华中科技大学硕士学位论文矩形TLD结构振动控制研究姓名：陈招平申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：董平20051101I摘摘 要要 随着高层建筑和高耸结构高度和高宽比的增加以及轻质高强材料的应用，结构刚度和阻尼不断下降，这样的结构对于如风、波浪、地震等强激励是非常敏感的，而且很可能因为这样的激励而导致使人感到不适、房屋倒塌。而按照传统的抗风抗震设计方法， 即采用提高结构强度和刚度的方法来设计， 将十分不经济， 而且很可能不安全。这样结构振动控制应运而生，结构振动控制是利用设置在结构上的一些控制装置或机构，在结构振动时主动或被动地给结构施加一组控制力，以减小结构振动反应，按是否需要外部能源可分为主动控制和被动控制。本文研究的调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper, TLD)是被动控制的一种，它是利用固定水箱中液体在晃荡中产生的动水压力来提供减振力的一种装置。TLD 具有造价低，安装方便，维护简单等特点，而且可以兼做供水水箱用，具有广泛的应用前景。 本文首先概要地介绍了 TLD 的研究现状及工程实际运用，在全面了解 TLD 研究现状的基础上提出本文的研究内容和研究方法。然后，论文根据 Fujino 等提出的矩形TLD 减振基本原理建立了 TLD 中液体动水压力的控制方程，并采用有限差分法对矩形浅水 TLD 液体动水压力进行数值模拟。为了验证上述方法对 TLD 模拟的正确性以及 TLD 的减振效果， 论文对建筑结构利用 TLD 进行振动控制进行了试验研究。 最后，论文对一栋 91.0m 的高层建筑进行了结构振动控制设计，采用被动控制装置 TLD 来减少结构地震作用下的动力反应。通过对高层建筑结构-TLD 系统的动力时程分析可以得出采用被动控制装置 TLD 来控制高层建筑地震反应是一种经济、有效的控制方式的结论。 关键词关键词：结构控制 调谐液体阻尼器 动力响应 动水压力 高层建筑 IIAbstract With the increasing of the height and aspect ratio of the tall buildings and the application of the lightweight and high-strength material in civil engineering, the structural stiffness and damping are decreasing. In this way, the structure will be very sensitive to the strong load such as wind, wave, earthquake, etc, and will most likely result in making people feel uncomfortable or structure collapsing because of action of such load. The traditional earthquake-resistance method is improving the intensity and stiffness of structure, which will be very uneconomical and probably unsafe. Then structure vibration control arises at this moment. Structure vibration control is always installing some structural control devices in structure. When the structure is vibrating, the control devices exert a group of control force to the structure actively or passively, and the vibratory responses are reduced. Depend on whether needing external energy or not, it can be divided into active control and passive control. The Tuned Liquid Damping that presented in this text is one of the passive control devices. It is a rigid tank that using the hydrodynamic pressure of the tank to reduce the vibratory response. TLD has the characteristic of low fabrication costs, convenient installation, simple maintenance; it can be used in water tank, and have an extensive application prospect. This text introduces the state of the art and engineering application of TLD at first, proposes the research contents of this text and research approach on the basis of understanding in an all-round way the current research situation of TLD. Then the text formulates the governing equation of the movement of the water in the TLD based on the basic principle of the vibration suppression of the structure with shallow water TLD presented by Fujino. In order to verify the exactness of the simulation of above-mentioned methods of TLD, the text performs experimental study to the structure of the building. At last a computing example is presented for a tall structure using Tuned Liquid Damper (TLD) to reduce seismic response. The results show, for tall structure, the TLD system can reduce the seismic response efficiently and with the increase of the mass of water in TLD, the seismic responses of the structure-TLD are reduced obviously too. Keywords: Vibration control Tuned Liquid Damper Dynamic response Dynamic liquid pressure Tall structure 11 概概 述述 1.1 论文研究背景论文研究背景 随着社会经济的高速发展，城市人口的密度不断增长，城市用地也日趋紧张，高层建筑逐渐成为城市建筑的发展方向。而随着高层建筑高度和高宽比的增加以及轻质高强材料的应用，结构刚度和阻尼不断下降，这样的结构对比如风、波浪、地震等强激励是非常敏感的，而且很可能因为这样的激励而导致房屋倒塌、使人感到不适。而按照传统的抗风抗震设计方法，即采用提高结构强度和刚度的方法来设计，将十分不经济，而且很可能不安全。这样结构振动控制应运而生，土木工程结构振动控制的概念是1972年由J.T.P.YAO1提出的，至今只有三十几年的历史，但是取得的成果是显著的。特别是近年来，随着高层建筑及高耸结构的不断涌现，其在地震荷载和风荷载作用下的动力响应越来越受广大设计人员的关注。结构振动控制是利用设置在结构上的一些控制装置或机构，在结构振动时主动或被动地给结构施加一组控制力，以减小结构振动反应。按是否需要外部能源可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制四类2。被动控制也称无源控制，它不需要外部输入能量，仅通过控制系统改变结构系统的动力特性达到减轻动力响应的目的3。而主动控制的过程则依赖于外界激励和结构响应信息，并需要外部输入能量，提供“控制力”4。半主动控制也利用结构响应或外界激励信息，但仅需要输入少量能量以改变控制系统形态，达到改变结构动力特性从而减轻响应的目的。 混合控制(也称杂交控制)指的是上述三类控制的混合应用，在结构上同时施加主动和被动控制， 整体分析其响应， 既克服纯被动控制的应用局限，也减小控制力，进而减小外部控制设备的功率、体积、能源和维护费用，增加系统的可靠性。 近年来，一种被称为调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)的被动控制装置引起了广大研究者的注意，它是利用固定水箱中液体在晃荡中产生的动侧压力来提供减振力的一种装置。这种阻尼器具有很多优点：经济，基本上不增加或只增加很少的土建费用就可以达到减震的目的； 简单易行， 可方便地将盛水容器放置在建筑物上；2适合于短期和长期使用；较少的维护费用；多用途，利用水箱可同时作为供水装置和阻尼器5。 当建筑结构在风荷载或地震荷载作用下发生振动时将带动 TLD 水箱一起运动，而水箱的运动将使其中的水产生晃动、并引起表面的波浪，这种水和波浪对箱壁的动压力差就构成了对建筑结构的减震力。 根据水箱形状的不同，调谐液体阻尼器可以分为两类，第一类是矩形、圆柱形或圆环形的水箱(TLD)，第二类是一种 U 型形状的管状水箱(TLCD)；本文论述的主要是第一类中的矩形 TLD，在第一类 TLD 中根据水箱中液深与振动方向的尺寸之比，将其分为深水 TLD 和浅水 TLD， 液深与振动方向尺寸之比大于 1/8 的水箱为深水 TLD，否则为浅水 TLD6。 通过有关结构实例的计算研究710，我们可以看到，经过适当设计的调谐液体质量阻尼器(TLD)可以有效地减小结构的风振和地震反应。而且，从功率谱曲线可知，TLD 对于结构的能量耗散，主要集中在结构的基频附近，可见，TLD 对结构的低阶振型起主要的控制作用。 调谐液体阻尼器(TLD)作为一种被动控制装置，由于其众多优点，已成为振动控制中的一个热点。虽然液体质量阻尼器研究及应用时间不长，但已取得了重要的研究成果，其有效性已在实际结构的应用中得到证实。不过，调谐液体阻尼器的研究与应用尚且处于起步阶段，还有许多问题有待研究。例如建立更一般的既包括深水也包括浅水振荡的 TLD 计算模型(因水箱有时具有多用途)；进一步研究 TLD 多自由度体系在地震作用下的特性，包括理论和试验研究；实际结构中用 TLD 来减小地震反应，目前尚属空白。 本文在已有研究成果的基础上， 分别从试验和数值分析的角度对 TLD-结构系统作全面的分析，着重研究 TLD 多自由度体系在地震作用下的特性，得出了一系列结论，弥补了 TLD 研究领域的空白。 1.2 调谐液体阻尼器的研究现状调谐液体阻尼器的研究现状 本文所研究的调谐液体阻尼器Tuned Liquid Damp