框架结构-斜底式TLD减振体系的振动台试验研究

胡鸿亮 周占学 乔春蕾

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

框架结构-斜底式TLD减振体系的振动台试验研究

胡鸿亮 周占学 乔春蕾

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

使用同等质量的液体，斜底式TLD所产生的液体晃动力要比等效的普通箱型TLD大.基于振动台实验，测试斜底式TLD在建筑结构减振中的性能，实验表明，斜底式TLD对建筑结构的减振效果优于传统箱型TLD.

钢框架结构；TLD；斜底式；振动台试验；结构响应

0 引 言

在结构振动控制领域中，调频液体阻尼器(TLD)以其独特的优点成为研究的热点之一，它构造简单、造价低、易安装、维护少，自动激活性能好、容易匹配调频，能够取得较好的减振效果.然而，传统的箱型TLD由于液体波幅弥散的非线性效应而表现出硬弹簧的特性，与之不同的是，斜底式TLD由于水波在斜底面上运动所产生的非线性效应而表现出软弹簧的特性；更重要的是，使用同等质量的液体，斜底式TLD所产生的液体晃动力，要比等效的普通箱型TLD大，晃动液体质量比例的增加，使斜底式TLD在受到外部激励时能耗散更多的能量，减振效率大大增加[1-2].

基于振动台系统，分别测试无TLD、箱型TLD、倾角为45°的斜底式TLD三种装置控制下的六层钢框架减振模型在地震波激励下的结构响应，研究斜底式TLD的减振性能，为斜底式TLD设计及实际应用提供参考.

1 斜底式TLD研究现状

Gardarsson等人[1-2]用实验的方法测试了倾斜角为30°的斜底式TLD的减振性能.在试验中，外部输入激励频率与各自TLD频率相同，共振时所引起的最大激励加速度相同或相近时，箱型TLD所需要的液体质量是倾斜角为30°的斜底式TLD的两倍以上.也就是说，理想情况下，使用同等质量的液体，斜底式TLD所产生的液体晃动力是等效箱型TLD的两倍以上.

X.Deng等人[3]基于线性长波理论建立了不同几何形状TLD的理论模型，包括三角底、倾斜底(斜底式)、抛物线底和平底(箱型).通过理论计算分析，X.Deng等认为抛物线底TLD的全部液体和倾斜底TLD中几乎所有的液体都参与了晃动，是最有效的TLD箱体几何形状.然而抛物线底TLD技术难度大，施工复杂，而斜底式TLD简单易行，便于操作.

根据线性波动理论，箱型TLD中液体的第一阶晃动频率[4]可由式(1)给出：

(1)

式中，fw为TLD中液体的晃动频率，L为TLD沿外部激励输入方向的边长，ho为水箱中液体的深度，g为重力加速度.

箱型TLD中液体晃动频率可由公式(1)计算出，而斜底式TLD的晃动频率却很难给出具体的理论解，因为它有两个斜底面，在晃动的过程中，液体的边界是不固定的，Gardarsson等人用实验的方法给出了倾角为30°的斜底式TLD中液体晃动频率的实验值，但是对于每一个斜底式TLD如果都采用实验的方法来测定其晃动频率则相当繁琐.为此，D.E.Olson等人[5]给出了一个近似的公式解.

图1 斜底式TLD示意图

如图1所示，斜底式TLD的倾角为θ，水深为h0，箱体底部沿振动方向边长为L0，D.E.Olson等人定义L1如下式：

(2)

D.E.Olson等人用L1去代替公式(1)中的L，得到的结果与Gardarsson等人用实验得到的结果相比较误差较小，只有不到6%.随后，Yuxiang Xin[6]在他的博士论文中测试验证了倾斜角为5°到30°的斜底式TLD晃动频率的实验值和公式解，实验值与计算值误差均在6%以内，再次证明此公式有效，可满足工程需求.

国内学者楼梦麟等[7-8]根据坐标映射原理，定义L′=L/cosθ，并将L′称为“湿”长度，认为倾斜底TLD的晃动频率与水箱底面的“湿”长度有关，用L′替代公式(1)中的L，即可得到倾斜底TLD的晃动频率，随后通过试验研究得到的试验值与公式解曲线吻合较好，证明用“湿”长度近似计算斜底式TLD装置的自振频率是切实可行的.

2 试验仪器及试验模型

2.1 试验所用仪器

试验所用的WS-Z30振动台系统如图2和图3所示.

试验测试系统由振动台，结构模型，加速度传感器，数据采集和分析系统组成，如图4所示.

图2 振动台及六层钢框架 图3 振动台控制机柜

图4 试验测试系统

2.2 试验模型

试验模型如图2和图5所示，所用钢框架共六层，模型尺寸为每层层高83 mm，底座高8 mm，总高度506 mm，长188 mm，宽160 mm.钢框架模型每层板重263.2 g，每根杆+每个螺丝重10.9 g，每层配重+每个螺丝重26.7 g，则每层重为263.2+10.94+26.7=333.5 g.底座重649.8 g，则总重为333.56+649.8=2650.8 g.

图5 实验模型示意图

钢框架模型的自振频率采用自由振动法测定，用一定激振时间的白噪声进行激励，采集框架每一层的加速度响应，计算每层相对于最底层(台面)的传递函数，得出框架结构的频率响应，计算出振型，得出每阶自振频率.钢框架模型前三阶自振频率如表1所示.

表1 六层钢框架模型各阶自振频率(单位：Hz)

3 TLD水箱参数设计及地震波选取

3.1 TLD水箱参数设计

研究表明：保持频率比不变，TLD中液体质量与结构质量的质量比越大，TLD减振效果越好(但过大的质量比会增加结构自重，得不偿失)且质量比在1.5%到3%之间时，减振效果较理想[9].试验中，所有的TLD装置均设置在结构顶层的正中间位置，TLD水箱中液体与结构质量比为2.7%.

尽量满足斜底式TLD与箱型TLD中的水等体积等高，令L0=L-h0/tanθ.各工况下TLD设计参数如表2所示.

表2 各工况下TLD设计参数

3.2 地震波选取

表3 试验所用地震波及相关参数

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2条规定，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的三分之二.[10]

因此，选取两条实际强震记录和一条人工模拟的加速度时程曲线，所选地震波如表3所示.其中，地震波的卓越周期由地震动记录处理软件SeismoSignal分析得到的.

4 基于振动台试验的斜底式TLD减振研究

在钢框架模型顶部中间位置安装TLD控制水箱，如图6所示.为便于比较，实验输入地震波峰值均控制在0.1 g，计算结果如下：

图6 结构—TLD控制体系实验模型

图7 EI-Centro波作用下各层加速度峰值 图8 南京波作用下各层加速度峰值

图9 兰州人工波作用下各层加速度峰值

图7-图9分别为EI-Centro波、南京波、兰州人工波作用下结构各层三种工况下的加速度峰值比较.除了EI-Centro波作用下的二三层和南京波作用下三层外，TLD装置对结构加速度有着较好的振动控制效果.TLD对结构顶层的减振效果，EI-Centro波作用下箱型TLD可达到4.9%，斜底式TLD可达到7.2%；南京波作用下箱型TLD可达到18.9%，斜底式TLD可达到20.9%；兰州人工波作用下箱型TLD可达到26.9%，斜底式TLD可达到31.6%.

5 结论与展望

通过试验初步证明斜底式TLD对框架结构的减振效果要优于箱型TLD.除此之外，还得到以下结论：①即使TLD与结构频率不调谐，TLD装置依然有着一定的减振效果，且当外部输入激励频率接近结构频率时，减振效果最好；②TLD装置对结构各层的减振效果不尽相同，这与输入地震波的频谱特性(如卓越周期)以及结构的振型有关.

受实验条件所限，仅在结构上安装了加速度传感器，只采集了结构的加速度响应进行分析，且实验所用框架模型刚度较大、频率较高，后续研究需在选取合适结构模型上同时安装速度传感器和位移传感器，采集结构的速度响应和位移响应，以进行全面分析.

[1]Gardarsson,S；Yeh,H；Reed,D.An investigation of sloped-bottom tuned liquid dampers[外文会议论文].Kyoto，Japan：Proceedings of the 2nd World Conference on Structural Control，1998，v.1.2

[2]Gardarsson,S；Yeh,H；Reed,D.Behavior of sloped-bottom tuned liquid dampers[J].Journal of Engineering Mechanics.2001,127(3):266～271

[3]X.Deng，M.J.Tait.Theoretical Modeling of TLD With Different Tank Geometries Using Linear Long Wave Theory[J].Journal of Vibration and Acoustics.2009,131(4)：(041014-1)-(041014-10)

[4]G.W.Housner.The Danamic Behavior Of Water Tanks[J].Bulletin of the Seismological Society of America.1963，53(2):381～387

[5]D.E.Olson and D.A.Reed.A nonlinear numerical model for sloped-bottom tuned liquid Dampers[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics.2001，30(5):731～743

[6]Yuxiang Xin.Seismic Performance of Mass-Variable Tuned Liquid Dampers with Particles Fluidization in Building Applications[D].Rolla：University of Missouri-Rolla，USA，2006[7]米西亚.变质量TLD减震性能试验研究[D].上海：同济大学，2009

[8]楼梦麟，米西亚，丁晓华.倾斜底面TLD装置基频的近似计算方法与实验验证[J].振动与冲击，2011,30(S)：233～237

[9]孔令仓，李立，王泽军，杨兴健.调谐液体阻尼器对高层结构抗震性能的影响分析[J].建筑结构，2015,45(10)：80～84

[10]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

On Shaking Table Test of Framework System with Sloped-bottom TLD

HUHong-liang，ZHOUZhan-xue，QIAOChun-lei

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

Using the liquid with same quality,the liquid shaking force of sloped-bottom TLD is larger than that of equivalent box-shaped TLD.Based on the shaking table test,the performance of sloped-bottom TLD in the vibration reduction of the building structure is tested.The experiment shows that the seismic reducing effect of sloped-bottom TLD is better than that of traditional box-shaped TLD.

steel frame structure;TLD;sloped-bottom;shaking table test;structural response

2016-10-15

河北省教育厅重点项目ZD2015094/ZD20131094，2015年河北建筑工程学院研究生创新基金项目YCXB2015005

胡鸿亮(1990-)，男，2014级硕士研究生.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.001

TU 3

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