李亞峰 李壽英 陳政清

摘要：慣質(zhì)是一種新型兩節(jié)點(diǎn)單元，可產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其物理質(zhì)量的表觀質(zhì)量。將慣質(zhì)單元與調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）相組合，系統(tǒng)研究了旋轉(zhuǎn)慣質(zhì)雙調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（RIDTMD）的減振性能。首先，采用單自由度結(jié)構(gòu)體系，對(duì)RIDT-MD進(jìn)行全參數(shù)H∞與H2優(yōu)化，得到RIDTMD各結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)值;然后，以某光熱電站吸熱塔為研究對(duì)象，采用最優(yōu)的RIDTMD結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了RIDTMD對(duì)該塔橫風(fēng)向與順風(fēng)向風(fēng)致振動(dòng)的控制效果，并與傳統(tǒng)的TMD減振效果進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明：調(diào)諧質(zhì)量相同的情況下，RIDTMD系統(tǒng)的減振效果比TMD更好;減振效果相同的情況下，RIDTMD的調(diào)諧質(zhì)量比TMD的調(diào)諧質(zhì)量最大可減小40%。

關(guān)鍵詞：風(fēng)致振動(dòng);振動(dòng)控制;調(diào)諧質(zhì)量阻尼器;慣質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU311.3;0328文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4523（2020）02-0295-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.02.009

引言

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）是一種附加于主結(jié)構(gòu)的被動(dòng)減振裝置，廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。TMD結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化（包括最優(yōu)頻率和阻尼比）主要采用兩種方法：H∞和H2方法。其中，H∞方法以降低主結(jié)構(gòu)的最大振幅為目標(biāo);H2方法以降低主結(jié)構(gòu)所有激勵(lì)頻率下的總振動(dòng)能量為目標(biāo)。

慣質(zhì)是一種新型兩節(jié)點(diǎn)單元，Smith在2002年首次提出這一概念。慣質(zhì)單元兩節(jié)點(diǎn)問(wèn)的作用力與其相對(duì)加速度成正比，正比例系數(shù)稱(chēng)為表觀質(zhì)量，該表觀質(zhì)量遠(yuǎn)大于其物理質(zhì)量。2012年，Ika-go等運(yùn)用滾珠絲杠裝置研發(fā)了慣質(zhì)和阻尼單元并聯(lián)再與彈簧串聯(lián)的復(fù)合減振系統(tǒng)（調(diào)諧黏滯質(zhì)量阻尼器，Tuned Viscous Mass Damper，TVMD），通過(guò)理論與試驗(yàn)兩種手段驗(yàn)證了TVMD良好的減振性能。隨后，Garrido等將TVMD系統(tǒng)代替TMD中的阻尼單元，提出旋轉(zhuǎn)慣質(zhì)雙調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Rotational Inertia Double Tuned MassDamper，RIDTMD）的概念，并對(duì)RIDTMD系統(tǒng)進(jìn)行了H∞結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究。Javidialesaadi和Wierschem進(jìn)行了RIDTMD系統(tǒng)的H2結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，并以最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了地震作用時(shí)程分析，結(jié)果表明：RIDTMD系統(tǒng)的減震效果比傳統(tǒng)TMD更好。當(dāng)給定調(diào)諧質(zhì)量時(shí)，確定RIDTMD系統(tǒng)需要4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，文獻(xiàn)[11-13]結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究中并沒(méi)有對(duì)RIDTMD系統(tǒng)的表觀質(zhì)量結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且時(shí)程響應(yīng)分析針對(duì)地震激勵(lì)。

本文以風(fēng)荷載作用為基礎(chǔ)，對(duì)RIDTMD系統(tǒng)進(jìn)行了H∞與H2全參數(shù)優(yōu)化研究;以參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)，針對(duì)某光熱電站吸熱塔，研究了RIDTMD系統(tǒng)對(duì)該塔橫風(fēng)向和順風(fēng)向風(fēng)致振動(dòng)的控制效果;比較研究了RIDTMD系統(tǒng)與傳統(tǒng)TMD系統(tǒng)的減振性能。

1RIDTMD結(jié)構(gòu)體系

主結(jié)構(gòu)附加傳統(tǒng)TMD減振系統(tǒng)的模型示意圖如圖1（a）所示，主結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)分別采用ms，ks和Cs表示，TMD的調(diào)諧質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)分別采用md，kd和cd表示;主結(jié)構(gòu)附加RIDTMD減振系統(tǒng)的模型示意圖如圖1（b）所示，除TMD減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)md，kd和cd外，還包括表觀質(zhì)量mr、表觀質(zhì)量剛度kr。主結(jié)構(gòu)和調(diào)諧質(zhì)量均具有豎向自由度，可由其豎向位移xs和xd表示，表觀質(zhì)量自由度可由mr和kr連接點(diǎn)的豎向位移xr表示。設(shè)主結(jié)構(gòu)所受的外激勵(lì)為f（t），附加RIDTMD系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程為

從圖11與表4中看出，結(jié)構(gòu)順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下，與調(diào)諧質(zhì)量相同的TMD相比，RIDTMD系統(tǒng)使結(jié)構(gòu)的振幅和均方根減振率分別提高2.65%和2.05%，RIDTMD系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)TMD更好的減振效果;u=0.8%時(shí)RIDTMD系統(tǒng)的減振率和u=1.0%的TMD系統(tǒng)大體相當(dāng)。

5結(jié)論

采用H∞。與H2方法，對(duì)RIDTMD系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，采用優(yōu)化得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以某吸熱塔為工程背景，比較研究了RIDTMD和傳統(tǒng)TMD系統(tǒng)的橫風(fēng)向和順風(fēng)向減振效率，得到的主要結(jié)論如下：

（1）調(diào)諧質(zhì)量相同的情況下，H∞和H2優(yōu)化的RIDTMD的減振效果比傳統(tǒng)TMD分別增加20%和13%左右。

（2）相對(duì)采用RIDTMD系統(tǒng)進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)，運(yùn)用RIDTMD系統(tǒng)減小附加減振系統(tǒng)的調(diào)諧質(zhì)量更具有吸引力。優(yōu)化結(jié)果顯示：與TMD減振效果相同的情況下，RIDTMD系統(tǒng)的調(diào)諧質(zhì)量最大可減小40%。

（3）從時(shí)程分析結(jié)果來(lái)看，相比TMD系統(tǒng)，RIDTMD對(duì)吸熱塔減振效果提升并不顯著，但相同的減振效果下，RIDTMD的調(diào)諧質(zhì)量依舊可減小20%。