吳曼林

（廣州城市職業(yè)學院，廣東 廣州 510405）

0 引言

一般來說，根據(jù)控制時是否需要外加能源，結(jié)構(gòu)振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制[1]?；旌峡刂剖峭瑫r應(yīng)用多種控制裝置，發(fā)揮每種控制的優(yōu)點，多管齊下，獲得更理想的控制效果。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）[2]是被動控制常見的裝置，本文將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）與隔震技術(shù)同時應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，形成了隔震減震混合控制系統(tǒng)。通過參與實際工程項目設(shè)計和研究，將平臺花園作為TMD 質(zhì)量塊，作為于建筑結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計出TMD 基本參數(shù)，對比建筑結(jié)構(gòu)無控制、被動控制、混合控制的減震效果。

本文的研究對象大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)，是指建筑底部的多層裙房未使用分隔縫而形成受力整體，建筑上部的多層塔樓的豎向荷載和水平作用均傳遞給底部裙房的結(jié)構(gòu)。譚平等[3]將隔震技術(shù)引入此類結(jié)構(gòu)，做了一系列的試驗和研究。譚平等[4]還將智能磁流變控制技術(shù)應(yīng)用到大平臺多塔樓隔震結(jié)構(gòu)中，研究了這種隔震體系的抗震性能，采用磁流變（MR）阻尼器技術(shù)應(yīng)用于隔震層，探討了這種新型隔震體系智能磁流變控制的減震效果。

筆者等[5]在前期工作中提出大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)的隔震減震策略，對比基礎(chǔ)隔震、層間隔震兩種方案減震效果；提出在層間隔震基礎(chǔ)上，利用平臺頂建成的花園作為TMD 質(zhì)量塊，對結(jié)構(gòu)進行混合控制的策略。本文將深入研究調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）對大底盤多塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)的減震控制效果，驗證混合控制策略的有效性。

1 混合控制運動方程

TMD 作用于大底盤多塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)，其運動方程如式（1）所示。

式中：M——整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；C——整體結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣；K——整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；X——位移向量；——地面加速度；Mg——外部激勵作用矩陣。

文獻列出各矩陣示意，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣各子結(jié)構(gòu)之間剛度解耦。

本文將裙房頂部平臺花園TMD 視為與塔樓并列子結(jié)構(gòu)，利用matlab 編寫計算機模擬仿真程序，對工程實例的TMD 參數(shù)進行分析，進而設(shè)計TMD 基本參數(shù)，分別計算無控制、層間隔震、混合控制結(jié)構(gòu)，在水平地震作用下，層間位移的控制效果。

2 工程實例

以某實際工程為研究對象，研究TMD 參數(shù)對層間位移和加速度控制效果的影響。建筑下部有三層大平臺，上部設(shè)計兩棟框架結(jié)構(gòu)住宅塔樓。第四層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，共11 層。結(jié)構(gòu)各層重量和剛度如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)各層重量和剛度

該結(jié)構(gòu)采用層間隔震技術(shù)，改善整個結(jié)構(gòu)的動力特性，使底部三層平臺和上部多層塔樓地震反應(yīng)減小，整體抗震安全性提高。擬將平臺花園作為隔震結(jié)構(gòu)TMD，對結(jié)構(gòu)進行混合控制。通過編制程序，計算對比無控制、層間隔震、隔震和平臺花園TMD 混合控制的地震反應(yīng)，得出相關(guān)結(jié)論。

3 TMD 參數(shù)分析

利用編制的matlab 程序，研究不同TMD 質(zhì)量下，結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)與TMD 的頻率變化關(guān)系。根據(jù)工程場地特性，選取7 條符合要求地震波時程進行分析，計算結(jié)果取平均值。

（1）假定TMD 質(zhì)量為總質(zhì)量的3%，TMD 阻尼比取0.10。結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)與TMD 的頻率變化關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 各層地震反應(yīng)控制效果與TMD 頻率關(guān)系（質(zhì)量比3%）

由圖1 可見，平臺各層位移、塔樓位移和塔樓加速度的最優(yōu)頻率相同，但該頻率和使平臺加速度最優(yōu)的頻率不同。對于塔樓各層的位移和加速度控制，TMD 頻率有最優(yōu)值；而對于平臺各層的位移和加速度控制，TMD 頻率存在兩個最優(yōu)值。

（2）假定TMD 質(zhì)量為總質(zhì)量的15%，TMD 阻尼比取0.10。結(jié)構(gòu)各層地震反應(yīng)與TMD 的頻率變化關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 各層地震反應(yīng)控制效果與TMD 頻率關(guān)系（質(zhì)量比15%）

當TMD 質(zhì)量為總質(zhì)量的15%的時候，控制效果大幅提高。層位移方面：對平臺各層的控制效果已經(jīng)接近25%；對塔樓的控制效果達35%左右。絕對加速度方面：對應(yīng)于對層位移最大控制效果的TMD 最優(yōu)頻率，平臺各層加速度的控制效果均有小于各層位移控制的控制效果；在TMD 對位移控制最優(yōu)頻率下第一、二層控制效果有限，對塔樓控制效果接近25%。

4 不同設(shè)計方案減震效果對比

根據(jù)前文分析結(jié)果，最終確定TMD 參數(shù)如下：頻率3.5，質(zhì)量比0.1，阻尼比0.10。利用編制的matlab 程序計算在TAFT 波、Elcentro 波和人工波作用下，在無控制、隔震被動控制、隔震和TMD 混合控制三種不同策略下，結(jié)構(gòu)各層位移反應(yīng)和控制效果如表2 所示。

5 結(jié)論

通過編制程序，分析TMD 參數(shù)對位移和加速度控制效果影響，設(shè)計TMD 參數(shù)，對結(jié)構(gòu)進行減震效果分析，得出如下結(jié)論。

（1）通過優(yōu)化TMD 參數(shù)，平臺花園TMD 能進一步減小大底盤多塔樓層間隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

（2）TMD 對位移控制效果優(yōu)于對絕對加速度控制效果，對塔樓控制效果優(yōu)于對大底盤控制效果。

（3）當TMD 質(zhì)量從平臺總質(zhì)量的3%增加到15%的時候，控制效果大幅提高。

（4）工程實踐可根據(jù)平臺花園設(shè)計條件，優(yōu)化TMD參數(shù)，以達到安全性和經(jīng)濟性最佳平衡點。