高层建筑消能减震(务实应用)课件.ppt

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1、高层建筑减震和隔震新技术研究及其工程应用,报告人:吕西林对本报告有贡献人员还有：翁大根 陈清祥 周颖 周志光 鲁正 几位研究生同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海市消能减震工程技术研究中心,1,运用材料,我研究团队的主要研究领域,复杂高层建筑结构抗震研究 新型结构体系，动力分析与设计理论 构件试验，节点试验，振动台模型试验钢筋混凝土结构基本理论与应用 非线性数值分析，损伤评估理论可恢复功能抗震结构体系(Earthquake resilient structures)带有可更换构件的结构体系 带有可摇摆墙的结构体系 具有自复位功能的结构体系高层建筑消能减震研究及应用,2,运用材料,报告主要内容

2、,一、建筑结构组合消能减震的机理及实用新技术,二、新型组合基础隔震的机理与实用新技术,三、阻尼器连接相邻建筑物进行振动控制的新技术以减少相邻结构的破坏,四、高层建筑结构TMD控制系统研究及应用,五、高层建筑结构NES控制系统研究及应用,3,运用材料,一、组合消能减震支撑相关的基础研究及工程应用,本体系的特点是：作为梁柱间的支撑使用，增加体系的刚度和阻尼。橡胶支座和粘滞阻尼器组合消能；分级减震，小震时以橡胶支座为主，大震时以粘滞阻尼器为主；平面内外双向稳定。进行了系统的试验研究与理论分析及工程应用。,振动台模型试验照片,Xilin Lu,et.al,Dynamic analysis method

3、 of a combined energy dissipation system and its experimental verificationEarthquake Engng Struct.Dyn.2002;31:12511265,4,运用材料,Steel frame model on shaking table in testing带阻尼支撑的钢框架模型的振动台试验,Shaking table model test of R.C.frames with or without dampers 混凝土框架结构的对比试验,5,运用材料,Analytical model 分析模型,Beam,C

4、olumn,LRD,OD,Oil damper simulation,Rubber bearing Simulation,6,运用材料,消能减震阻尼器在小震和大震时的设计控制,根据我国“小震不坏”的设计原理，消能减震结构的阻尼器设计应该选择中震以上状态，在小震设计时不应该利用阻尼器的耗能特性。然而，在实践中，不计阻尼器耗能特性的小震设计不利于推广消能减震技术的工程应用。因此，本研究提出了如何在确保安全的条件下，实现在小震和大震时均考虑消能减震阻尼器作用的设计方法和控制指标，以与大家讨论。,7,运用材料,P,Frequent earthquake,Design basis earthquake,

5、Not allowed,Damping force-value,1.1 使用黏滞阻尼器时,Max considered earthquake,(4)f,m u 大震时的位移控制,f,m,(3)Ff,d Fd,max 大震时阻尼力控制,(1)0.3 非线性阻尼器,(2)Ff,d 0.5Fd,max 小震时阻尼力控制,8,运用材料,P,y1 Initial yielding deformation,y2 Allowable deformation under frequent earthquake,y3 Allowable deformation under design basis earthq

6、uake,max Deformation at ultimate capacity,u Allowable ultimate deformation(inter-story drift angle),Frequent earthquake,Design basis earthquake,Max considered earthquake,Not allowed,1.2 使用位移型阻尼器时,y,f,m,(3)f,m 20 y1 阻尼器的变形状态,9,运用材料,阻尼器减震支撑的工程应用(1)(同济设计),上海化工研究院10层钢筋混凝土办公大楼抗震加固(2001),10,运用材料,消能减震支撑的布置

7、,11,运用材料,10层钢筋混凝土办公大楼抗震加固现场照片,12,运用材料,上海港汇广场18层商办楼抗震加固，全国面积最大的加固改建工程30万平方米，经过1年多的方案比较，采用了阻尼器+支撑的方案，使用了88个阻尼器。(同济减震设计),原有结构10层,新加到18层,新型组合式消能减震体系的工程应用(2),13,运用材料,新型组合式消能减震体系的工程应用(3),同济大学土木大楼7层钢框架结构，采用本消能减震体系，是国内首次在全钢结构建筑中应用。(2004年，同济设计),阻尼器在现场安装照片,14,运用材料,主题馆结构平面布置示意图，平面尺寸：288米X180米(同济设计),一层,四层,柱,两层,

8、四层,四层,两层,四层,支撑布置处,工程应用实例(4)-上海世博会主题馆,15,运用材料,建筑面积8.1万平方米,当时为亚洲最大的单体展馆.,结构设计中存在的困难 由于建筑功能需要，结构绕Y轴布置不对称，扭转反应大。288m长不设缝，但温度应力可能很大，造成不必要的浪费。,16,运用材料,阻尼器橡胶支座组合消能减震体系示意图,设置传统支撑时，构件内力很大,设置阻尼器支撑时，构件内力很小,17,运用材料,上海世博主题馆阻尼支撑现场安装照片(2008.11.10),18,运用材料,工程应用实例(5)-汶川地震中受损房屋的加固都江堰市燃气公司办公大楼。(2009年，同济设计),加固修复要求:抗震能力

9、从原7度提高到8度；尽量减少加固的工作量。,19,运用材料,阻尼支撑的示意图,20,运用材料,现场阻尼支撑和节点加固的照片,21,运用材料,工程应用6：四川省罗江县人民医院门诊综合大楼消能减震工程，设防烈度由7度0.10g升至8度0.20g，建筑面积：26567m2。(同济设计),工程应用7上海市静安区市西中学教学楼消能减震加固工程。(同济设计),22,运用材料,工程应用8：四川省都江堰中学消能减震加固工程，设防烈度由7度0.10g升至8度0.20g，建筑面积：60000m2；该校框架结构的建筑均全面采用消能减震方式加固，其“工期短、造价低、建筑空间影响小”等优势得到充分体现。2010年6月至

10、8月约六万平方米的校舍在80多天工期内顺利竣工，近5000名师生在2010年9月1日按时开学。该项目为目前全球最大规模集中采用消能减震加固的单项工程。(同济设计),23,运用材料,工程应用（9）同济大学百年校庆新建综合楼采用油阻尼器支撑（56组）,模型试验中阻尼器布置,实际工程中阻尼器布置,24,运用材料,上海移动通信有限责任公司万荣局通讯用房，是一幢地下一层、地上九层的现浇钢筋混凝土框架抗震墙结构房屋，乙类建筑,抗震扭转变形不满足要求,拟进行加固，但加固时不能影响正常使用。经过多方案比较，采用了带有消能减震作用的支撑，而没有采用加大截面、增加剪力墙等传统方法。,位移型阻尼器（金属屈服型）的应

11、用工程应用（10）(2005年，同济设计),25,运用材料,位移型阻尼支撑布置示意图,阻尼器,26,运用材料,阻尼器现场安装照片,位移型阻尼器的试验及滞回曲线,27,运用材料,工程应用(11)某办公-住宅楼加固,原设计和施工不满足规范要求，5层以上已有居民住进，为避免影响621层的正常使用、降低施工影响，缩短施工工期，因此在15层商办用房部分采用位移型阻尼器+支撑进行加固。,阻尼器在15安装示意图,现场阻尼器安装照片,28,运用材料,工程应用(12)中国妇女活动中心二期工程酒店新建工程（9层）,为解决酒店的平面不规则及竖向不规则等所造成的结构特性不佳，甚至不符合规范的要求的地方，采用设置位移型

12、阻尼器，以增加酒店的抗震性能。,在一层至九层各楼层短向分别设置两组阻尼器，共18组阻尼器。,29,运用材料,现场阻尼器安装照片,原型阻尼器试验及滞回曲线,30,运用材料,工程应用(13)北京协和医院新建医疗保健病房楼,病房楼平面尺寸约为3199米，地上共12层。结构设计标准采8度抗震设防烈度，主要结构构件在中震地震力下不屈服，设防措施为9度。,为了实现结构的合理性和经济性，采用了钢框架消能支撑结构方案，并选择采用位移型阻尼器。经优化设计后，采用的软钢阻尼器数量为78个，结构的用钢量降低到约110kg/m2，全楼约4200吨。经分析比较，采用钢框架软钢阻尼器+支撑方案，共节省约1400万元。,3

13、1,运用材料,阻尼器现场安装照片,阻尼器原型试验,32,运用材料,14.A Tall Office Building with Low Yielding Metal Dampers,Built in Xichang,Sichuan ProvinceSteel reinforced concrete frame-RC shear wall system15 stories,Total height:59.3m高层建筑框架-剪力墙结构办公楼,Design intensity 9Basic earthquakes PGA=0.40g M.C.earthquakes PGA=0.62g Site so

14、il:Type II Characteristic period:0.35s,(成都市院设计，同济计算分析),高烈度区工程应用实例,33,运用材料,A Tall Office Building with Low Yielding Metal Dampers,X-direction,Y-direction,选择7组地震波作为输入进行分析,34,运用材料,71 low yielding metal dampers with bracings,Low yielding damper低屈服软刚阻尼器,A Tall Office Building with Low Yielding Metal Damp

15、ers,35,运用材料,Dampers on typical floor,红色线条表示阻尼器位置,A Tall Office Building with Low Yielding Metal Dampers,36,运用材料,Inter-story Drift of the Tall Building(层间位移角),X-direction,Y-direction,A Tall Office Building with Low Yielding Metal Dampers,37,运用材料,Typical Behavior of the Metal Damper on 9th Floor under

16、 El Centro Wave with MCE level,X-direction,Y-direction,阻尼器在整个结构中的模拟还需要更精细化！,A Tall Office Building with Low Yielding Metal Dampers,38,运用材料,阻尼器均采用钢支撑的连接方式。与阻尼器连接的钢支撑截面为Q345的H500 x200 x10 x16、H500 x200 x16x16和H500 x200 x24x24工字钢。本工程已于2012年12月建成。,A Tall Office Building with Low Yielding Metal Dampers,3

17、9,运用材料,二、新型组合基础隔震的机理与实用新技术,滑动支座+橡胶支座双重组合,滑动支座+橡胶支座+阻尼器三重组合,40,运用材料,本技术不同于以前的单一隔震系统，它由橡胶支座与滑动支座构成组合基础隔震系统。特点：滑动支座主要承受竖向荷载，橡胶支座主要承受地震作用，适用于高层建筑隔震。优点：隔震效果提高20%以上，造价可降低10%以上。,2.1 新型组合基础隔震系统的振动台试验与分析,振动台模型试验照片,41,运用材料,在滑动之前:,滑移隔震器的恢复力特性,在滑动过程中：,为双线性有库仑阻尼器的滞回恢复力。,为滑动支座粘滞阻尼器的粘滞恢复力。,+,42,运用材料,理论计算值与试验值对比（时程

18、曲线及滞回曲线）,43,运用材料,2.2 在日本的工程应用：日本Hirakata高层建筑（24层，2002年3月建成）,目前在日本已有18个高层建筑工程应用，2011.3.11地震中经受了考验，效果很好。,44,运用材料,新闻中心巨型屋盖,空中餐厅,2.3 在重大工程的应用:上海国际赛车场-新闻中心和空中餐厅,2004,主看台,比赛控制塔,新闻中心平面示意图。(上海院设计整个工程，同济减震设计),45,运用材料,2011年3.11日本大地震中屋盖支座的破坏,46,运用材料,一个柱顶上的支座布置,为解决温度应力和大震下的结构安全问题，采用了组合隔震支座，用具有滑动功能的盆式支座承受竖向压力，用橡

19、胶支座进行复位和消能减震，以确保正常使用和大震时的结构安全（40个支座，2004年8月建成）。,47,运用材料,上海某4层办公、住宅框架结构组合隔震介绍,1、工程概况：位于上海市郊，占地约2500m2，地下两层，防潮层层高1.8m，可以兼做隔震层；地下室层高5.7米，地上两层，层高为5.3m和4.7m，为钢筋混凝土框架结构。,结构外围右侧局部邻水，水面比地下室低0.3m。主体平面布置如图1所示，结构平面布置横向纵向均不对称，平面呈三折线形，结构质量与刚度分布不均匀，在地震作用下结构将产生较大的扭转变形。,48,运用材料,9度降为7.5度：弹性滑板-120个；黏滞阻尼器-30个；橡胶支座-32个

20、。,49,运用材料,输入SHW1、SHW2、SHW3时程记录得到层间剪力情况,50,运用材料,输入SHW1、SHW2、SHW3时程记录得到层间剪力情况,51,运用材料,橡胶支座,黏滞阻尼器与滑移支座,隔震建筑外貌,同济团队进行隔震设计和分析，江欢成设计事务所设计整个工程（2007-2012）,52,运用材料,随着橡胶等隔震材料性能的提高及相关技术与理论的成熟，基础隔震技术的应用开始从中低层建筑向高层甚至超高层结构发展。,Kanagawa，Japan41 层,Osaka，Japan54 层,Grozny，Russia40 层,2.4 基础隔震正在从低层向大型复杂和高层结构发展核心技术：组合隔震；

21、抗拉支座,53,运用材料,隔震结构振动台试验振动台试验是研究结构地震反应和破坏机理最直接的方法，也是研究与评价结构抗震性能的重要手段。目前针对隔震结构的振动台试验重要集中于中低层结构。由云南省地震局实施的玉溪公租房建设项目6号地块B户型模拟地震振动台试验是目前高度最大的有工程背景的基础隔震高层结构振动台试验。该结构高89.9米，结构最大高宽比3.97，缩尺后模型高度7.19m。,54,运用材料,试验模型 试验模型上部结构采用7层钢框架，X向单跨布置，宽0.9m，Y向双跨布置，总长2.1m。每层高0.9m，总高6.3m。X、Y向高宽比分别为5和3。结构总重约16.56t，直接与台面固定模拟非隔震

22、结构，通过6个橡胶支座（LRB）支撑模拟隔震结构。支座位置在Y向隔震后高宽比为3，在X向可通过移动位置实现隔震后高宽比为5和7。试验重点研究高宽比为5和7时的隔震效果及抗倾覆措施。,大高宽比橡胶支座（LRB）基础隔震高层结构振动台试验（同济大学团队，2013-）,55,运用材料,试验支座试验用支座选用G4普通铅芯叠层橡胶支座，支座直径为80mm，铅芯直径16mm。支座预制24件，并进行标准竖压试验（设计应力为8MPa）及剪切应变为50%和100%的剪切力学性能试验，选取性能最为接近的12件支座作为试验用支座，并每6件分为一组，当进行完X向高宽比为5的隔震结构试验后为保证支座无性能退化和残余变形

23、，需更换支座完成X向高宽比为7的隔震结构试验。,表1 试验支座几何参数Table1 Geometric parameters of test bearings,56,运用材料,试验概况,非隔震结构,H/B=5隔震结构,H/B=7隔震结构,数据采集 各层加速度和位移反应、柱剪切应变、支座各向荷载与位移响应等数据。,试验内容,地震激励,57,运用材料,试验结果模态分析,Fixed,H/B=5,H/B=7,58,运用材料,加速度响应（design basis earthquake）,Taft,El Centro,Chi-Chi,对于大高宽比高层结构，采用基础隔震仍可有效减小结构加速度响应(减小到基础

24、固定时的24.6%29.3%)，各激励下加速度响应包络值随隔震后高宽比增大而增大。,59,运用材料,支座动力响应(rare earthquake level,MCE)剪切应变,支座剪切应变随高宽比增大略有增加，Chi-Chi地震作用下支座剪切应变超过100%。,支座应力,支座压应力随隔震后高宽比增大而增大，罕遇水准地震作用下支座出现拉应力，支座需可靠的受拉性能。,Taft,El Centro,Chi-Chi,60,运用材料,TLRB性能特点 1.抗拉 2.限位保护 3.恢复力补偿 4.预压延迟受拉屈服，提高阻尼 技术特点 1.安装简便 2.弹簧刚度可调 3.限位可调,研发了具有抗拉功能新型隔震

25、支座（TLRB）,61,运用材料,性能试验水平刚度特性 在拉剪状态时，TLRB支座水平等效剪切刚度大于采用相同橡胶体的LRB支座。受拉极限 LRB支座在拉应力达到2.3MPa左右受拉破坏，TLRB支座在达到受拉限位变形后仍可继续承受拉力。,equivalent horizontal stiffness(under tension),Limiting tensile performance,62,运用材料,支座采用TLRB，按照与采用LRB相同方法进行振动台试验，其中TLRB支座所用叠层橡胶体与LRB支座几何及力学参数完全相同。楼层加速度采用TLRB支座的基础隔震高层结构加速度响应与LRB具有相

26、同规律，且对应层加速度响应包络值基本小于采用LRB，尽管出现拉应力，但远小于支座抗拉设计值，高宽比到达7时也安全可靠。,采用抗拉支座（TLRB）高层结构基础隔震振动台试验,H/B=3 H/B=5 H/B=7,63,运用材料,支座剪切应变,TLRB支座剪切应变小于同工况下LRB支座,支座应力,TLRB具有可靠的受拉承载能力,64,运用材料,【竣工】2013 年3 月【事業主体】旭通丁目地区市街地再開発組合（理事長 新井東光）【所在地】兵庫県神戸市中央区【敷地面積】8,367.81（全体）【延床面積】92,937.68（住宅棟商業施設棟駐車場棟）【設計】環境再開発研究所東急設計織本構造設計【施工】

27、株式会社大林組【構造規模】RC造、一部鉄骨造（免震構造）地上54 階、地下1 階【総戸数】640 戸（非分譲46 戸含）【住戸専有面積】41.18 119.81（1LDK3LDK）【売主】住友不動産株式会社,City Tower 神戸三宮（54F超高层隔震）,日本冯德民提供,65,运用材料,隔震层设计,LRB滑板粘滞阻尼器,高度：175.9m平面：39x42.7m高宽比：4.5,隔震后结构周期,日本冯德民提供,66,运用材料,抗震设计目标,日本冯德民提供,67,运用材料,抗风（荷载）设计,免震层顺风方向：139.8mm免震层垂直风方向：39.7mm,日本冯德民提供,68,运用材料,三、阻尼器连

28、接相邻建筑物进行振动控制的新技术以减少相邻结构的破坏,特点是利用两个结构自振特性的差异，通过阻尼器的连接形成藕联体系，降低整个结构的动力反应。研究结果表明，用阻尼器所连接的两个结构的地震反应可明显降低（19982003）。工程实例表明，减震效果在36%以上。,1995年阪神地震中过街楼倒塌实例,69,运用材料,工程应用实例，2005,上海世茂国际广场60层超高层建筑(塔顶高333 m)，10层裙房(高49.6 m)。结构设计中碰到的问题裙房偏心特别严重，结构层间位移角很难满足设计规范要求。初步设计时拟用钢拉杆连接裙房与主楼。,主楼,钢拉杆,裙房,华东院设计整个工程，同济设计消能减震系统。,70

29、,运用材料,振动台模型试验中发现，主楼和裙房的振动很不协调，裙房扭转效应显著，在大震时原设计的钢拉杆拉断，或从混凝土梁上拉开撕裂，不能满足大震时的抗震要求。,The application of a new structural control concept for tall building with large podium structureXilin Lu,et.al,Engineering Structures 29(2007)18331844,71,运用材料,选择油阻尼器代替原有钢拉杆，以连接裙房与主楼，以减少裙房的地震扭转反应和塔楼的风振反应。设计参数阻尼器数量:40 个=0.

30、15 C=250最大阻尼力:500kN,600kN阻尼器安装位置:裙房7楼到10楼（四个楼层）这是当时国际上使用阻尼器的规模最大的工程。,阻尼器在现场安装好的照片,72,运用材料,4.1 伺服电机驱动 TMD 控制系统(国家发明专利“发电机耗能可调谐质量阻尼器”，专利号：ZL 02 1 45115X)The system is composed of tuned mass,tuned springs,and tuned damper(using servomotor).,Mass,Roller,Servomotor,Track,Spring,四、高层建筑结构TMD 控制系统研究及应用,73,运

31、用材料,装有TMD装置的3层钢框架振动台试验,试验结果表明,结构的地震反应可以显著降低。控制装置的阻尼和输入地震波的频谱对控制效果有明显影响。根据试验结构建立了分析模型，分析结果与试验值符合较好，可以用来预测实际结构的反应。,74,运用材料,Huangpu river,Application to Shanghai World Financial Center Tower(上海环球金融中心),75,运用材料,Stories:101 floorsHeight:492m Location of the vibration control devices:394m(Floor 90)Vibratio

32、n period:6.0s(X direction)6.3s(Y direction)2.2s(Torsion)Damping ratio:1%(wind),4%(earthquake)（阻尼比）Moving mass:150 t/set（运动质量）Amplitude of moving mass:1.1m（质量块运动振幅）,Shanghai World Financial Center上海环球金融中心,2008年5月30日安装及调试全部完成,76,运用材料,Damper 1,Damper 2,Damper locations阻尼器位置-90层,Vibration control using

33、ATMD and site measurements on theShanghai World Financial Center Tower,(2014),Xilin Lu,et al,Struct.Design Tall Spec.Build.23,105123,77,运用材料,Tendon,Frame,X Y truss,Roller screw,AC Servo motor,Vibration transfer joint,Period adjust device,Frame,Frame,Moving mass 150 t,Outline of the vibration control

34、 device by Mitsubishi,Japan(日本三菱生产),78,运用材料,Device adjustment and inspection photos in construction site,May 1,2008(现场设备调试时的第3方监测),79,运用材料,无ATMD时90层Y方向加速度振动波形（damping ratio:0.422%）Structural response attenuation with TMD OFF(Y direc.)TY=6.502 sec.,有ATMD时90层Y方向加速度振动波形（damping ration 3.404%）Structural

35、 response attenuation with TMD ON(Y direc.)TY=6.502 sec.,80,运用材料,无ATMD时90层X方向加速度振动波形（damping ratio:0.459%）Structural response attenuation with TMD OFF(X direc.)TX=6.398 sec.,有ATMD时90层X方向加速度振动波形（damping ratio:3.865%）Structural response attenuation with TMD ON(X direc.)TX=6.398 sec.,81,运用材料,建筑高度-632 m

36、结构高度-575 m结构体系-外围巨型框架+外伸桁架+内部核心筒结构构件-外围RC巨柱内配型钢，RC核心筒内配型钢。楼盖体系-钢梁+压型钢板混凝土楼板主要功能 办公，酒店，商业，观光等,TMD design for wind resistance of Shanghai Tower(上海中心大厦TMD设计应用),82,运用材料,TMD位置示意图（RWDI提供）,悬挂质量TMD减振装置，悬挂高度20 m，调谐质量1400 t,83,运用材料,TMD系统参数(扩初阶段),位置:124层 标高:573.9m质量:1400t（主质量块1200t，摆动框架200t）质量比:mx=my=1.72%刚度:k

37、x=683.68kN/m ky=692.93kN/m阻尼系数:cx=99.17kNs/m cy=115.14kNs/m单摆摆长:Lx=20.13m Ly=19.86m（取20m）阻尼系统:8根液压粘滞阻尼器 阻尼器与楼面的夹角:45 等效线性阻尼系数:Ceq=53.58 kNs/m,84,运用材料,结构风振时程响应,加速度响应最大值(Y方向),85,运用材料,4.2 Test of Magnetic Damping System电涡流阻尼系统研究及应用,Small Scale Model Test,By Shanghai Research Institute of Materials,2012

38、,Middle Scale Model Test,By Shanghai Research Institute of Materials,2012,Test of Magnetic Damping System电涡流阻尼系统,结构模型+电涡流TMD的振动台减震效果试验,5层框架模型+电涡流TMD验证性试验，输入多组地震动,振动台试验对比录像,88,运用材料,Magnetic TMD in Shanghai Tower上海中心应用电涡流阻尼系统减振精细分析,TMD Parameters,Magnetic TMD in Shanghai Tower上海中心应用电涡流阻尼系统减振精细分析,Dampi

39、ng Ratio of Magnetic TMD,Protection Devices,上海中心悬挂电涡流TMD计算审核(经优化后TMD=1000t，悬挂在顶层),总体模型,总体模型俯视图,TMD、限位环和护板,模型局部放大,91,运用材料,ABAQUS模型与SAP2000模型,图 1 ABAQUS模型 图 2 SAP2000模型,有限元分析模型（翻转过来看底部）,92,运用材料,上海中心悬挂电涡流TMD计算审核,阻尼为位移的函数,某条大震波作用下TMD和限位环之间撞击力的大小,TMD碰撞动画,93,运用材料,Full Scale Site Test of the TMD Vibration

40、in Shanghai Tower,July 15,2015 现场实体试验录像,1000 t 质量快被拉动到初始位移为90 cm,Full Scale Site Test of the TMD Vibration in Shanghai Tower,July 15,2015 现场实体试验数据,Measured:TMD:f1=0.1099 Hz,damping ratio=0.072 Main structure:fx1=0.1070 Hz,fy1=0.1076 Hz,damping ratio=0.01,颗粒阻尼器的概念 是一种简单而高效的被动控制装置，利用固体颗粒与主体结构碰撞时引起的动量交

41、换和能量耗散来减小系统的振动。目前主要使用在航空航天，机械工程领域（涡轮叶片，切削机床，火箭引擎涡轮系统等）。土木工程的应用不多：灯柱，高层，悬索桥塔。,颗粒阻尼器的优缺点优点：耐久性好，可靠度高，对温度变化不敏感，易于用在恶劣环境（比如真空，高温，严寒，腐蚀性环境等）缺点：碰撞时产生噪音和冲击力，非线性系统太复杂导致减振机理还没完全搞清楚，尚无实用的设计方法。,4.3 颗粒阻尼器的研究及工程应用,96,运用材料,Parque Araucano 楼在2010年智利地震中表现良好，地上和地下结构均没有任何破坏。,采用颗粒阻尼器的实际工程及在强震中的表现,97,运用材料,附加颗粒阻尼器的三层钢框架

42、振动台试验,附加很小质量比（2.25%）的颗粒阻尼器能减小主体结构的响应，尤其是均方根响应，说明能耗散掉很大部分的地震波输入能量。,Shaking table test of the effects of multi-unit particle dampersattached to an MDOF system under earthquake excitationZheng Lu,Xilin Lu,et al,Earthquake Engng Struct.Dyn.2012;41:9871000,98,运用材料,颗粒阻尼器结构控制特性：有控结构与无控结构在开始的一段时间内，响应重合，经过一定

43、时间后，有控结构的响应才更快地衰减。这与调谐质量阻尼器类似，前期减振效果不理想，后期效果变好。其原因是颗粒与容器壁的碰撞的产生需要一定的时间，经过一定的碰撞后，颗粒阻尼器通过动量交换的方式，开始消耗地震波输入的能量。,Parametric studies of the performance of particle dampersunder harmonic excitation,Struct.Control Health Monit.2011;18:7998,Zheng Lu,Sami F.Masri and Xilin Lu,99,运用材料,是颗粒与主体结构的碰撞力,对于主体结构,对于颗粒

44、,接触力模型（线性）：,运动方程：,颗粒阻尼器系统的理论分析,100,运用材料,计算值和试验值对比：吻合良好,参数研究：有效动量交换，碰撞和摩擦引起的系统能量耗散，任意颗粒速度的互相关函数是能有效揭示颗粒阻尼器最优工作性能的全局化的显式指标。,Studies of the performance of particle dampers attached to atwo-degrees-of-freedom system under random excitationZheng Lu,Sami F Masri and Xilin Lu,Journal of Vibration and Contr

45、ol,17(10)14541471,101,运用材料,当控制效应最好（系统响应最小）时，能量耗散值和动量交换值最大。,(d)动量交换,(b)响应的等高线,(c)能量耗散,(a)系统响应,102,运用材料,附加颗粒调谐质量阻尼系统(PTMD)的气弹风洞试验(鲁正博士主持试验和分析,2015.6),模型选取：第三阶段风振控制Benchmark模型，取自澳大利亚墨尔本建造 的76层306m高的钢筋混凝土塔式结构。缩尺比：1/200，质量比1%。,103,运用材料,风场类型,0,15,30,45,60,75,90,B类、C类、D类,气弹风洞试验,颗 粒 调 谐 质 量 阻 尼器,风攻角,风速,颗粒直径

46、质量比颗粒材料腔体颗粒质量比腔体尺寸腔体类型缓冲材料调谐频率TMD对比,3m/s,3.5m/s,4m/s 4.5m/s,5m/s,附加很小质量比（0.5%1%），颗粒调谐质量阻尼系统（PTMD）能减小主体结构的风振响应，横风向风振响应减振率为（30%50%）。且随着风速增加，减振效果变好。,104,运用材料,横风向加速度,横风向位移,均方根减振效果随质量比变化关系,均方根减振效果随风速变化关系,105,运用材料,整体上，颗粒数目的减少会降低阻尼器的减振效果。当无颗粒时，退化为同等质量的TMD，减振效果变差。,附加PTMD(腔体颗粒质量比0.0625)与附加TMD时程对比,106,运用材料,附加

47、TMD减振效果,附加PTMD减振效果,TMD和PTMD在一定条件下均有良好的减振效果，TMD的减振效果随风攻角的变化会产生较大波动，而PTMD在不同角度下均有良好的减振效果，减振效果较TMD优且稳定。,非调谐状态下（失调+15%），PTMD也具有良好的减振控制效果（30%）。,鲁正，王佃超，吕西林，颗粒调谐质量阻尼器系统对高层建筑风振控制的试验研究，建筑结构学报，36(11),2015.11,107,运用材料,非线性能量阱(NES)的概念 NES是一种非线性的被动控制装置，利用其附加质量的非线性恢复力-位移关系将能量从低阶模态传递至高阶模态，提高能量耗散效率减小系统的振动。最早用于抑制航空技术

48、中气弹材料的振动和去除声学系统中的噪音。近年来，针对建筑结构的研究越来越多。,非线性能量阱（NES）的优缺点优点：可以与多阶模态发生共振，对结构频率不敏感。缺点：减振效果与输入能量的大小有关。,轨道非线性能量阱(NES)研究及试验应用,五、高层建筑结构NES控制系统研究及应用,108,运用材料,轨道非线性能量阱 轨道非线性能量阱(track NES)通过特殊设计的轨道对主体结构产生非线性回复力。轨道可视为主体结构的一部分。质量块在轨道上运动到每一点对结构产生的回复力取决于轨道形状。,单边碰振轨道非线性能量阱 Single-Sided Vibro-Impact(SSVI)track NES 在轨

49、道的单端加入止动装置，质量块在一侧自由运动，在另一端与止动装置发生碰撞。止动装置与主体结构固定，在质量块与制动器接触时，由于非弹性碰撞消耗大量能量，同时由于非线性的动力效应加速能量耗散。,Track Nonlinear Energy Sink,109,运用材料,非线性能量阱的六层钢框架振动台试验,N.E.Wierschem,J.Luo,M.A.AL-Shudeifat,S.Hubbard,R.Ott,L.A.Fahnestock,D.D.Quinn,D.M.Mcfarland,B.F.Spencer Jr,A.Vakakis,and L.A.Bergman,“Experimental test

50、ing and numerical simulation of a six-story structure incorporating a two degree of freedom nonlinear energy sink.”,质量块直线运动,110,运用材料,非线性能量阱的九层钢框架冲击荷载试验,N.E.Wierschem,S.A.Hubbard,J.Luo,L.A.Fahnestock,B.F.Spencer Jr,D.D.Quinn,D.M.McFarland,A.F.Vakakis,and L.A.Bergman,“Experimental Blast Testing of a L