果: 研究者们尝试了通过引入非线性吸振器弹簧来加宽调谐 频率范围,Roberson(1962)研究了将动力吸振器支承于主 系统的没有阻尼的线性弹簧上的动力响应。他将“消除带” 定义为主系统幅值小于1的共振峰值之间的频率带。非线 性吸振器的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要宽得 多。 Pipes(1953) 研 究 了 有 双 曲 正 弦 特 征 的 强 化 弹 簧 ， 并 得 出弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰的出现，并将 相对小幅值的奇次谐分量引入吸振器和主系统的运动中。
质量调谐阻尼器（TMD）
与
调频液体阻尼器（TLD）
1
目录 质量调谐阻尼器 调频液体阻尼器
2
3
4
调谐质量阻尼器的组成与机理
调谐质量阻尼器由质块,弹簧与阻尼系统组成。 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。
10
11
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);
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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。
15
调谐质量阻尼器的发展-ETMD
现阶段,国内外学者对TMD系统进行了改进和扩展，形 成了利用结构内部的设备、装置等作为质量体对结构的振 动能量进行消耗，简称ETMD。此系统克服了TMD系统需 要增加额外质量的不足，减轻了系统承载的负担。目前该 系统已经被应用于海洋平台的振动控制。其优点是调谐质 量与平台剩余质量之比可达200﹪以上，是普通TMD系统 的40倍，减振效果良好。
运用TMD的巨型框架结构被动减震控制
摘 要巨型框架结构由几个大型结构单元所组成的主结构与其他结构单元组成的次结构共同工作，形成具有更大的整体稳定性和更高效能的高层建筑结构体系。
巨型框架结构体系不但能保证结构的整体性和刚度，减少材料用量，充分发挥材料和结构的性能，简化构造，降低造价，也使得建筑设计的灵活性成为新的可能。
随着巨型框架结构高度和体量的增加，其所承受的风荷载和水平地震作用必然增大，因此在建筑物中考虑减震控制措施是对未来高层，超高层巨型框架结构发展的必然要求。
实践证明，TMD 系统对于高耸建筑物抗风振控制是行之有效的；但是与风振相比，结构的地震响应控制要复杂的多，有必要做进一步的研究。
本文在进行巨型结构初始设计方案（未采取任何减震措施）的基础上，设置TMD 子系统，应用TMD 系统控制原理，合理调节和匹配系统的刚度、阻尼及质量系统，利用子系统和主框架的动力相互作用，研究结构地震响应控制的可行性及其控制效果，主要研究内容如下：(1) 对建筑结构地震反应分析方法进行归纳总结，为抗震巨型框架结构和减震巨型框架结构的地震反应特性分析提供理论基础。
在过去几十年中结构抗震理论的发展，大体上可以划分为静力、反应谱和动力三个阶段。
而时程分析法是动力理论的实用方法，本文在地震反应时程分析中，选用SAP2000 有限元计算软件进行结构动力分析。
(2) 形成了结构初始方案，对结构进行了动力特性分析，进行了常规设计抗震分析，研究多维地震动输入下未施加TMD 子系统的巨型结构的地震反应特性，作为控制效果的标准。
(3) 针对抗震巨型框架结构开展被动TMD 减震控制优化设计，进行TMD 参数优选，寻求最优减震效果及最优刚度、阻尼配置。
为了避免TMD 系统对较调谐振型低阶的结构振型的振型放大影响，且结构反应以一阶反应为主，所以TMD 系统控制一阶X 方向振型。
且TMD 的最佳位置在受控振型向量中元素绝对值最大者对应的质点处，即TMD 系统应置于结构顶层。
TMD 与主体结构的模态质量比µ一般取在0.005～0.02之间，本文取上限0.02，TMD 质量块重655KN 。
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调谐质量阻尼器的早期研究
➢为了改进动力吸振器的性能： Snowdon研究了固体型吸振器对减小主系统响应的性能， 表明采用恒定阻尼系数材料和刚度正比于频率的动力吸振 器能显著的减小主系统的共振振动，其性能明显优于弹簧 —阻尼筒型吸振器。 Srinivasan分析了平行阻尼动力吸振器，即一个辅助无 阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下，当阻尼 频率被精确调谐到激励频率时，主系统将保持静止，但在 该情况下，消除带也变小了。
调谐质量阻尼器的早期研究
➢为了增强用于减小主系统最大动力响应的吸振器的效果： 研究者们尝试了通过引入非线性吸振器弹簧来加宽调谐 频率范围，Roberson(1962)研究了将动力吸振器支承于 主系统的没有阻尼的线性弹簧上的动力响应。他将“消除 带”定义为主系统幅值小于1的共振峰值之间的频率带。 非线性吸振器的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要 宽得多。 Pipes(1953) 研 究 了 有 双 曲 正 弦 特 征 的 强 化 弹 簧 ， 并 得 出弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰的出现，并将 相对小幅值的奇次谐分量引入吸振器和主系统的运动中。
调谐质量阻尼器的发展-MTMD
近 20 年 来 ， 国 内 外 学 者 针 对 单 个 TMD 系 统 的 理 论 和 技 术 方 法 ， 提 出 了 多调谐质量阻尼器的概念，简称MTMD。 MTMD系统可对受较宽频带的外激励的 结构进行振动控制，效果明显。上海青 浦电视塔高168m，在离地面137.5m的 一段悬挂11个质量摆，这11个质量摆 的们振塔楼36组动天的.自4﹪成频线加振。的带端速周频基位度期带本移反为地震动时程与吻的应0风合控.最3激，制9大8励经效H值z所测果~的产试0为.控4生发280制7的现.3H效﹪电，z ，果，视电它为塔塔视
调谐质量阻尼器的早期研究
Snowdon研究了其他可能的吸振器形式，如三单元吸振 器，显示如果第三单元与阻尼器串联，主系统幅值能减小 15％～30％，但这种减小对频率是非常敏感的，在实际中 它将影响吸振器的性能。 Ioi和Ikeda提出了主系统在小阻尼情况下吸振器参数优 化的经验公式。Randall等提出了在系统中考虑阻尼影响 的这些参数的设计图表。Warburton和Ayorinde则进一 步用表列出了最大动力放大因子、调谐频率比及特定质量 比和主系统阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。
TMD系统的问题及解决方法：
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； 对于以某一振型为主要控制目标的TMD系统，其最优装 设位置是该振型最大反应向量的质点处； 对于具有多个振型的主结构减振控制，可以适当增大 TMD系统的阻尼或者设置多个TMD系统。
TLD减震控制理论
TLD减振控制理论依据水箱水的水深与水箱振动方向的比 值可分为浅水理论和深水理论。 浅水理论由于水深较浅，考虑液体运动的非线性，液面 晃荡大从而加大了结构的阻尼，产生减振效果，但浅水水 箱只适合做阻尼器，不适合其它用途，所以生活、消防等 所需的水箱需要专门的大空间来放置，提高了工程造价， 因此比较适合塔式等高耸结构; 深水理论卞要假设是液面运动是微幅的，用线性理论来 刻画液体的运动，与之对应的深水水箱则可以方便地用生 活水箱改装，既不用制作专门的水箱，也不需要额外的盛 放空间，造价低，适合生活、办公用的高层建筑。
地 震 动 时 程
TMD系统的优点：
能有效衰减主结构的振动反应：在合理选取质量、刚度 系数、阻尼比等结构体系调谐参数的情况下，主结构的地 震反应（位移、加速度）可衰减30﹪~60﹪，可有效衰减 主结构在各种外部振动冲击下（地震、风、海浪等）的振 动反应； 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； 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； 节省工程造价：由于TMD系统对主结构的减振作用明显， 所以主结构可以减小构件截面尺寸、减小配筋、简化施工； 不仅适用于新建结构的减振控制，而且也适用于已有建 筑的减振控制。
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能液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，简称TLD) 是一种被动耗能减振装置，近年来进行了大量的研究 和应用。调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃 动过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造 简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置 等优点，可兼作供水水箱使用。
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。
调谐质量阻尼器的发展-ETMD
现阶段，国内外学者对TMD系统进行了改进和扩展，形 成了利用结构内部的设备、装置等作为质量体对结构的振 动能量进行消耗，简称ETMD。此系统克服了TMD系统需 要增加额外质量的不足，减轻了系统承载的负担。目前该 系统已经被应用于海洋平台的振动控制。其优点是调谐质 量与平台剩余质量之比可达200﹪以上，是普通TMD系统 的40倍，减振效果良好。
质量调谐阻尼器（TMD）
与
调频液体阻尼器（TLD）
目录 质量调谐阻尼器 调频液体阻尼器
调谐质量阻尼器的组成与机理
调谐质量阻尼器由质块，弹簧与阻尼系统组成。 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。