大底盘多塔楼层间隔震结构TMD 混合控制研究

吴曼林

（广州城市职业学院，广东 广州 510405）

0 引言

一般来说，根据控制时是否需要外加能源，结构振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制[1]。混合控制是同时应用多种控制装置，发挥每种控制的优点，多管齐下，获得更理想的控制效果。调谐质量阻尼器（TMD）[2]是被动控制常见的装置，本文将调谐质量阻尼器（TMD）与隔震技术同时应用于建筑结构，形成了隔震减震混合控制系统。通过参与实际工程项目设计和研究，将平台花园作为TMD 质量块，作为于建筑结构。优化设计出TMD 基本参数，对比建筑结构无控制、被动控制、混合控制的减震效果。

本文的研究对象大底盘多塔楼结构，是指建筑底部的多层裙房未使用分隔缝而形成受力整体，建筑上部的多层塔楼的竖向荷载和水平作用均传递给底部裙房的结构。谭平等[3]将隔震技术引入此类结构，做了一系列的试验和研究。谭平等[4]还将智能磁流变控制技术应用到大平台多塔楼隔震结构中，研究了这种隔震体系的抗震性能，采用磁流变（MR）阻尼器技术应用于隔震层，探讨了这种新型隔震体系智能磁流变控制的减震效果。

笔者等[5]在前期工作中提出大底盘多塔楼结构的隔震减震策略，对比基础隔震、层间隔震两种方案减震效果；提出在层间隔震基础上，利用平台顶建成的花园作为TMD 质量块，对结构进行混合控制的策略。本文将深入研究调谐质量阻尼器（TMD）对大底盘多塔楼层间隔震结构的减震控制效果，验证混合控制策略的有效性。

1 混合控制运动方程

TMD 作用于大底盘多塔楼层间隔震结构，其运动方程如式（1）所示。

式中：M——整体结构的质量矩阵；C——整体结构的阻尼矩阵；K——整体结构的刚度矩阵；X——位移向量；——地面加速度；Mg——外部激励作用矩阵。

文献列出各矩阵示意，实现了结构整体刚度矩阵各子结构之间刚度解耦。

本文将裙房顶部平台花园TMD 视为与塔楼并列子结构，利用matlab 编写计算机模拟仿真程序，对工程实例的TMD 参数进行分析，进而设计TMD 基本参数，分别计算无控制、层间隔震、混合控制结构，在水平地震作用下，层间位移的控制效果。

2 工程实例

以某实际工程为研究对象，研究TMD 参数对层间位移和加速度控制效果的影响。建筑下部有三层大平台，上部设计两栋框架结构住宅塔楼。第四层为结构转换层，共11 层。结构各层重量和刚度如表1 所示。

表1 结构各层重量和刚度

该结构采用层间隔震技术，改善整个结构的动力特性，使底部三层平台和上部多层塔楼地震反应减小，整体抗震安全性提高。拟将平台花园作为隔震结构TMD，对结构进行混合控制。通过编制程序，计算对比无控制、层间隔震、隔震和平台花园TMD 混合控制的地震反应，得出相关结论。

3 TMD 参数分析

利用编制的matlab 程序，研究不同TMD 质量下，结构各层地震反应与TMD 的频率变化关系。根据工程场地特性，选取7 条符合要求地震波时程进行分析，计算结果取平均值。

（1）假定TMD 质量为总质量的3%，TMD 阻尼比取0.10。结构各层地震反应与TMD 的频率变化关系曲线如图1 所示。

图1 各层地震反应控制效果与TMD 频率关系（质量比3%）

由图1 可见，平台各层位移、塔楼位移和塔楼加速度的最优频率相同，但该频率和使平台加速度最优的频率不同。对于塔楼各层的位移和加速度控制，TMD 频率有最优值；而对于平台各层的位移和加速度控制，TMD 频率存在两个最优值。

（2）假定TMD 质量为总质量的15%，TMD 阻尼比取0.10。结构各层地震反应与TMD 的频率变化关系曲线如图2 所示。

图2 各层地震反应控制效果与TMD 频率关系（质量比15%）

当TMD 质量为总质量的15%的时候，控制效果大幅提高。层位移方面：对平台各层的控制效果已经接近25%；对塔楼的控制效果达35%左右。绝对加速度方面：对应于对层位移最大控制效果的TMD 最优频率，平台各层加速度的控制效果均有小于各层位移控制的控制效果；在TMD 对位移控制最优频率下第一、二层控制效果有限，对塔楼控制效果接近25%。

4 不同设计方案减震效果对比

根据前文分析结果，最终确定TMD 参数如下：频率3.5，质量比0.1，阻尼比0.10。利用编制的matlab 程序计算在TAFT 波、Elcentro 波和人工波作用下，在无控制、隔震被动控制、隔震和TMD 混合控制三种不同策略下，结构各层位移反应和控制效果如表2 所示。

5 结论

通过编制程序，分析TMD 参数对位移和加速度控制效果影响，设计TMD 参数，对结构进行减震效果分析，得出如下结论。

（1）通过优化TMD 参数，平台花园TMD 能进一步减小大底盘多塔楼层间隔震结构的地震反应。

（2）TMD 对位移控制效果优于对绝对加速度控制效果，对塔楼控制效果优于对大底盘控制效果。

（3）当TMD 质量从平台总质量的3%增加到15%的时候，控制效果大幅提高。

（4）工程实践可根据平台花园设计条件，优化TMD参数，以达到安全性和经济性最佳平衡点。