调频质量阻尼器(TMD)减振系统由弹簧、质量块和阻尼器组成,通过技术手段使其固有振动频率与主结构受控振动频率相近,安装在结构的特定位置,当结构发生振动时,其惯性质量与主结构受控振型谐振,来吸收主结构受控振型的振动能量,从而达到抑制受控结构振动的效果。减振原理见下图。
图1 TMD减振系统示意图
《建筑楼盖振动舒适度技术标准》对楼盖减振措施有相应的阐述,连廊和室内天桥可采用增加刚度、增加非结构构件、设置调频质量阻尼器等措施提高舒适度,当自振频率较小时,应优先考虑设置调频质量阻尼器的减振措施。当仅减小结构某一阶振型的振动时,可设置一种调频质量阻尼器,且宜安装于期望控制振型的峰值点附近;当结构振动包含多个振型时,可以设置多个调频质量阻尼器分别对不同的振型进行控制。
OpenSAUSG软件具有定义动力荷载时程函数和设置减隔震装置的功能,用户可以直接查看设置调频质量阻尼器后楼盖振动加速度的结果,参见如下算例。
以一个室内天桥结构为例,楼盖采用钢-混凝土组合楼盖,阻尼比取0.01。连廊跨度30m,宽度5m,楼面面积约150m²,舒适度设计时,连廊活荷载采用0.35kN/m²。将分割好楼板单元的模型导入OpenSAUSG,调整梁顶与板顶的偏心关系,模型如图2所示。
图2 结构模型
考虑楼盖的舒适度时,楼盖的振动相对较小,混凝土的弹性模量可以采用动弹性模量,即将混凝土的静弹性模量放大。对于钢-混凝土组合楼盖,混凝土的弹性模量按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》的规定数值放大1.35倍。软件中混凝土材料的参数设置见图3。
图3 材料参数设置
楼面荷载按照舒适度设计时的荷载值进行定义,静力荷载工况设置中的活荷载重力荷载代表值系数设为1,如图4所示。
图4 静力荷载工况设置
先对调整好的模型进行初始分析,设置足够的振型数,对于竖向振动舒适度设计,需满足竖向振型参与质量系数之和大于90%的要求。模型的第一阶竖向自振频率f1为2.991Hz,圆频率w为18.794rad/s,竖向振型参与质量系数为0.718,接下来将根据第一阶模态结果定义人群竖向荷载和阻尼器参数。分析结果如图5所示。
图5 初始模态结果
根据《建筑楼盖振动舒适度技术标准》第9章的公式计算人群竖向荷载激励,其中
图6 动力工况菜单
图7 动力荷载工况列表
图8 动力时程函数P1
图9 动力时程函数P2
当主结构的阻尼较小时,工程上常用Den Hartog在其著作中给出的调频质量阻尼器最优参数设计解析解来定义阻尼器的参数,即:
模型的调频质量阻尼器设置在楼盖中部,调频质量阻尼器的质量取主体结构振型模态质量的0.5%。则TMD质量:
图10 调频质量阻尼器的布置
图11 调频质量阻尼器的参数设置
规范要求验算振动峰值加速度,为了得到更加准确的楼面加速度计算结果,用户需要将分析输出设置中的位移输出间隔调整为0.01s,如图12所示。
图12 分析输出设置
为了考虑结构中阻尼器的影响,动力分析方法选用显式FNA方法,加载时间步长需满足规范要求,不宜大于1/(72f1)。计算参数设置见图13。
图13 计算参数设置
用户点击动力结果菜单,在节点位移菜单下可以查看任意时刻节点加速度的结果,由图14可见,设置调频质量阻尼器后,连廊结构在人群竖向荷载激励下的竖向振动峰值加速度为0.09m/s²,满足《建筑楼盖振动舒适度技术标准》中室内天桥的竖向振动峰值加速度限值。
图14 竖向加速度结果
选取楼板中间节点,对比设置调频质量阻尼器前后的节点加速度时程曲线,由图15可见,节点的竖向峰值加速度由0.33m/s²减小到0.09m/s²,调频质量阻尼器对本结构舒适度的改善作用明显,减振率达72%。
图15 节点加速时程曲线
(1)OpenSAUSG软件具有定义动力荷载时程函数和设置减隔震装置的功能,用户可以直接查看设置调频质量阻尼器后楼盖振动加速度的结果;
(2)当主结构的阻尼较小时,可以采用Den Hartog给出的调频质量阻尼器最优参数设计解析解来定义阻尼器参数,减小主结构的振动反应;
(3)对于连廊和室内天桥结构,当自振频率较小时,设置调频质量阻尼器可以有效的提高楼盖舒适度。
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