建筑结构的阻尼研究.ppt

建筑结构的阻尼研究,主讲人：施卫星 教授,土木工程学院结构工程与防灾研究所,建筑结构的阻尼研究,一、建筑结构的阻尼研究 二、舒适度与阻尼三、阻尼减振,建筑结构的阻尼研究,采用的仪器及分析系统传感器 Lance系列压电式加速度传感器，灵敏度为49V/g，量程为0.1g，频率范围为0.05-500 Hz，分辨率0.000002g。SVSA系统（同济大学结构工程与防灾研究所）由传感器、多通道采集仪和基于VB.net开发平台的采集分析软件构成。SVSA系统主要由信号采集和信号处理两个模块组成。,建筑结构的阻尼研究,建筑结构的阻尼研究,理论基础采样定理与采样方式 奈奎斯特定理：一个在频率 以上无频率分量的有限带宽信号，可以由不大于 上均匀时间间隔上取值唯一地加以确定。工程中一般取 的采样频率进行采样。为了保证功率谱识别结果的准确性，希望达到16次以上平均，所以要保证足够长的采样时间。,建筑结构的阻尼研究,数据分析与处理 脉动试验的基本假设是建筑物的脉动是一种各态历的平稳随机过程。半功率点法：,钢筋混凝土框架结构的阻尼,概述对31幢钢筋混凝土框架房屋进行动力特性现场实测，主要测试结构各阶频率和对应的阻尼比，并对被测房屋的结构现状进行描述，记录内容将包括结构层高、层数、建造年代、设计单位、用途、裂缝及其分布、沉降等信息。测量结构横向和纵向两个方向的振动数据预处理（去初始项、去直流项、去趋势项）,结构概况 瑞安楼是由同济大学建筑设计研究院设计，2000年7月竣工，建筑面积1.3万平方米，分南北两部分，北翼为教师，南翼为研究生院总部，层高3.5m，南北体段之间设8层高中庭，采用两台蓝色科技型观光电梯，在中庭东端上下。平面尺寸长40m，宽30m。,钢筋混凝土框架结构的阻尼,纵向时域曲线,横向时域曲线,纵向功率谱,横向功率谱,钢筋混凝土框架结构的阻尼研究,建筑抗震设计规范（2010年版）中规定，除专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05。日本规定钢筋混凝土结构的阻尼为0.03。,西安地区钢筋混凝土结构,日本地区钢筋混凝土结构,各类结构自振频率统计,砌体、底框结构框剪、剪力墙结构框架结构(填充墙多)框架结构(填充墙少)超高层结构,几幢高层建筑的自振特性,上海金茂大厦：420.5m，0.167Hz，0.831%上海森茂大厦：203.35m，0.283Hz，2.37%上海建设大厦：173.1m，0.469Hz，3.22%上海凯旋门大厦：100m，0.557Hz，1.36%上海环球金融大厦：492m，0.157Hz，0.42%,环球金融中心90层激振至5gal后自由衰减运动（无TMD，阻尼比0.459%),环球金融中心90层激振至5gal后自由衰减运动（有TMD，阻尼比3.865%),考虑舒适度时建议的阻尼比选择,多层建筑：0.030.05钢筋混凝土结构高层：0.010.02钢-混凝土组合结构高层：0.0050.01超高层：0.0050.01钢结构高层：0.0050.01,舒适度与阻尼,振动与舒适感对于建筑物来说，舒适感主要是指人在绝大部分时间内感受不到建筑物的振动。因此，满足振动舒适度要求的振动加速度水平往往和振感阈值有关，振感阈值给出了大多数建筑物发生不可接受的振动加速度水平的下限，对于可接受振动加速度水平的上限则在1倍到几倍振感阈值范围内变化，一个合理的上限取值依赖于振动的特性、持续时间、人在建筑物中所从事的活动和其它视觉、听觉诱导因素。,人对加速度的感觉,随着城市化的加速，我国各大城市规划并建设了高密度住宅、工业、商业区域。不可避免的会在铁路周边、道路、高架等有振动影响的区域也出现了高层建筑。由于现代建材及施工技术的发展，越来越多的轻质高强的材料被使用。使建筑物具有阻尼和固有频率都较低，所以更容易受到地面振动的影响。,我国城市轨道交通发展十分迅猛:已有10个城市的轨道交通处于运营或试运营状态。在建线路长度超过了390公里。,地铁交通系统的发展也不可避免地对周围环境产生负面的影响，它引起的环境振动已成为公众反应十分强烈的环境污染源和社会公害，对居民的工作、生活乃至安全都产生了很大的影响。,振动传播路径,隧道结构,轮轨振动,周围土壤,降低振源激振强度轨道弹性扣件&轨道减振器&整体道床,建筑物基础,阻断传播途径开挖边沟&设置波阻块&增强土的刚度,建筑物自身减振建筑物基础&建筑内浮筑楼板&基底减振支座,3.振动实测-隧道内测点布置,隧道内,3.振动实测结果分析-隧道内,1.列车通过时，轨道处振动峰值加速度非常大，最大超过12000gal，约为12g；加速度有效值也在2000gal左右，约为2g；2.列车运行轨道处：竖向振动横向振动纵向振动，其中，竖向振动约是横向振动的2倍，纵向振动略小于横向振动；3.隧道半高处：横向振动竖向振动纵向振动，其中，横向振动是竖向振动的2倍多，竖向振动约是纵向振动的1.5倍；4.竖向振动由轨道传到隧道壁上，衰减较大，峰值衰减到85gal左右，有效值约为10gal。横向振动相对衰减较小，峰值为220gal左右，有效值约为25gal。纵向振动峰值在60gal左右，有效值约为7gal；5.列车开过时，轨道处振动频段较宽，竖向振动主要能量分布在150-300Hz，峰值出现在230Hz附近。在50Hz附近，功率谱亦有一个峰值。其他频段也有一定的能量分布；6.隧道壁上的竖向振动，能量主要分布在20-70Hz，峰值出现在45Hz附近。隧道壁上的横向振动，能量主要分布在20-100Hz，峰值亦出现在45Hz附近。纵向振动能量较小，分布频段较宽，峰值出现在430Hz附近。,建筑内,舒适度与阻尼,风荷载对建筑结构振动的影响1）.对航空管制塔中35 名男管制员的调查显示，最大加速度达到 2cm/s 2时，人员开始有感觉，超过3cm/s 2时有明显的振动感觉，超过5cm/s 2时有较强的振动感觉。2）.一栋高度115m的办公楼遭受台风时，调查到的其中37 名（男28 人，女9 人）居住者的反应是：（1）所有人感觉到摇晃，对摇晃的反应，女性比男性敏感。（2）最大加速度1cm/s 2时开始有感觉，超过2cm/s 2时有较强的振动感觉。（3）调查期间的最大加速度约为10cm/s 2，对这一程度的振动，不管男女，20 3 0%的人感到不安，50%的男性感到不快。,舒适度与阻尼,风荷载对建筑结构振动的影响3）.5 栋高层建筑中的1431 人经历台风的感觉是（根据分析估计此次建筑最大加速度是3040cm/s 2）：上层的人有头痛、晕船、不安的感觉。对本次台风导致的建筑振动，大约半数的人认为如果1年仅发生1 次还可以忍受，约1/3的人说再也不想遇到这种情况。,人的活动对建筑结构振动的主动影响 在这些日常活动中，有些行为由于存在冲击性而会引起结构的振动，如行走、跳跃等行为；而有些行为由于人体特殊的肌肉、内脏等弹性特点而会对结构施加阻尼作用，从而缓解己经存在的振动。这两种行为在建筑结构中同时存在，从而使得人致结构振动问题变得非常复杂。在办公室、候车大厅、人行天桥等一类仅限人类活动的结构中，由于目前结构的可实现跨度越来越大，材料越来越轻，结构基频越来越低，使得人行产生的振动往往引起结构中人的不舒适。人的主动行为会引起建筑物的振动，这主要是由于人在行走过程中的提足和落足行为会对结构产生冲击作用。,对竖向振动舒适度评价，国内外相关标准逐渐倾向于以峰值加速度为控制指标，如美国的Floor Vibrations Due to Human Activities(A ISC-11)和Minimizing Floor Vibration(ATC Design Guide 1)等。对楼面结构竖向振动舒适度要求进行评价，根据ATC要求，行走时舒适度竖向加速度推荐限值见表1，节律运动时竖向加速度推荐限值见表2。,表1 ATC推荐的行走引起的振动加速度限值,表2 ATC推荐的节律运动引起的振动加速度限值,奥林匹克国家会议中心大宴会厅L4桁架跨度大，人正常行走、跳跃时容易产生共振。尽管结构的强度满足要求，不会发生强度引起的破坏，但是因为结构共振引起的加速度的振幅过大，超过人体舒适度耐受极限，极易在人的心理上造成恐慌。经动力特性分析，确定采用TMD粘滞流体阻尼器（如左图）的减振方案，减振效果非常明显，满足了舒适度要求。,解决舒适度的方法阻尼减振,TMD示意图,阻尼减振,结构减振控制技术的分类结构消能减振技术结构被动调频减振技术结构主动调频减振技术,消能减振装置（阻尼装置）的分类,按建筑消能阻尼器分类,粘滞阻尼器30年，舒适度、减震金属屈服型阻尼器50年，减震屈曲约束耗能支撑50年，减震粘弹性阻尼器50年，舒适度、减震，环境温度对性能影响大。,阻尼装置的消能形式材料粘弹性消能阻尼器根据流体运动产生阻尼，当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力，是一种无刚度、速度相关型阻尼器。依靠变形时阻尼装置内部粘弹性材料的流动消能（见下图）。,某桥梁用粘弹性材料阻尼器,阻尼装置的消能形式材料塑性变形消能装置:软钢阻尼器利用钢材塑性变形吸收地震能量；性能稳定相关性较小，是一种较新型的阻尼器。,阻尼装置的消能形式材料塑性变形消能装置依靠变形时阻尼装置产生的塑性变形消能，常见钢质或铅质的各种阻尼器（见下图）。,软钢支撑阻尼器,铅棒阻尼器,可拆卸软钢板,屈曲约束耗能支撑,阻尼装置的构件形式支撑阻尼装置阻尼支撑可以代替一般的结构支撑，在抗震和抗风中发挥消能支撑的水平刚度和消能减振作用。具体形式包括方框支撑、圆框支撑、交叉支撑、斜杆支撑、K形支撑和双K形支撑等（见下图）。,阻尼装置的构件形式剪力墙阻尼装置 消能剪力墙可以代替一般结构的剪力墙，在抗风和抗风中发挥消能剪力墙的水平刚度和消能减振作用。具体形式包括竖缝剪力墙、横缝剪力墙、斜缝剪力墙、周边缝剪力墙、整体剪力墙和分离式剪力墙等（见下图）。,阻尼装置的构件形式连接阻尼装置在结构的缝隙处或结构构件之间的连接处设置阻尼装置，当结构在缝隙或连接处产生相对变形时，阻尼装置即可发挥消能减振作用（见下图）。,阻尼装置的构件形式节点阻尼装置在结构的梁柱节点或梁节点处安装消能装置，当结构产生侧向位移、在节点处发生角度变化或者转动式错动时，消能装置就可以发挥消能减振作用。（见下图）,阻尼装置的构件形式阻尼支承或悬吊构件对于某些线结构（如管道、线路，桥梁的悬索、斜拉索的连接处等），设置各种支承或者悬吊阻尼装置，当线结构发生振动时，支承或者悬吊构件即发生消能减振作用（见右图）。,阻尼装置的消能形式摩擦阻尼装置 依靠变形时阻尼装置产生的摩擦消能，常见摩擦消能支撑，摩擦节点（见下图）。,阻尼减振技术在工程中的应用,消能减振技术的工程实践消能减振技术适用范围广，技术容易实现，并且效果可以保证，在许多高层、超高层结构或复杂的多层结构、空间结构中都有应用。,同济大学综合楼,同济大学土木楼,屈曲约束耗能支撑工程应用,阻尼减振研究进展颗粒阻尼,颗粒阻尼器 一种利用在振动体中有限封闭空间内填充的微小颗粒之间的摩擦和冲击作用消耗系统振动能量的减振技术。优点：1.颗粒阻尼几乎不受温度限制，在金属熔点以下均可正常使用，也没有诸如材性退化与疲劳效应等问题；2.颗粒阻尼减振频带宽，在0-6000Hz均有一定减震效果，可以有效地抑制共振峰值，降低系统的共振频率；3.布置灵活，可以附加于结构构件的外部，也可以内嵌于结构中，且在任意夹层、内部空洞均可放置，不影响结构使用，也不会增加较大重量；4.所用颗粒取材廉价方便，一些普通建筑材料，如钢球、沙子、石子等均可使用。,颗粒阻尼器的理论分析 目前较通用的理论分析方法为考虑Hertz接触的离散单元法：它是将众多离散体划分成离散单元的集合，对每一个离散单元利用牛顿第二定律建立运动方程，再运用差分法求解每一个单元的运动方程，进而求得离散单元的整体运动形态。不同表面特性的颗粒对阻尼效果的影响 耗能系数，该系数越大说明颗粒在碰撞中耗能越显著，越适宜于用到颗粒阻尼器中。,不同表面特性的颗粒对阻尼效果的影响 下表列出一些材料的力学性能，并计算出了它们各自的耗能系数，与理论分析的损失因子比较接近，说明耗能系数确实可以代表所用材料的优劣程度。,颗粒阻尼器的实验验证 为了验证理论分析，我们制作了一个简单的实验，使用不锈钢和铁块制作的单自由度结构，分别在不加颗粒阻尼和增加不同颗粒的阻尼时让其自由振动，通过数据曲线比较它们的阻尼大小。结构的自振频率为1.66Hz。,颗粒阻尼器的实验验证,不加颗粒时，结构振动的阻尼比为0.4547%,颗粒阻尼器的实验验证,在容器中加入9个氧化铝球后，结构振动的阻尼比为0.9478%,颗粒阻尼器的实验验证,在容器中加入9个钢球后，结构振动的阻尼比为1.4073%,颗粒阻尼器的实验验证,最后我们通过实验验证了，在结构上局部掏空或附加一个空腔，装入适当的颗粒形成颗粒阻尼器后，可以帮助结构在振动中消能，具有良好的减振效果。,颗粒阻尼器的影响因素1）颗粒填充率和质量比 增加颗粒质量比能够减小主体系统的响应，但是相应的折减幅度并不随着质量比线性增加，而是当质量比达到某个值后不再增加。颗粒阻尼器的最佳填充率在30%-35%之间。2）外界激励频率和强度 外界激励频率接近于和大于主体结构的自振频率时，颗粒阻尼器能够在较宽的频段上抑制主体结构的振动响应，但是当外界激励频率远小于主体结构的自振频率时，阻尼器反而会产生一定的响应放大作用。随着激励强度增加，阻尼器的效率增加，但是当激励大到一定程度后，系统振幅不再受激励强度的影响了。3）恢复系数、摩擦系数 在实际设计中，应采用具有较高恢复系数的颗粒，以增加系统的抗震性能。滑动摩擦系数小的阻尼器减震效果会更好。,颗粒阻尼器的影响因素4）容器形状、阻尼器位置 圆柱体阻尼器的效果比长方形的要好。阻尼器的效果随着其位置相 对于地面的高度变高而变好。5）颗粒表面特性 随着弹性模量的增加减震效果是趋于上升的。随着屈服强度的增加，减震效果下降。塑性变形具有很强的耗能能力，而屈服点反映了材料抵抗塑性变形的能力，只要屈服点越小，则材料越容易发生塑性变形，从而储存在变形中的振动能量消耗越多，耗能因子越大。密度对能量损耗的作用随着密度的增加而增加。,阻尼减振研究进展单摆式TMD,单摆式TMD由单摆和阻尼器组成。工作原理为：将单摆的自振频率调整接近于主结构的控制频率，当外力（风力、地震力）作用于主结构上使之产生振动时，单摆产生与主结构始终反向的摆动，产生反向作用力作用于主结构上从而控制结构的震动，作用在主结构上的能量通过单摆式TMD消散。,单摆式TMD的优缺点,与传统的TMD相比，单摆式TMD目前的研究和应用都还比较少，因此发展的空间也比较大。与传统的TMD相比，单摆式TMD有以下的优缺点：优点：1、形式简单，便于设计；2、自振周期可通过调整摆长控制，便于根据主结构自振周期进行调整；3、一个阻尼器就可实现多自由度的震动控制。缺点：1、对于高层自振周期较大的，单摆需要的摆长较长，浪费空间；2、阻尼的施加还需要进一步的研究和优化。,实验名称：单摆式TMD的减振性能研究实验目的：通过给结构安装单摆式TMD达到减振消能的效果。给结构一个初位移，结构自振，测出结构的自振频率。然后安装单摆式TMD，再给结构一个相同的初位移，验证计算所得的最佳阻尼器最佳参数对结构的减振效果。实验装置：结构的主体部分为两张不锈钢板作支柱，不锈钢板的厚度为2mm，尺寸为700mm100mm，上端延长35mm和铁块连接。结构上端连接一个长方体的铁块，长宽高为200mm100mm35mm，质量为5.46kg。结构下端用角钢连接到两块长条钢板上。结构下悬挂一单摆，摆长8cm，单摆质量块质量0.1664kg。,实验步骤：步骤一：在实验场地组装好实验结构，底部和顶端都用螺栓固定牢靠。在结构的顶部给结构一个70mm的水平初位移，该位移沿铁块的长度方向。然后释放位移约束使结构自由振动，测定结构的自振周期，观察并测量结构顶部沿长度方向的水平位移的衰减情况，得出相关实验参数。步骤二：待第一次试验结束以后，安装上单摆式TMD，同样在顶部给结构一个初始位移，释放位移约束后使其振动，观察和测量结构顶部沿长度方向水平位移的衰减情况，得出相关实验参数。步骤三：对比两次实验结果，实验分析，得出实验结论。,无摆式TMD时振动曲线,安装单摆式TMD后的振动曲线,单摆式TMD的工程应用,-台北101大楼单摆式TMD,台北101大楼单摆式TMD悬吊于8792层之间。这个类似单摆的调频质量阻尼器，其直径约为5.5m，共由41层厚度125mm的圆形钢钣堆叠焊接组合而成，各层钢钣的直径则配合球体形状呈约2.1米5.5米的尺寸变化。整个球体由8组90毫米直径的高强度钢索，透过支架托住球体质量块的下半部，将660吨的载重悬吊支承于92层结构。此外，调质阻尼器支架周围也另设置了8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器，其功能在于吸收球体质量块摆动时之冲击能量，减少质量块的摆动。而为了避免强风及大地震作用时质量块摆幅过大，调质阻尼器下方则放置了一可限制球体质量块摆动的缓冲钢环（保险杠环），以及8组水平向防撞油压式阻尼器，一旦质量块摆动振幅超过1m时，质量块支架下方的筒状钢棒就会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。,台北101大楼单摆式TMD,调频质量阻尼器（TMD）的工程实践调频质量阻尼器由于原理简单而又行之有效，被广泛应用于高层、超高层建筑中，主要用于抵御风荷载及环境引起的振动。,上海环球金融中心及其施工中的TMD,台北101大楼及其TMD,调频液体阻尼器（TLD）的工程实践,调频液体阻尼器在工程中也被广泛应用，比如黑龙江广播电视塔（见右图）就采用TLD来进行风振控制。而且多高层建筑屋顶很多都设有储水箱，因此可以利用这些储水箱作为TLD，很有实际意义。,黑龙江广播电视塔,结构主动调频减振控制技术是一种很前沿的减振控制技术，还没有达到成熟的地步，因此应用较少。该技术同样主要用于高层结构或高耸结构的振动控制，如南京电视塔（见右图）的风振控制,结构主动调频减振技术的工程实践,南京电视塔,