调谐混合水箱/质量阻尼器及其工程设置方法

　　结构物内的储水装置可被设计成调谐质量阻尼器(TMD)的质量块,文献[1～4]提供了国内外多个应用实例。其中,Xu等[1]提出的调谐液柱/质量阻尼器(TLCMD)是将U型水箱及其所储液体作为TMD的运动质量,来对结构物进行振动控制的。蓝文武[5]充分利用U型水箱背部空间,提出由调谐液柱阻尼器(TLCD)与调谐液体阻尼器(TLD)组成的混合水箱装置(MTLDs)来进行结构控制。本文结合TL-

　　CMD与MTLDs的优点,提出了一种新型调谐类阻尼器——调谐混合水箱/质量阻尼器(THMD),既充分利用了U型水箱的背部空间,同时体现出水箱装置作为调谐质量一贯的经济性与实用性。然而,与TLCMD相似,THMD内液体的动力效应会对整个调谐阻尼系统的控制性能产生影响。

　　此外,水箱的尺寸经常受到建筑物内部使用空间的限制,使整个系统难以达到其最佳的控制效果。鉴于此,本文利用TLCD、TLD与TMD相结合的方法综合考虑THMD的总体控制性能,同时提出运用最优动力方法对THMD进行工程设置,并展望本文结论对实际工程运用的贡献。

　　1　TMD、TLCMD与THMD

　　TLCMD与TMD的区别仅在于前者考虑液体晃动效应对TMD系统的影响;而THMD与TL-CMD的区别在于U型水箱的背部空间被用作TLD,使TLD与TLCD并联组成一个混合水箱。若将TMD、TLCMD、THMD系统分别安装在一个单自由度受控结构上,则各自计算模型,如图1所示。

　　2　TMD、TLCD与TLD的运动方程及参数

　　对照图1(a)所示的计算模型,当结构物受到刺激励时,TMD的运动方程可表示为：

　　3　结构-THMD系统运动方程

　　对照图1(c)所示的计算模型,当结构体受到激励后,其运动方程可表示为:其中:MS、CS与KS分别为结构的质量、阻尼与刚度,f(t)为作用在结构物上的外激励,fC为THMD对结构物的控制力,其作用表现为对结构系统的质量、阻尼与刚度矩阵的重组。联立式(1)(3)(5)和(7),可得出结构—THMD系统的运动方程:

　　仿真计算采用状态方程[8]模型,运用大型通用计算工具MATLAB中的状态方程工具箱求解系统的运动方程。

　　4.1　水的动力效应

　　如果按照普通TMD先选定刚度和阻尼(本例

　　易得的设置方法来设置THMD,水柱的晃动效应必然会降低THMD系统的控制效果。表1列出了普通方法设置的不同尺寸(L,l,h)的THMD、相应TMD、TLCD与TLD控制下结构响应峰值的对比情况。

　　由表1可知,混合水箱中的“TLCD”对THMD系统的控制性能起主导作用,而“TLD”则对系统起微调作用。当L为4～7 m,THMD控制下结构的响应峰值比普通TMD控制的情况大很多,其控制效果也差于TLD与TLCD;特别是L=4 m时,结构响应峰值接近无控状态。随着L的增大,结构响应峰值下降,当L>8 m时,THMD的控制性能优于TLD与TLCD;在L=12 m(l=5 m,h=0.16 m)时,THMD的控制效果最接近TMD。