陳 鑫, 李愛群, 王 洪, 周廣東

(1.蘇州科技大學 江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215011；2.北京建筑大學 土木與交通學院，北京 100044；3.東南大學 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，南京 210096；4.蘇州云白環(huán)境設備制造有限公司，江蘇 蘇州 215003)

采用環(huán)形TLCD的自立式鋼管結構減振試驗研究

陳 鑫1, 李愛群2,3, 王 洪4, 周廣東3

(1.蘇州科技大學 江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215011；2.北京建筑大學 土木與交通學院，北京 100044；3.東南大學 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室，南京 210096；4.蘇州云白環(huán)境設備制造有限公司，江蘇 蘇州 215003)

近年來自立式鋼管結構在動力作用荷載下的損傷和倒塌時有發(fā)生，調諧液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper, TLCD)作為一種調頻減振器，特別適用于高聳結構的振動控制。圍繞環(huán)形TLCD在自立式鋼管結構中的應用，介紹了環(huán)形TLCD的構造，并推導其力學模型，進而建立了自立式鋼管結構環(huán)形TLCD減振的動力方程。根據自立式鋼管結構試驗模型設計了試驗用的環(huán)形TLCD，并確定了加載與測試方案。針對自立式鋼管結構，提出了基于模擬退火算法的模型修正方法，并以底部轉動剛度和剛度修正系數為變量，以前3階實測頻率為目標，進行了算例研究，修正后的數值模型頻率最大誤差僅為1.74%。開展了環(huán)形TLCD減振試驗，并結合修正后的數值模型對試驗結果進行了比較分析。研究表明，試驗中采用的環(huán)形TLCD能夠使自立式鋼管結構等效阻尼比由0.013 4增加到0.026 7，從而有效減小了結構動力響應，且所編制的程序能夠一定程度預測該類減振結構體系的動力響應。相應的數值分析方法與模型試驗能夠為自立式鋼管結構環(huán)形TLCD的設計與應用提供參考。

高聳結構；環(huán)形TLCD；減振試驗；模擬退火算法；模型修正

近來，在風力發(fā)電塔、煙囪、通信塔等自立式高聳結構的建設中，越來越多地采用了自立式鋼管結構形式，這種結構形式具有力學性能好、外形美觀、占地面積小、工業(yè)化程度高等優(yōu)點。然而，伴隨這些特點同樣產生了長細比大、質量輕、阻尼小等不利于承受動力荷載的特性，使得自立式鋼管結構較一般高聳結構對風荷載更為敏感，由此引起的關鍵部位損傷[1]和結構整體倒塌[2-3]案例時有發(fā)生。因此，極有必要采取措施改善這類結構在風荷載等動力荷載作用下的安全性能。

對于高聳結構在風荷載作用下的響應控制，振動控制技術，特別是其中的調頻減振技術，是特別有效的技術措施。在一些重要的高聳、高層結構中，調諧質量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)等調頻減振裝置已經得到了成功的應用[4-5]。作為調頻減振技術的一種，調諧液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper, TLCD)是一種十分有效的減振器，其構造為U型液管，結構振動時引起管中液體振蕩，利用液體本身的阻尼耗散能量。Colwell等[6-7]的數值仿真分析表明，TLCD能夠有效抑制自立式鋼管結構的動力響應。近些年，針對TLCD的研究主要集中于新型TLCD的試驗和分析：霍林生等[8-9]先后提出了可用于抑制結構扭轉耦聯振動控制的TLCD控制體系和一種主動變剛度TLCD，并進行了試驗和理論的分析，驗證了它們對結構動力響應的有效抑制；Sarkar等[10]提出了一種TLCD與TMD混合的新型調頻減振裝置，建立了裝置的力學模型，開展了相應的試驗和理論研究。與這些新型減振裝置研究相對應的是，常規(guī)TLCD減振的分析與設計理論已較為成熟，進一步通過大尺度結構減振試驗對分析方法進行驗證，從而為TLCD的推廣應用提供更為可靠的依據成為了當前需要解決的重要問題之一。然而，針對應用越來越多的自立式鋼管結構，適用的TLCD裝置和較大尺度的模型試驗研究均相對較少。

基于此，本文針對自立式鋼管結構TLCD的振動控制問題開展減振方法和試驗研究，首先，介紹了一種適用于自立式鋼管結構的環(huán)形TLCD，以及設置該TLCD的結構體系的動力學模型；以此為基礎，選取某實際90 m高鋼煙囪為原型設計了結構試驗模型和環(huán)形TLCD模型，并確定了動力加載方案；隨后，根據試驗獲取模型的模態(tài)頻率與阻尼比，建立基于模擬退火算法(Simulated Annealing, SA)的數值模型修正方法，并與基于遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)的數值模型修正方法進行了對比分析；最后，開展自由衰減工況下的減振試驗研究，討論其減振效果，同時，驗證所編制的自立式高聳結構TLCD減振分析程序。

1 環(huán)形TLCD減振結構體系分析模型

由于自立式鋼管結構優(yōu)越的力學性能，其截面尺寸特別是頂部截面尺寸通常較小，調諧減振裝置放置于結構內部的設想有時難以實現，因此，有必要設計能夠設置于自立式鋼管結構外部且與自立式鋼管結構體型協調的減振裝置。陳鑫等[11]之前的研究提出了一種環(huán)形TLCD的設計構想，并對其設計方法進行了討論。本節(jié)主要介紹這一裝置的力學模型及由其構成的減振體系的分析模型，為隨后的試驗模型設計與分析提供理論基礎和技術手段。

1.1環(huán)形TLCD構造與分析模型

根據自立式鋼管結構的特點，設計的一種環(huán)形TLCD如圖1所示，裝置共由4個子TLCD組成，與一般TLCD不同之處在于，每個子TLCD的底部水平儲液管均為弧形，4個子TLCD的水平儲液管圍成一個圓，各為1/4的圓?。粌σ汗懿捎脠A形或矩形截面，其中的液體通常采用水，必要時也可根據計算采用其他液體。該裝置的構造和機理均較為簡單，可靠性較高，比較適用于自立式鋼管結構。

從圖1的構造可見，每兩個相對的子TLCD在一個方向發(fā)揮作用，該方向的裝置動力學性能主要由這兩個子TLCD決定，又由于它們的構造和布置方式一樣，因此，可首先針對其中一個子TLCD的動力學性能進行研究，而后疊加形成整個環(huán)形TLCD在一個方向的動力學模型，另一個方向動力學模型相同。

(a)

(b)圖1 一種環(huán)形調頻液柱阻尼器Fig.1 A ring shape tuned liquid column damper

(1)

(2)

變換式(2)形式可得

(3)

(4)

式中，ξ為阻尼系數，考慮相對于由隔板引起的局部阻尼。

(a) 單個子TLCD

(b) 計算模型圖2 子TLCD計算模型Fig.2 Calculate model of the sub-TLCD

1.2設置環(huán)形TLCD的結構體系分析模型

對試驗模型的研究表明，采用含有底部轉動分量的集中質量模型能夠更好地對自立式鋼管結構進行分析。圖3(a)和圖3(b)分別給出了原結構和安裝TLCD的減振結構的計算模型，其中l(wèi)1,l2…li…ln、m1,m2…mi…mn、c1,c2…ci…cn、k1,k2…ki…kn和P1,P2…Pi…Pn分別為自由度間距、質量、阻尼、剛度和外荷載。則結構體系的運動方程可表示為

(5)

{P(t)}-[H]{FTLCD(t)}

(6)

式中:[M]、[C]、[K]分別為模型的質量、阻尼和剛度矩陣；{P(t)}為外荷載向量；{x(t)}為質點位移向量；[H]為TLCD作用位置矩陣；相應各參數的取值可參見文獻[12]。{FTLCD(t)}為TLCD控制力向量，由1.1節(jié)中的分析可知，在運動方向上有兩個子TLCD，因此，第k個節(jié)點上的控制力可表示為

(7)

(a) 原結構

(b) 減振結構圖3 自立式鋼管結構計算模型Fig.3 Calculate model of the self-standing steel-tube structures

2 環(huán)形TLCD減振試驗設計

2.1結構與環(huán)形TLCD試驗模型

之前的研究中，已經制作了適用于自立式鋼管結構的試驗模型，并對其相似比理論和適用性進行了討論。圖4給出了該試驗模型，本文以此為基礎，進一步開展環(huán)形TLCD減振的動力試驗研究。該試驗模型的原型是建造于瑞典的某高聳鋼煙囪，高度為90 m，外徑2.3 m，壁厚在6～18 mm變化，詳細模型數據參見文獻[12]。

圖4 自立式鋼管結構試驗模型Fig.4 Scaled model of the self-standing steel-tube structure

由1.1節(jié)中環(huán)形TLCD的計算模型可知，環(huán)形TLCD的調諧頻率與儲液管內液體長度的平方根成反比，裝置阻尼比與儲液管的開孔率有關?；谏鲜瞿Ｐ?，本文所設計的試驗用環(huán)形TLCD參數如下：儲液管為0.1 m的正方形截面，水箱中心半徑為0.18 m，水箱高0.25 m，A0/A=0.5，具體設計如圖5所示，為便于制作，根據分析模型僅在其中一個方向設置了子TLCD，因此如圖4所示，實際模型僅由兩個子TLCD組成。試驗中分別對不同水高情況下的減振結構體系進行了動力試驗，水高及模型編號見表1。

表1 環(huán)形TLCD結構體系試驗模型Tab.1 Experimental model of the structure with ring

圖5 環(huán)形TLCD尺寸設計Fig.5 Geometric design of the ring shape TLCD

2.2動力加載與測試方案

試驗時采用的加載方法如圖6所示，將試驗模型安裝于靠近L形反力墻短邊的陽臺附近，在反力墻頂部固定一個定滑輪，模型頂部套有一根拉繩，拉繩穿過定滑輪，在地面利用人力對結構進行加載。加載時，首先拖拽拉繩，使得加載控制點的位移達到預期值，再放松拉繩，使結構產生自由衰減運動，通過監(jiān)測相應測點位移和加速度響應，分析環(huán)形TLCD對自立式鋼管結構減振效果。通過數值分析，以控制點位移最大值為基準，定義了四種加載工況如表2所示，即人為拉拽拉繩使得控制點位移達到5 mm、10 mm、15 mm和20 mm，具體試驗時，由于采用了人工加載，與預期值存在一定誤差，但并不影響隨后的分析和對減振效果的判定。

表2 試驗加載工況Tab.2 Load case in the experiment

試驗時分別對模型的加速度、位移和應變進行了監(jiān)測，測點布置如圖7所示:① 加速度分別采用了無線傳感器和有線傳感器進行監(jiān)測，共布置了6個無線測點和5個有線測點；② 位移分別監(jiān)測了模型中部與底部，主要用于控制施加外荷載、校檢加速度傳感器以及計算模型阻尼比。測點布置原則和所采用的采集裝置等參見文獻[12]。

圖6 試驗加載方法Fig.6 Loading method in the experiment

圖7 試驗測點布置Fig.7 Measuring points arrangement in the experiment

3 結構環(huán)形TLCD減振試驗分析

3.1試驗結構數值模型獲取

結合之前對試驗模型的研究，可知試驗模型存在一些影響試驗結果分析的因素，如連接間隙、底部節(jié)點和附加質量等，因此，需要根據實際情況對1.2節(jié)中所建立的數值模型進行修正，以便為分析試驗現象提供更合理的理論模型。

3.1.1 基于模擬退火算法的模型修正方法

對于本文的試驗模型，將與理想數值模型不一致的影響因素進行甄別分析，最終定義模型修正的變量為X=[rk,kT]T，其中rk為結構整體剛度的剛度修正系數，kT為底部轉動剛度。故針對該問題的優(yōu)化模型表述為

求XX=[rk,kT]T

minJ(X)

(8)

式中，J(X)為目標函數。自立式鋼管結構的振動特性通常較為規(guī)則，并且能夠反應這類結構的靜力特性，因此，本文主要以其動力特性為目標，構造目標函數為

(9)

式中:α1、α2和α3為權重系數，對于自立式鋼管結構，一階模態(tài)對其振動起控制作用，因此3個權重系數中一階頻率的權重最大，3個系數分別取0.6、0.3和0.1；f1、f2和f3分別為數值模擬得到的模型前三階頻率；f1,m、f2,m和f3,m分別為實際測得的模型前三階頻率。

基本的數值模型修正過程如圖8(a)所示，其中變量更新可以有多種方法，本文采用模擬退火算法進行變量更新的迭代。模擬退火算法是局部搜索算法的擴展，它不同于局部搜索之處是以一定的概率選擇領域中費用值最大的狀態(tài)，理論上可以認為它是一種全局最優(yōu)算法[13]。其基本過程(圖8(b))如下：

(1) 初始化,取初始溫度T0足夠大，令T=T0，任取初始解S1，確定每個T時的迭代次數，即Metropolis鏈長L；

(2) 對當前溫度T和k=1,2,…,L，重復(3)～(6)；

(3) 對當前解S1隨機擾動產生一個新解S2；

(4) 計算S2的增量df=f(S2)-f(S1)，其中f(S1)為S1的代價函數；

(5) 若df<0，則接受S2作為新的當前解，即S1=S2；否則計算S2的接受概論exp(-df/T)，即隨機產生(0,1)區(qū)間上均勻分布的隨機數rand，若exp(-df/T)>rand，也接受S2作為新的當前解，S1=S2；否則保留當前解S1；

(6) 如果滿足終止條件Stop，則輸出當前解S1為最優(yōu)解，程序結束。終止條件Stop通常為：在連續(xù)若干個Metropolis鏈中新解S2都沒有被接受時終止算法，或設定結束溫度。否則按衰減函數衰減T后返回(2)。

3.1.2 試驗結構數值模型修正

通過對試驗模型原結構的動力試驗，測得前三階頻率分別為0.85 Hz、5.50 Hz和15.15 Hz。將這些實測值代入式(9)，即可得到模型修正時采用的目標函數。采用3.1.1節(jié)所建立的基于模擬退火算法的模型修正方法，編制程序對試驗模型的數值模型進行修正。圖9(a)給出了模型修正過程中目標函數隨迭代次數的變化情況，可見經過200次左右的迭代后，目標函數基本趨于最優(yōu)值；修正后重新進行模態(tài)分析，得到的前三階頻率見表3，數值模型的前三階頻率最大誤差為1.74%(第二階頻率)，其中一階頻率幾乎完全相同。圖9(b)給出了位移測點2處的位移時程曲線對比，可見修正后的模型位移響應結果與實測數據不論是數值還是相位均相差較小。

(a) 模型修正

(b) 模擬退火算法基本流程圖8 基于模擬退火算法的模型修正方法流程圖Fig.8 Flow chart of model updating method using simulated annealing

(a) 目標函數更新過程

(b) 測量值與計算值對比圖9 數值模型修正Fig.9 Updating of the numerical model

表3 模型修正方法對比Tab.3 Comparison of the two model updating methods

進一步對模型的靜力特性進行對比分析，以更全面地評價修正后的模型。取某次測試時FD-4工況的位移結果：測試開始時間為7.40 s時，位移測點2對應的位移為21.05 mm，位移測點1對應的位移為7.32 mm；修正后的數值模型結果見表3，與實測結果最大相差2.73%。綜合比較模型動力特性與靜力特性結果，采用基于模擬退火算法的模型修正方法能夠較好地對自立式鋼管結構的數值模型進行修正，修正后模型的分析誤差能夠滿足實際工程對分析精度的要求。

筆者之前采用了基于遺傳算法的模型修正方法對該模型的數值修正進行了研究，本文方法與之前方法的修正結果對比見表3：① 對于模型修正目標最大誤差的控制，模擬退火算法的結果(頻率最大1.74%，位移最大2.73%)相對遺傳算法(頻率最大3.82%，位移最大3.10%)要好；② 無論哪種方法，修正后的模型分析結果與實測值相差均較小，在工程允許的誤差范圍之內。

進一步比較基于遺傳算法和模擬退火算法的模型修正方法的計算效率，同樣設置迭代次數為200，分別運行10次，結算結果見表3：① 遺傳算法平均耗時小于模擬退火算法，但耗時標準偏差遠大于模擬退火算法，遺傳算法的分析離散性較大，最大耗時達到6.36 s。② 對比分析每次迭代過程可知，遺傳算法有時在較小的迭代次數時即滿足收斂條件停止迭代，有時卻要迭代較多次數才能收斂，而模擬退火算法總是要迭代到200次，因此，基于遺傳算法的模型修正方法的平均耗時較短，但耗時的離散性較大，這使得采用基于遺傳算法的模型修正方法時分析效率并不穩(wěn)定。③ 進一步分析算法的原理，遺傳算法在初期具備較高的全局收斂性，收斂速度較快，但后期容易陷入局部最優(yōu)，收斂速度放緩，因此，若在前期較快地收斂到全局最優(yōu)，能夠較快地收斂，若不能，則需要更多的耗時才能收斂；與之相比，模擬退火算法盡管在初期全局收斂性較差，收斂速度較慢，但后期仍然具有相對較好的收斂速度。④ 具體到自立鋼管結構的模型修正問題，由于問題本身較為簡單，遺傳算法全局收斂性好的特點無法充分發(fā)揮，因此，出現了遺傳算法在統計意義上計算速度更快，但修正結果誤差較大、計算耗時不穩(wěn)定的情況，而模擬退火算法則分析效率相對更為穩(wěn)定、修正結果更為接近真實，基于模擬退火算法的模型修正方法更為適用于自立式鋼管結構的數值模型修正。

3.2結構動力試驗與分析

針對安裝環(huán)形TLCD后的結構體系開展動力試驗，圖10給出了FD-3工況下試驗模型M3的試驗結果與計算分析。圖10(a)給出了安裝環(huán)形TLCD前后位移測點2的時程曲線，對比可見安裝環(huán)形TLCD后結構模型位移響應衰減速度明顯加快。對加速度測點3所獲數據作頻譜變換可得圖10(b)，分析可知：①安裝環(huán)形TLCD后結構一階模態(tài)對應的RMS值有明顯的減小，一部分振動的能量轉移到了減振結構體系的子系統環(huán)形TLCD中，并通過TLCD自身的阻尼耗散了振動能量；②結合圖10(a)中時程曲線波形可知，安裝環(huán)形TLCD后，由于增加了環(huán)形TLCD的質量，結構略微變柔，線性譜圖中一階和二階模態(tài)對應位置略有偏移，時程曲線中的相位亦有明顯變化。以修正后的數值模型為基礎對該工況進行動力時程分析，分析時結構阻尼比采用由原結構試驗測試得到的均值0.013 4，分析得到位移測點2對應位置的理論值如圖10(c)所示：振幅的理論值與實測值的誤差較小，而相位誤差在8個周期后逐漸增大，總體上看，本文的環(huán)形TLCD分析模型和編制的程序能夠在一定程度上預測設置環(huán)形TLCD的自立式鋼管結構的真實響應。

(a) FD-3工況位移測點2時程曲線

(b) FD-3工況加速度測點3線性譜

(c) 分析與實測對比圖10 環(huán)形TLCD結構體系動力響應Fig.10 Dynamic responses of the structure with ring shape TLCD

進一步，選取減振結構體系的等效阻尼比作為指標，對環(huán)形TLCD的控制效果進行分析，圖11給出了根據自由衰減工況試驗數據計算得到的減振結構體系阻尼比，橫坐標“M1P1”中M1代表模型編號，P1代表位移測點1，分析可知,① 由相同模型不同測點得到的阻尼比基本相同：模型M1的阻尼比均值為0.020 5，根方差為0.002 5；模型M2的阻尼比均值為0.021 2，根方差為0.003 4；模型M3的阻尼比均值為0.023 1，根方差為0.003 4；模型M4的阻尼比均值為0.026 7，根方差為0.004 6。② 結合表1可知，隨著儲液管中水高的增加，調諧質量越來越大，環(huán)形TLCD結構體系阻尼比隨之增加，減振效果逐漸提高，在本文的試驗中，減振結構體系的最大等效阻尼比為0.026 7；在0.9～1.0的調諧頻率比范圍內，環(huán)形TLCD均能夠取得一定的減振效果，實際上試驗中環(huán)形TLCD的調諧頻率比亦隨著水高的增加而減小，但由于液體質量隨之變化，且調諧頻率均在理論上有效的調頻范圍內，難以通過本文的試驗判斷出最優(yōu)調諧頻率比的范圍。③ 與該模型設置環(huán)形TLD時的最大等效阻尼比0.04[14]相比，設置環(huán)形TLCD時等效阻尼比相對較?。河捎诓捎昧讼嗤慕Y構試驗模型，試驗時兩種阻尼器所能利用的空間相同，但環(huán)形TLCD實際上只利用了其中一半的空間用于設置某一方向的兩個子TLCD，故盡管理論上TLCD中液體減振效率高于TLD，但具體到該模型的減振試驗時，TLCD中的液體體積遠小于TLD，所起的減振效果要小于后者。

圖11 環(huán)形TLCD結構體系的等效阻尼比Fig.11 Equivalent damping ratios of the structure with ring shape TLCD

4 結 論

本文針對自立式鋼管結構環(huán)形TLCD的振動控制問題，開展動力試驗研究，建立了數值模型，對基于模擬退火算法的模型修正方法進行了研究，進而討論分析了動力試驗結果。結果表明：

(1) 基于模擬退火算法的模型修正方法能夠較好地收斂到全局最優(yōu)，頻率最大誤差1.74%，位移最大誤差0.73%，相對于基于遺傳算法的模型修正方法，該方法具有更好的修正質量和計算穩(wěn)定性，能夠適用于自立式鋼管結構的模型修正；同時，考慮基底轉動剛度和結構實際剛度的修正，為進一步針對自立式鋼管結構開展模型確認和基礎-結構相互作用提供了重要的手段。

(2) 設置環(huán)形TLCD減振裝置后，結構體系的等效阻尼比由原結構體系的0.013 4增加到了0.026 7，從而具備了有效控制結構動力響應的能力；采用本文建立的環(huán)形TLCD減振結構體系分析方法和編制的分析程序，所得的結果在幅值結果上誤差較小，但隨著時間的增加，相位誤差略有增加，總體上，能夠適用于自立式鋼管結構環(huán)形TLCD的分析。

[1] TRANVIK P, ALPSTEN G. Dynamic behaviour under wind loading of a 90 m steel chimney: VEAB-2002-01[R]. V?xj?: Alstom Power Sweden AB, 2002.(2014-02-28) http://www.stbk.se/S01041-Report.pdf.

[2] CHOU Juisheng, TU Wanting. Failure analysis and risk management of a collapsed large wind turbine tower[J]. Engineering Failure Analysis, 2011, 18(1): 295-313.

[3] REPETTO M P, SOLARI G. Wind-induced fatigue collapse of real slender structures[J]. Engineering Structures, 2010, 32(12): 3888-3898.

[4] LU X L, CHEN J R. Mitigation of wind-induced response of Shanghai center tower by tuned mass damper[J]. Structural Design of Tall and Special Buildings, 2011, 20(4): 435-452.

[5] 黃瑞新，李愛群，張志強,等. 北京奧林匹克中心演播塔TMD風振控制[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2009, 39(3): 519-524.

HUANG Ruixin, LI Aiqun, ZHANG Zhiqiang, et al. TMD vibration control of Beijing olympic center broadcast tower under fluctuating wind load[J]. Journal of Southeast University(Natural Science), 2009, 39(3): 519-524.

[6] COLWELL B, BASU B. Tuned liquid column dampers in offshore wind turbines for structural control[J]. Engineering Structures, 2009, 31(2): 358-368.

[7] 劉文峰，陳建兵，李杰. 大型海上風力發(fā)電高塔隨機最優(yōu)減震控制[J]. 土木工程學報, 2012, 45(增刊2): 22-26.

LIU Wenfeng, CHEN Jianbing, LI Jie. Stochastic optimal vibration control of offshore wind turbine tower systems using TLCD[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(Sup2): 22-26.

[8] 霍林生，李宏男. 半主動變剛度TLCD減振控制的研究[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(10): 157-164.

HUO Linsheng, LI Hongnan. Structural vibration control using semi-active variable stiffness tuned liquid column damper[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(10): 157-164.

[9] 霍林生，李宏男，劉猛. 調液阻尼器對偏心結構扭轉耦聯振動控制的試驗研究[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(11): 198-202.

HUO Linsheng, LI Hongnan, LIU Meng. Experimental study on torsionally coupled structural vibration control of eccentric buildings using tuned liquid dampers[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(11): 198-202.

[10] SARKAR A, GUDMESTAD O T. Pendulum type liquid column damper (PLCD) for controlling vibrations of a structure-theoretical and experimental study[J]. Engineering Structures, 2013, 49(2): 221-233.

[11] 陳鑫，李愛群，王泳,等. 自立式高聳結構風振控制方法研究[J]. 振動與沖擊, 2015, 34(7): 149-155.

CHEN Xin, LI Aiqun, WANG Yong, et al. Investigation on techniques for wind-induced vibration control of of self-standing high-rise structures[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(7): 149-155.

[12] 陳鑫，李愛群，王泳,等. 高聳鋼煙囪環(huán)形TLD減振試驗設計與模型修正[J]. 建筑結構學報, 2015, 36(1): 30-36.

CHEN Xin, LI Aiqun, WANG Yong, et al. Model design and updating for experiment of ring shaped TLD control of high-rise steel chimney[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(1): 30-36.

[13] 王建維，張建明，魏小鵬. 基于模擬退火算法的減速器多目標優(yōu)化設計[J]. 農業(yè)機械學報, 2006, 37(10): 120-123.

WANG Jianwei, ZHANG Jianming, WEI Xiaopeng. Multi-objective optimization design of gear reducer based on simulated annealing algorithms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2006, 37(10): 120-123.

[14] 陳鑫，李愛群，王泳,等. 高聳鋼煙囪環(huán)形TLD減振試驗與數值模擬[J]. 建筑結構學報, 2015, 36(1): 37-43.

CHEN Xin, LI Aiqun, WANG Yong, et al. Experiment and numerical simulation of ring shaped TLD control of high-rise steel chimney[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(1): 37-43.

Vibrationcontrolexperimentsonself-standingsteel-tubestructuresinstalledwithringshapeTLCD

CHEN Xin1, LI Aiqun2,3, WANG Hong4, ZHOU Guangdong3

(1. Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China;2. School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China;3. Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structure of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China;4. Suzhou Rainbow Environmental Equipment Manufacturing Co., Ltd., Suzhou 215003, China)

Recently, there have been some cases of the damage or collapse of self-standing steel-tube structures due to dynamic loads. Tuned liquid column damper (TLCD), a tuned absorber suitable for the vibartion control of these stuctures, was focused. The configuration of the ring shape TLCD was introduced, and its mechanical model was deduced. Then the dynamic equation of a self-standing steel-tube structure installed with ring shape TLCD was established. For suiting with the experimental model of the self-standing steel-tube structure, a ring shape TLCD was designed for the experiment, and the loading and testing schemes were predetermined. A model updating method based on the Simulated Annealing algorithm was proposed for the self-standing steel-tube structure, and the numerical case study was conducted. In the study, the rotating stiffness and stiffness modification factor of the base were taken as the design variables, and the first three frequencies measured were taken as the objective. The maximal error of these frequencies of the updated numerical model is only 1.74%. Lastly, the vibration control experiment for the structure installed with the ring shape TLCD was carried out, and the numerical results by using the updated model were compared with the experiment ones. The investigation shows that the ring shape TLCD used in this experiment can increase the equivalent damping ratio of the self-standing steel-tube structure from 0.013 4 to 0.026 7, so the dynamic response can be reduced effectively. And the proposed can predict the dynamic responses of the structures with a certain degree of accuracy. Both the numerical analysis method and the dyamic experiment may offer some reference to the design and application of the ring shape TLCD used in self-standing steel-tube structures.

high-rise structures; ring shape tuned liquid column damper (TLCD); vibration control experiment; simulated annealing; model updating

TU317; TU352; TU311.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.19.014

2016-05-04 修改稿收到日期：2016-07-18

陳鑫 男，博士，副教授，1983年生

李愛群 男，博士，教授，1962年生