华中科技大学硕士学位论文摩擦摆TMD减震结构的动力分析与试验研究姓名：潘琴存申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：熊世树20061109I摘摘 要要 结构振动控制是土木工程行业的一门前沿研究课题，该技术的发展为结构提供了一种行之有效的减震新途径。调谐质量阻尼器是一种有效的被动控制装置。目前，世界范围内已有许多工程结构安装了调谐质量阻尼器进行减震控制。它与传统的抗震设计相比，能够充分发挥结构材料本身的性能，有效地减轻震害，并且确保了居住的舒适度。 摩擦摆调谐质量阻尼器（FPS-TMD）是一种新型的调谐减震装置，它具有良好的自限、复位功能和摩擦耗能等性质。本文通过分析,获得了 FPS-TMD 的自治振动特性和恢复力模型，并且阐述了 FPS-TMD 的设计方法。 本文建立了 FPS-TMD 减震结构的动力反应方程， 介绍了求解动力方程的数值方法， 并且利用有限元软件 SAP2000， 对某四层钢框架在安装 FPS-TMD 前后进行了时程分析。分析结果显示 FPS-TMD 能够有效地减小结构的动力反应，在正弦激励下顶层反应峰值的减小在 30%左右；在地震激励下顶层反应峰值的减小在 10%以上，最大达到 25%。 并且在地震激励下， FPS-TMD 减小结构反应的均方根比峰值更加有效，在 20%以上。频谱分析显示，FPS-TMD 能够有效地减小所控频率带内的反应。 本文设计制作出了一个 FPS-TMD，对装有 FPS-TMD 的四层框架结构进行了振动台试验。结果表明，当激励频率接近结构受控自振频率时，FPS-TMD 能够有效地减小结构的动力反应和抑制结构共振，减震效率在 50%以上。试验结果与有限元结果比较吻合，这证明了本文有限元分析方法的准确性和可靠性。 本文采用的分析方法和研究结果为 FPS-TMD 减震的深入研究提供重要参考。 关键词：关键词：减震结构 调谐质量阻尼器 摩擦摆 有限元分析 振动台试验 减震效果 IIAbstract Structural vibration control is an advancing front research subject of civil engineering. The technology provides a new effective seismic reduction means for structure. Tuned mass damper is an effective passive control device. Currently, in the world, there are many tuned mass dampers installed in constructions for energy dissipation and vibration control. Compared with the traditional seismic design, the technology itself can give full play to the performance of structural materials, can effectively reduce earthquake damage, and ensure a comfortable living. Friction pendulum system typed tuned mass damper is a new seismic reduction device. It has the ability of self-limited and restoration, and uses friction between the slide and mass to dissipation energy, provides the necessary damping. This paper analyzes the composition and mechanical model of the device, gets its dynamic mechanical properties and basic parameters. And then, how to design a FPS-TMD is introduced in the paper. In this paper, the dynamic equation of a structure with FPS-TMD is established. In order to solve the dynamic equation, Newmark numerical method is introduced. And using the structural finite element software SAP2000, do non-linear time-history analysis of a four-storey steel frame with and without the FPS-TMD. Results show that FPS-TMD can effectively reduce the structural dynamic response. Under the sine wave, the response of top level decreased about 30%, under earthquake, the response decreased above10%, maximum to 25%. And the mean square root of the response decreased above20%, more effective than that of the peak point of structural response. Spectrum curves of the results show that FPS-TMD can reduce the response of controlled frequency, and have a certain effect on high mode. One FPS-TMD is designed and produced according to its design parameters. And shaking table test is done on the structure with FPS-TMD. The result shows that FPS-TMD can decrease the response of the structure above 50%, when the frequency of the input wave is similar to the frequency of controlled structure. The Device can effectively control the resonance of structure. Shaking table test prove the seismic control of the FPS-TMD to be effective. Compared with the results of the test and finite element IIIanalysis, it is found that they are tally with each other, and which proved the finite element method used in this paper to be accuracy and reliability. The analytical method used in this paper and the research findings give reference for further research on FPS-TMD. Keywords：Seismic Reduction Structure Tuned Mass Damper Friction Pendulum System Finite Element Analysis Shaking Table Test Effect of Absorbing Vibration 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密 ， 在 年解密后适用本授权书。 不保密 。 本论文属于11 绪绪 论论 1.1 引言引言 地震是人类面临的主要自然灾害之一，它具有突发性和毁灭性的特点1。我国是世界上地震灾害发生比较频繁、地震活动最为强烈的国家之一。强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。大量的国内外震害均表明，地震中建筑物的大量破坏与坍塌，是造成地震灾害的直接原因。 传统的抗震设计是以“抗”为主要途径，通过增加材料用量、加大结构断面、提高建筑物自重，以保证结构本身具有足够的强度、刚度和延性，使所设计的建筑物做到“小震不坏，中震可修，大震不倒” ，从而达到减轻地震灾害的目的。这样不仅使工程造价大大提高，而且还存在着许多问题和缺点，发生突发性超烈度地震时，房屋可能会严重破坏，安全性难以得到保证2。 随着社会的不断发展进步，工业系统以及房屋内的仪器设施向着高精度技术迅速发展，如计算机系统、高度自动化工业系统、通信系统、急救指挥系统、医院医疗设备、核电设施等，这些都对建筑物抗震设计的安全性和适用性提出了更为严格的要求。采用传统的抗震设计方法已不能够适应这些具有特殊要求的设施和高烈度区的工程建设的使用要求1。 因此，研究更加安全、经济、可靠的结构新体系，提高工程结构的抗震防灾能力，是目前工程结构抗震领域的一门主要课题，对有效地减轻地震灾害有着重要的现实意义。 结构振动控制技术就是适应这一需求而产生并且迅速发展起来的。它是在建筑结构的特定部位，装设某种装置（如隔震支座） ，或某种机构（如消能支撑，消能剪力墙，消能节点，消能器等） ，或装设某种子结构（如调频质量等） ，或施加外力（外部能量输入） ，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程结构在地震的作用下，其动力反应明显减少，得到合理的控制，确保结构本身及结构中的人、仪器、设备、装修等的安全和处于正常的使用环境状况3。 21.2 结构振动控制研究概况结构振动控制研究概况 结构振动控制是通过对结构施加控制系统，使它与结构共同抵御外动荷载的作用，以协调和减少结构动力反应。 自从日本学者 Kobori 和美国学者 Yao 分别于上世纪六七十年代提出结构振动控制的概念以来，结构振动控制在世界范围内引起了广泛的关注，开创出了结构振动控制的新局面，目前已成为结构工程领域最具前沿性的发展方向之一，并且在实际