某市体育中心大、小罩棚安装调谐质量阻尼器后竖向减振效果研究

章润涛，付 磊，张兆辉

（1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210028；2.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

某市体育中心大、小罩棚的悬挑长度长达 30 m，尽管结构的强度满足要求，不会发生强度破坏，但钢结构本身具有自重轻、阻尼小、柔度大等特点，是典型的风敏感结构形式，极易在风荷载作用下引起结构共振现象，轻则会使人体感受不适，重则会导致钢结构屋盖整体掀毁和倒塌［1-8］。因此，对大、小罩棚进行现场振动试验与减振效果评价，为其优化设计和科学施工提供参考依据，同时为我国大跨度空间结构的建设和运营提供一定理论基础。

1 工程概况

该体育中心平面形状呈圆形，直径 258 m，主要由下部钢筋混凝土看台和屋面钢罩棚组成。钢结构屋盖划分为东、西两部分、呈蛟龙形态，龙头建筑高度约 55 m，龙尾建筑高度约 10 m，龙身起伏变化。楼盖体系采用现浇钢筋混凝土主、次梁结构，支撑屋面钢罩棚下部的框架柱采用钢骨混凝土柱，看台为现浇钢筋混凝土框架结构体系。体育场钢结构屋盖体系采用变截面径向钢梁—三向多点圆管支撑的结构形式，主要由变截面径向钢梁、环向联系杆、水平支撑和斜向支撑组成，体育场效果图如图1所示。

图1 体育场效果图

变截面径向钢梁为变截面H型钢梁，截面最大高度为 3 000 mm，最小高度为 1 000 m，钢梁长度最短为 2 111 mm，最长为 60 876 mm，最大悬挑长度为 27 m，径向钢梁间跨度约为 9 800 mm。变截面径向钢梁之间的连接杆件主要有环向连系杆和水平支撑杆，截面形式为Φ400 mmh 18 mm、Φ600 mmh 25 mm、Φ800 mmh 18 mm、Φ800 mmh 25 mm 和Φ800 mm h 80 mm。体育场刚性撑杆有圆管与劲性H型钢梁两种，其中西侧小钢结构屋盖的圆管刚性支撑截面为Φ800 mmh 18 mm，合计 200 根，劲性 H 型钢刚性支撑截面为 H300 mmh 200 mmh 8 mmh 12 mm，合计 48 根。东侧大钢结构屋盖的圆管刚性支撑截面为Φ800 mmh 18 mm，共有 166 根，截面为Φ800 mm h 25 mm的共有 6 根，劲性 H 型钢刚性支撑截面为H300 mmh 200 mmh 8 mmh 12 mm，合计 18 根。体育场钢结构屋盖各组成构件间连接方式如图2所示。

图2 各组成构件间连接方式图

调谐质量阻尼器（TMD）均布置于大、小罩棚屋盖变截面径向钢梁悬挑端的最前端，由于大、小罩棚屋盖径向钢梁端部高度不同，两侧 TMD 布置位置存在差异，TMD 的布置方式为：将两个大小形状相同的 U 型槽焊接在径向钢梁的腹板两侧，在 U 型槽下板相应位置留有固定 TMD 螺栓孔，将 TMD 吊装到相应位置后，通过螺栓将 TMD 与 U 型槽连接成整体。TMD 具体安装方式如图3、图4所示。

图3 小钢结构屋盖

图4 大钢结构屋盖

TMD 的安装过程为：预埋和留孔→阻尼器的安装→阻尼器高度调节→阻尼器就位固定。TMD 减振系统随结构安装，待整体结构安装完成后解锁 TMD 减振系统进行调试。

2 试验概况

2.1 调频质量阻尼器（TMD）的工作原理

将 TMD 连接到被控制的主体结构上，通过控制惯性质量和主体结构振型谐振，并将主体结构的能量传递给 TMD，从而抑制主体结构的振动，因此 TMD 的有效性主要取决于调频的精确性。TMD 系统是由主体结构及附加于主体结构上的子结构共同组成，其中子结构是由固体质量、阻尼器及弹簧减振器等组成，它具有质量、阻尼和刚度等参数。TMD 的调频主要是通过改变质量和刚度大小来调整子结构的自振频率，将 TMD 的自振频率设计成接近于主体结构的主要自振频率或激励频率。当主体结构受到激励而产生振动时，子结构会相应产生与结构振动方向相反的惯性力，并作用于主体结构上反向消减结构的振动，从而达到减振控制效果。

TMD 是通过调整子结构的动力特性来减小整体结构的动力特性，并非是借助于外部的能量，属于被动调谐减振控制体系。

2.2 调频质量阻尼器（TMD）的实际布置

为了减小钢结构屋盖在外界荷载作用下的振动情况，本项目在该体育场的大、小罩棚屋盖结构上共布置 5 种类型 TMD，自振频率分别为 0.80 Hz、1.00 Hz、1.25 Hz、1.75 Hz 和 2.00 Hz，均为竖向减振，详细 TMD 参数如表1所示。

表1 调谐质量阻尼器（TMD）参数汇总表

在大钢结构屋盖 3～5、7～9 轴之间布置 8 个 1.25 Hz 的 TMD，5～7、74～76、78～79 轴之间布置 10 个 2.00 Hz 的 TMD，76～78 轴之间布置了 4 个 1.75 Hz 的 TMD，79～2 轴之间布置 6 个 1.00 Hz 的 TMD；在小钢结构屋盖 36～39 轴之间布置 6 个 1.75 Hz 的调谐质量阻尼器（TMD），39～42 轴之间布置 6 个 0.80 Hz 的 TMD，42～44 轴之间布置 4 个 1.75 Hz 的 TMD，5 种类型的 TMD 布置如图5所示。

图5 TMD平面布置图

2.3 调频质量阻尼器（TMD）的测点布置

现场根据实际情况，采用动态信号采集分析系统，分别在II-35轴右侧钢梁的悬挑端、II-40 轴右侧钢梁的悬挑端、II-43 轴左侧钢梁悬挑端、II-1 轴左侧钢梁悬挑端、II-6 轴左侧钢梁悬挑端、II-8 轴左侧钢梁悬挑端和 II-77 轴右侧钢梁悬挑端布置 1 个振动测点，每个测点布置 1 个竖向加速度传感器。竖向振动测点布置示意图如图6所示，现场仪器布置实景如图7～8 所示。

图6 竖向振动测点布置示意图

图7 竖向振动测点布置实景

图8 数据采集系统实景

2.4 试验仪器

1）DH5927N 动态信号测试分析系统。最大分析频宽为 DC～100 kHz，平坦度（分析频率范围内）为＜0.1 dB，频率循环范围为 5～55～5 Hz，驱动振幅（峰值）为 0.19 mm。

2）941 B 型超低频测振仪。灵敏度为 0.3 v·s/m，最大里程加速度为 20 m/s2，通频带为 0.25～80 Hz。

2.5 试验内容及方法

在实际环境中，通过风荷载对体育中心大、小罩棚进行环境振动激励，从而测试安装调频质量阻尼器（TMD）前后情况下的竖向加速度。在大、小罩棚的 TMD 吊挂完成后，TMD 尚未开启时，采集其竖向振动响应的相应数据；TMD 开启后，再一次采集其竖向振动响应的相应数据。在数据采集过程中应尽量减少周围环境对试验的影响，尽量保证试验前后的外界环境一致。

现场测试时，首先检查传感器、信号线及数据采集箱是否正确安装，确定通道数，进行系统标定以及动态数据试采集。依据试采集的频率设定采样频率，采样前，对连续信号用低通滤波器滤波，使不需要的高频成分去掉；采样时，使采样频率fs≥2.56fc（fc是原始信号的截断频率），在此条件下，采样后的离散信号可以唯一确定原始连续信号。接着再正式采集数据并作数据处理，再对采集的数据进行波形分析、频谱分析。流程图如图9所示。

图9 振动特性测试原理及流程图

3 试验结果及分析

实时采集各测点在环境振动激励激发过程中的振动加速度，各测点位置采集过程中的最大实测值如表2所示。

表2 各测点的振动加速度实测最大值汇总表

1）II-1 钢梁在 TMD 作用下的减振率为 50.23 %，I I-6 钢梁在 T M D 作用下的减振率为 72.95 %，II-8 钢梁在 TMD 作用下的减振率为 79.02 %，II-77 钢梁在 TMD 作用下的减振率为 56.41 %，II-35 钢梁在 T M D 作用下的减振率为 86.73 %，I I-40 钢梁在 TMD 作用下的减振率为 85.9 %，II-43 钢梁在 TMD 作用下的减振率为 83.69 %。

2）对比各钢梁减振率可知，钢梁跨度越小，其增设阻尼器后的减振效率越好。

4 结 论

为了解调谐质量阻尼器（TMD）对大、小罩棚的减振效果情况，本文通过对竖向振动加速度的数据进行分析，得出如下结论。

1）TMD 可有效降低大、小罩棚的竖向振动，同时减小主体结构的抖动情况。

2）本项目中采用的 TMD 对钢梁的减振效果均在 50 % 以上。

3）本项目中钢梁跨度越小，TMD 的减振效果 越好。