双调谐液体柱形阻尼器及其基本动力性能

借鉴被动调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)和调谐液体柱形阻尼器(tuned liquid column damper,简称TLCD)各自的优缺点,结合土木工程结构减震装置的经济性和适用性,提出了一种双调谐液体柱形阻尼器(doubly tuned liquid column damper,简称DTLCD),建立了简谐激励作用下单自由度DTLCD控制体系(DTLCD-SDOF)的运动方程,推导了其动力反应放大系数。提出了针对DTLCD的调优策略及优化评价函数,通过相关算法获得DTLCD-SDOF系统的参数优化程序,并利用该程序得到了DTLCD的最优参数。具体分析了不同参数对DTLCD共振峰值和调频宽度的影响,并对阻尼器阻尼参数或受控结构频率发生变化后DTLCD的鲁棒性进行了评价。对DTLCD,TMD,TLCD及DTMD的有效性和鲁棒性进行了对比分析。理论与数值研究结果表明,DTLCD的控制效果明显优于TMD和TLCD,与DTMD效果相同,并且在主结构频率的摄动方面拥有更佳的鲁棒性。事实证明,DTMD比TMD和TLCD更具工程适用性。     

考虑装置失效的高层建筑舒适度生命周期设计

鉴于个体对风致振动反应的不确定性及差异性,结合日本的AIJ(Aruitectural Institute of Japan,简称AIJ)标准,建立评价高层建筑风振舒适度性能水平的感振率模型,对基于可靠度理论的生命周期费用模型进行修正,并在模型中考虑了风振控制装置失效对结构舒适度性能的影响。利用修正模型对高层建筑调频质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)、调频液柱阻尼器(tuned liguid column damper,简称TLCD)以及组合调谐阻尼器(combined tuned damper,简称CTD)安装与否进行投资决策。研究表明:考虑振动装置失效时结构1年内的感振率可达到不考虑装置失效时的1.4~3倍;基于修正模型进行各阻尼器方案比选时,CTD的减振效率和生命周期费用都介于TMD和TLCD之间,是个很有竞争力的选择。     

具有调谐惯容阻尼器的建筑结构减震设计

为提升传统调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)应用的方便性,提出利用调谐惯容阻尼器(tuned inerter damper,简称TID)对结构进行减震控制,推导了基底白噪声激励下建筑结构的TID最优阻尼参数和最优刚度参数的解析式以及无阻尼的位移方差解析式。分析表明,TID最优参数与其安装的相邻楼层振型坐标差的平方有关,该值越大,控制效果越好。通过3个均匀结构和1个12层的非均匀结构模型分析表明:TID对中低层结构的控制效果较好,且对高阶振型控制优势明显;TID-TMD混合控制方案在地震作用下的控制效果更明显,优于TID,且总体上与多重TMD控制效果相近;TID-TMD仅需在顶层安装TMD,其余楼层安装TID,减少了多重TMD控制高阶振型带来的空间占据、安装不便、质量过大等问题。     

自适应多重TMD在大跨楼板结构减振中的应用

多重调谐质量阻尼器（multiple tuned mass damper，简称MTMD）常被用于大跨楼板结构的竖向振动舒适度控制中。为改善目前工程中使用的MTMD对频率调谐敏感和难以调频的缺点，提出了一种自适应多重调谐质量阻尼器（adaptive-passive MTMD，简称AP-MTMD）减振系统。该系统中的每个自适应调谐质量阻尼器（tuned mass damper，简称TMD）均具有可变质量的构造，以及由加速度传感器、控制电路板和驱动装置组成的伺服控制系统。环境激励下，控制电路板采集置于主结构上加速度传感器的信号，通过基于小波变换（wavelet transformation，简称WT）的频率识别方法识别得主结构的主导自振频率，然后自发地启动驱动装置改变TMD的质量以调谐自身频率至所识别得到的主结构频率。以某大跨楼板结构为例进行分析，首先，通过现场实测修正有限元模型；其次，根据修正前的结构模型设计了一套自适应多重TMD系统，验证了其频率自适应调节的鲁棒性；最后，通过施加若干种人行荷载，对比了启动调节前后的MTMD系统对修正后模型的减振效果。结果表明，自适应多重TMD能够自发地调谐自身频率，提高对楼板结构人致振动的减振效果。     

自适应多重TMD在大跨楼板结构减振中的应用

多重调谐质量阻尼器(multiple tuned mass damper,简称MTMD)常被用于大跨楼板结构的竖向振动舒适度控制中。为改善目前工程中使用的MTMD对频率调谐敏感和难以调频的缺点,提出了一种自适应多重调谐质量阻尼器(adaptive-passive MTMD,简称AP-MTMD)减振系统。该系统中的每个自适应调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)均具有可变质量的构造,以及由加速度传感器、控制电路板和驱动装置组成的伺服控制系统。环境激励下,控制电路板采集置于主结构上加速度传感器的信号,通过基于小波变换(wavelet transformation,简称WT)的频率识别方法识别得主结构的主导自振频率,然后自发地启动驱动装置改变TMD的质量以调谐自身频率至所识别得到的主结构频率。以某大跨楼板结构为例进行分析,首先,通过现场实测修正有限元模型;其次,根据修正前的结构模型设计了一套自适应多重TMD系统,验证了其频率自适应调节的鲁棒性;最后,通过施加若干种人行荷载,对比了启动调节前后的MTMD系统对修正后模型的减振效果。结果表明,自适应多重TMD能够自发地调谐自身频率,提高对楼板结构人致振动的减振效果。     

自适应TMD减振性能试验

为改善目前工程中应用的调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)对频率敏感和频率难以调节的缺点,提出了一种自适应TMD,由可变质量块、弹簧、伺服控制系统、驱动系统和阻尼器组成。其中,伺服控制系统由一个加速度传感器和一块单片机电路板组成。在环境激励下,单片机电路板接收位于主结构上的加速度传感器传来的信号,利用短时傅里叶变换识别得到主结构的第1阶自振频率,并自发启动驱动装置改变TMD的质量,以调节TMD的频率与识别得到的主结构频率一致。通过人行桥模型试验验证了自适应TMD的可行性、可靠性和有效性。试验结果表明,自适应TMD能准确识别模型结构的竖向一阶自振频率,并通过调节质量重新调谐自身频率,与识别得到的频率相同。自由衰减振动试验和受迫振动试验表明,与启动调节前的失调TMD相比,启动调节后的谐调TMD能够提高模型结构的等效阻尼比,降低其加速度响应峰值和均方根值。     

基于TMD-HMD的海上浮式风力机主被动综合振动控制

在恶劣的海洋环境中,随机风浪载荷使风机平台和塔顶产生较大的振动位移,严重威胁风机结构的安全性。为此提出TMD-HMD主被动综合控制方法对海上浮式风力机进行振动控制,在Spar式浮动风力机平台内放置多个调谐质量阻尼器,构成多重调谐质量阻尼器(Multiple tuned mass damper,MTMD),在机舱内放置一个调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)。首先基于欧拉-拉格朗日能量方程建立了风机系统11自由度空间动力学简化模型,利用Levenberg-Marquardt算法估计平台的刚度和阻尼参数,并通过与美国可再生实验室开发的FAST全耦合模型对比验证了模型的正确性;然后采用Van-Nguyen Dinh的方法优化了TMD的参数;接着在机舱TMD上施加主动控制力形成混合质量阻尼器(Hybrid mass damper,HMD),与平台TMD共同构成TMD-HMD综合振动控制系统,其中主动控制力通过线性二次型控制(Linear quadratic regulator,LQR)获得,LQR中的权重系数Q和R采用穷举法优化;最后在风浪联合载荷下分别研究了TMD被动控制和TMD-HMD主被动综合控制对风机动态响应的抑制效果。结果表明:与单独TMD被动控制相比,TMD-HMD主被动综合控制对风机平台纵摇角和塔顶纵向位移的抑制效果分别提高了约38%和20%,使其振动能量分别减少了72%和40%。     

基于ASNLSE方法的橡胶隔震结构损伤识别

对橡胶隔震结构的在线损伤识别进行了实验研究。建立橡胶隔震结构实验模型,对其进行振动台实验。采用一套刚度元件装置(SED)在线实现结构的层间刚度突变,模拟结构损伤。对结构施加不同地震波基础激励,测量结构各层的加速度响应和基础加速度信号,提出自适应序贯非线性最小二乘(adaptive sequential nonlinear least square estimation,简称ASNLSE)方法,基于测得的加速度信号对橡胶隔震结构的参数及其变化和隔震结构各层位移进行在线识别,判断结构损伤的位置和程度。实验结果表明,ASNLSE方法能够准确识别橡胶隔震结构的参数,并追踪结构参数的变化,且识别的位移与实测位移曲线吻合良好,验证了该方法在基础隔震结构损伤识别中的有效性和准确性,具有实际应用价值。     

基于参数识别的双向偏心结构TMD优化布置

针对实际多维结构的偏心距难以直接获得的情况,提出基于扩展卡尔曼滤波算法实现偏心结构整体质量、水平刚度和偏心距的同步识别方法,并由此指导调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)的实际最优布置位置。以一非对称钢筋混凝土框架结构为例,基于自由振动及参数识别算法实现结构整体偏心距等参数的准确识别,分析了不同位置布置TMD对结构减震效果的影响。结果表明:扩展卡尔曼滤波对结构多参数识别具有较高的精度,在此基础上选取合理位置布置TMD对双向偏心结构具有更好的减震效果,且具备较强的工程可行性。     

主被动调谐控制结构动力响应分析与试验

针对地震和风振下结构的振动控制,提出了结构主被动复合调谐控制的策略,以及采用直线电机驱动主动质量阻尼器(active mass damper,简称AMD)、中空橡胶隔震支座作为调谐质量阻尼器(tune mass damper,简称TMD)弹性单元、滑轨作为TMD支撑轨道的主被动复合调谐控制装置实现方法,进行了主被动复合调谐控制对结构动力响应控制的效果及减震机理分析,探讨了反馈响应向量对控制效果、AMD控制力和AMD位移的影响,完成了线性二次高斯算法(linear quadratic Gaussian,简称LQG)控制算法和H2/H∞控制算法时的主被动复合调谐控制结构振动台试验。研究结果表明:结构主被动复合调谐控制能有效减小结构的动力响应,改善TMD的性能;采用直线电机驱动的AMD作为主动控制装置,为防止AMD"飘移",AMD位移应作为目标向量和反馈响应;LQG控制算法总体控制效果优于H2/H∞控制算法。试验验证了提出的主被动复合调谐控制硬件系统方案的可行性,为工程应用提供了支撑。     

Optimum design of tuned liquid column dampers under stochastic earthquake load considering uncertain bounded system parameters

The Tuned Liquid Column Damper (TLCD) is an effective alternative to the Tuned Mass Damper (TMD) to reduce the response of structures due to dynamic loads. The optimum TLCD parameters are normally obtained based on the implicit assumption that the system parameters involved are deterministic. But, the efficiency of dampers may reduce if the TLCD parameters are not tuned to the vibrating mode it is designed to suppress due to the unavoidable presence of system parameter uncertainty. The study of TMD parameters’ optimization considering random system parameters is noteworthy. But, the same is not the case for liquid dampers. Moreover, though the damper parameters optimization under uncertain parameters in probabilistic framework is powerful; the approach cannot be applied in many real situations when the required detailed information to describe the parameters in probabilistic format is limited. In present work, the TLCD parameters optimization to control vibration of structures subjected to stochastic earthquake load under uncertain system parameters modeled as uncertain but bounded (UBB) type is studied. With the aid of matrix perturbation theory using first-order Taylor series expansion and interval extension of the dynamic response function, the vibration control problem is transformed to appropriate deterministic optimization problems yielding the lower and upper bound solution. Numerical study is performed to elucidate the effect of parameters’ uncertainties on the optimization of damper parameters and the performance of TLCD.     

Experimental implementation of a building structure with a tuned liquid column damper based on the real-time hybrid testing method

In this study, the real-time hybrid test using a shaking table for the control performance evaluation of a U-shaped tuned liquid column damper (TLCD) controlling the response of earthquake-excited building structure is experimenttally implemented. In the test, the building structure is used as a numerical part, on which a U-shaped TLCD adopted as an experimental part was installed to reduce its response. At first, the force that is acting between a TLCD and building structure is measured from the load cell attached on shaking table and is fed-back to the computer to control the motion of shaking table. Then, the shaking table is driven such a manner that the error between the interface acceleration computed from the numerical building structure under the excitations of earthquake and the fed-back interface force and that measured from the shaking table. The control efficiency of the TLCD used in this paper is experimentally confirmed by implementing this process of shaking table experiment on real-time.     

Modified liquid column damper for vibration control of structures

A modified version of the traditional tuned liquid column damper (TLCD) absorber is proposed as a passive vibration control device for structures vibrating at low frequencies. This new version, denoted as tuned liquid column ball damper (TLCBD), is equipped with a coated steel ball, in place of the orifice in TLCD, immersed inside the horizontal column of the damper. The current study examines the performance of TLCBD for a harmonic excitation which is a simplified model for the vortex shedding forces on structures in the cross wind direction. A parametric study to investigate the effect of the ball size and absorber mass on the suppression capacity is carried out. The absorber damping characteristics is identified experimentally using a single point laser vibrometer system and the measured damping factor is used in the mathematical model. Intensive numerical simulations were conduced and the results are compared with the traditional TLCD with optimum parameters. The results revealed an improvement of the vibration suppression capability of the proposed version that exceeds around 66% reduction.     

采用半主动TMD的建筑结构振动控制研究

为了改善在建筑结构中采用调频质量阻尼器（简称TMD）进行抗震时抗震效果不稳定和抑制频带窄等缺点，研究了变阻尼半主动调频质量阻尼器（简称STMD）。为了使阻尼变化容易实现，在设计激励力时采用了阶跃函数方式；同时还考虑到变动阻尼应在一定范围内进行的特点，提出了含约束的结构振动半主动控制方案；在控制策略方面，考虑到地震的随机性，引入了广义预测控制方法。从实例分析可知，采用STMD可以使设计质量、刚度和阻尼值分别下降约30％，90％，90％。计算仿真结果表明，采用STMD的抗震效果比TMD要好得多。     

The vibration performance experiment of Tuned Liquid damper and Tuned Liquid Column damper

Tuned Liquid damper and Tuned Liquid Column are kind of passive mechanical damper which relies on the sloshing of liquid in a rigid tank for suppressing structural vibrations. TLD and TLCD are attributable to several potential advantages —low costs; easy to install in existing structures; effective even for small-amplitude vibrations. In this paper, the shaking table experiments were conducted to investigate the characteristics of water sloshing motion in TLD (rectangular, circular) and TLCD. The parameter obtained from the experiments were wave height, base shear force and energy dissipation. The shaking table experiments show that the liquid sloshing relies on amplitude of shaking table and frequency of tank. The TLCD was more effective control vibration than TLD.     

高耸闪蒸塔调谐质量阻尼减振技术的数值分析

针对高耸闪蒸塔在强风作用下振动响应过大的问题,将调谐质量阻尼器（TMD）减振技术应用到高耸闪蒸塔风振控制中,以保证设备运行安全并延长其使用寿命.通过Matlab数值模拟,研究了TMD安装后闪蒸塔顶端的风振能量减少率以及寻找最优参数.在此基础上,总结了能量减少率等值线图,可以通过协调二者的关系来解决TMD运行空间有限的难题.研究结果表明：TMD可以有效控制高耸闪蒸塔进行风振响应,在最优匹配参数下,TMD能够降低闪蒸塔的顶端振动能量约47.07％,为工程实际应用提供了一定参考.     

半主动TMD控制双跨轴系过临界振动的研究

针对多轴串联机械通过临界转速时振动过大的问题,对调谐质量阻尼器在双跨轴系振动控制中的应用进行了研究。并基于转子结构,设计了具有对称结构的笼式半主动调谐质量阻尼器用于控制轴系振动;搭建了双跨转子实验台,在不改变转子轴系原有支撑形式上,在两根轴上分别安装了调谐质量阻尼器,对调谐质量阻尼器对轴系各跨转子振动的影响规律进行了实验研究。研究结果表明,不可控调谐质量阻尼器可以有效抑制安装所在轴临界转速附近的振动,对相邻轴影响较小,但会引起新共振峰。根据此实验结果通过开关控制策略实现调谐质量阻尼器半主动控制,说明半主动调谐质量阻尼器可以在不停机的情况下,抑制转子轴系通过各阶临界转速时的振动,避免失谐。