非線性懸吊質量擺對輸電塔減振控制的研究

侯 潔，霍林生，李宏男

（大連理工大學建設工程學部，大連 116024）

非線性懸吊質量擺對輸電塔減振控制的研究

侯 潔，霍林生，李宏男

（大連理工大學建設工程學部，大連 116024）

針對懸吊質量擺減控制研究中小擺角線性分析的局限性，提出考慮懸吊質量擺大擺角非線性特性來計算結構體系動力響應的方法，將傳統分析中的懸吊質量擺的線性剛度修正為非線性。以一輸電塔為例，通過線性和非線性計算結果對比可知，當擺角過大時線性計算方法不滿足線性小擺角條件，而非線性計算方法則可很好模擬質量擺在大擺角下的響應。通過參數分析討論了正弦激勵周期、擺長及質量比對輸電塔減震率的影響。選取三條不同場地地震記錄，計算輸電塔附加質量擺體系的地震響應，結果表明在不同場地條件下，輸電塔均具有明顯的減震效果。

非線性響應；懸吊質量擺；輸電塔；減震率

輸電塔具有塔體高、柔性強等高聳塔體的特點，對地震和風等環境荷載的反應敏感，易產生較大的動力響應。對大跨度輸電塔進行振動控制研究已成為電力工程與土木工程界的一個重要研究課題，既有其重要的理論意義，又有其重要的經濟價值［1］。懸吊質量擺作為一種被動阻尼器，具有方法簡便，易于實施，效果顯著的特點［2］。

李宏男等［2－5］提出利用懸吊質量擺來減小結構地震反應的方法，導出了該種復合體系在地震動作用下的運動方程，利用實際地震記錄進行了大量的數值計算，得出了一些對工程應用有參考價值的結果?？迪Ａ迹?］論述了高層建筑結構利用懸吊質量擺減振的原理及減振性能的研究，通過分析得出了在高層建筑結構頂部各層設多個懸吊質量擺且其頻率都和結構基頻相同時，減振效果最好；質量擺的減振效果還隨懸吊質量的增加而增加，但當懸吊質量與結構質量之比大于2%時減振效果增加較緩慢。鄧洪洲等［7］利用懸吊質量擺對電視塔的風振控制進行研究，通過分析計算表明，懸吊質量擺對電視塔風振響應有很好的控制效果，并且設計安裝簡單方便、造價低，是一種實用性好的控制裝置。賀業飛等［8］進行了懸掛質量擺對輸電塔結構風振控制的全塔氣動彈性模型試驗，并基于控制減振機理和結構風振控制方程，采用脈動風速功率譜密度函數，利用三角級數法模擬了節點風速時程，計算了懸掛質量擺控制前后結構順風向的加速度時程和均方根（RMS），進行了參數優化分析，研究結果表明，由模擬風載計算得到的塔頂RMS與試驗結果吻合較好，懸吊質量擺模型可有效減小輸電塔的風振響應。

懸吊質量擺在建筑結構的減振研究方面相對比較成熟，取得了一些成果［9－14］。但現有研究中通常將懸吊質量簡單擺化為一個單擺振動系統，再按單擺小振幅運動得到單一的水平剛度系數，然后與主體結構模型建立整體的運動方程進行分析。這種簡化方法的前提是將單擺振動時的控制力中的三角函數按泰勒函數展開，從而使得懸吊質量擺的運動方程得到簡化。然而對于輸電塔和懸吊質量擺體系而言，由于它們都具有柔性的特點，在外部荷載作用下，擺的振動幅度將明顯偏離平衡位置。單擺振動的控制力中的三角函數不能簡單的按泰勒函數展開，因此，在輸電塔利用懸吊質量擺減振控制的研究中，必須考慮懸吊質量大振幅幾何非線性的影響。然而，目前尚沒有這方面的研究工作。因此，本文在現有研究成果的基礎上，考慮懸吊質量擺大幅度幾何非線性的對輸電塔結構的位移響應的影響，提出了在非線性情況下擺和結構位移的精確算法。

1 非線懸吊質量擺

當懸吊質量擺放置在結構上時，我們重點關心單擺運動對結構產生的控制力，單擺與結構相聯系的介質是繩索，因此單擺與結構的相互作用也只能通過繩索來傳遞。對于結構的振動而言，主要考慮水平方向的振動，因此繩索施加到結構上的力只有水平分量起到減振作用，通過對圖1的單自由度體系分析可知，控制力為：

式中：mp為懸吊質量擺的質量，g為重力加速度，θ為擺轉動的角度。

圖1 結構示意圖Fig.1 Schematic of structure with pendulum

同理，對于結構體系，運用D’Alembert原理，可得到結構的運動方程：

式中：m1，c1，k1，x1分別為結構的質量、阻尼、剛度和相對于地面的位移，f為外部干擾力（如風荷載）。

式（1）在滿足線性小擺角的情況下，可得到cosθ≈1，sinθ≈θ；為了與結構的自由度相適應，擺自由度不取角度，而是采用水平位移x（x＝xp－x1，xp為擺相對于地面的位移），如圖1中所示，x與θ之間的關系為：

θ≈x／l＝（xp－x1）／l（3）

式中，l為懸吊質量擺的長度。

擺的運動方程可轉化與結構運動方程相類似的形式：

同樣，控制力可以簡化為：

結構附加擺結構的運動方程為：

式（1）在大擺角的情況下，cosθ≈1，sinθ≈θ這兩個式子顯然不成立，應采用下面的精確分析。

2 線性與非線性結果對比

以一輸電塔結構為例，對附加質量擺結構體系進行非線性分析。為簡化計算將輸電塔簡化為23個節點，節點編號從上往下依次增大，三維有限元模型和簡化后的結構體系示意圖如圖2所示。

為了得到精確的懸吊質量擺的各項參數以及線性和非線性結果的對比，根據實際情況，懸吊質量擺的參數設置如下：

（1）擺長l：可由懸吊質量擺與結構的周期之間的關系確定，即l＝g／（w／β）2；其中g為重力加速度，w為結構的一階頻率，β為懸吊質量擺與結構的周期之比，取0.8～2.4。

（2）質量比μ：質量比是懸吊質量擺的質量與結構的總質量的比值。

（3）周期比α：輸入的正弦波的周期與結構周期的比，α取0.2～2.0。

（4）減震率γ：γ＝（D0－D1）／D0，D1和D0分別為加懸吊質量擺與不加懸吊質量擺時結構的最大位移。

圖2 三維有限元模型和簡化后的輸電塔結構體系Fig.2 Three dimensional finite elementmodel and simplified transmission tower structure system

圖3為El Centro波（SW）作用下結構的頂層位移曲線（地震波的峰值加速度為0.2 g），在二號節點設置懸吊質量擺，以控制結構震動反應，取周期比β＝1，質量比μ＝0.03。圖3為結構頂層位移時程曲線（取前30 s），圖4為擺的轉角時程曲線。

圖3 結構的頂層位移曲線（El Centro）Fig.3 Time history of the displacement of top floor（El Centro）

圖4 擺的轉角時程曲線（El Centro波）Fig.4 Time history of the angle of pendulum（El Centro）

由圖3位移時程曲線可以看出，結構的反應，在整個地震作用時間內忽略非線性與考慮非線性控制的位移曲線有很明顯的區別，頂層位移最大相差40%；圖4的擺的角度時程曲線中轉角的最大值接近于30°，遠遠超出了小振幅振動（θ＜5°）的限制條件，單擺小角度線性化的簡化方法已經失效，因而現有的忽略非線性來計算結構的反應的方法存在極大的安全隱患。因此，在輸電塔利用懸吊質量擺減震控制的研究中，必須考慮懸吊質量擺大幅度幾何非線性的影響。

3 參數分析

當結構受到正弦激勵Xg（t）＝a0×sin（w×t）時，用非線性的方法進行了大量的分析研究。圖5、圖6分別為質量比μ＝0.01與μ＝0.03時，懸吊質量擺與結構的周期比β、輸入的正弦波的周期與結構的周期比α之間的關系曲線。當α在0.2～1.0之間時，結構的位移在β＝1附近時減震效果比較明顯；α在1.2～2.0之間時，由于地基條件比較柔，輸電塔結構本身也比較柔，在此種情況下，懸吊質量擺難以達到理想的減震效果。圖7分別為α＝0.6及α＝0.8時在不同周期比β的條件下，減震率γ關于質量比μ的關系曲線。質量比μ越大，減震率越高；當μ＝0.01～0.03時，減震率增加的越快，并且較為經濟合理，但超過0.04，減震率不再增長；β越小，擺長l越小，減震效果越顯著。

4 不同場地條件下的驗證

本文分別選取遷安波、taft波和天津波作為地震動輸入（峰值加速度為0.1 g），以代表不同的場地類型。圖8至圖10分別表示質量比μ＝0.01、周期比β＝1.5時，在三條不同地震波作用下，結構的頂層位移曲線。表1至表3為由計算得到的結構未控、忽略非線性控制和考慮非線性控制三種情況時的最大位移、減震率、最大擺角、相對誤差等參數。其中D0、Dx、Dn分別為結構未控、忽略非線性及考慮非線性控制三種情況結構頂層的最大位移反應；γx和γn為忽略非線性及考慮非線控制的減震率；θx和θn為忽略非線性及考慮非線性控制的最大擺角；η為相對誤差，表示懸吊質量擺在忽略和考慮非線性時引起的擺的角度誤差，其表達式如下：

由以上表1～表3和圖8～圖10可以看出，天津波作用在結構上，線性算法最大擺角可達到32°；Taft波作用時，線性算法最大擺角可達到14°，雖然考慮非線性和忽略非線性結構頂層的最大位移相差不大，但時程曲線相差較為明顯，線性化的簡化方法已經失效，現有的分析方法存在極大的安全隱患，因此必須考慮懸吊質量大振幅幾何非線性的影響。遷安波作用時，最大擺角滿足單擺小角度線性化的簡化方法，考慮非線性與忽略非線性的結果基本一致，兩條曲線基本重合，進一步驗證了本文采用的計算方法的正確性。

圖5 減震率γ與周期比β的關系曲線（μ＝0.01）Fig.5 Curve of the relationship between decreasing amplitude ratioγ and period ratioβ（μ＝0.01）

圖6 減震率γ與周期比β的關系曲線（μ＝0.03）Fig.6 Curve of the relationship between decreasing amplitude ratio γand period ratioβ（μ＝0.03）

圖7 減震率γ與質量比μ的關系曲線（α＝0.6，α＝0.8）Fig.7 Curve of the relationship between decreasing amp litude ratioγ and mass ratioμ（α＝0.6，α＝0.8）

表1 最大位移響應（天津波（SN））Tab.1 Maximum disp lacem ent response（Tianjing（SN））

表2 最大位移響應（Taft波）Tab.2 Maximum displacement response（Taft）

表3 最大位移響應（遷安波）Tab.3 Maximum d isp lacement response（Qian’an）

圖8 結構的頂層位移曲線（天津波（SN））Fig.8 Time history of the displacement of top floor（Tianjing（SN））

圖9 結構的頂層位移曲線（Taft波）Fig.9 Time history of the displacement of top floor（Taft）

圖10 結構的頂層位移曲線（遷安波）Fig.10 Time history of the displacement of top floor（Qian’an）

5 結 論

本文提出了利用懸吊質量擺減小結構地震反應分析的非線性分析方法。通過理論分析與數值計算，得到以下結論：

（1）應用懸吊質量擺，在周期比β較小時，擺長l較小時，懸吊質量擺的角度可能會超出單擺小角度線性化的適用范圍，且減震率以及擺角誤差較大，采用線性方法不能真實的反映結構的響應，應該采用非線性算法。

（2）一般情況下，周期比β在1附近時減震效果最好。當周期比β達到2時線性與非線性結果趨于一致，懸吊質量擺的角度也趨于符合線性擺的要求。

（3）場地條件相對較柔時，輸電塔結構不宜采用懸吊質量擺來減震。

（4）其他條件相同的條件下，質量比μ越大減震效果越明顯，且在質量比μ＝0.01～0.03時效果較好。

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Aseism ic control of transm ission towers w ith nonlinear suspended m ass pendu lum s

HOU Jie，HUO Lin-sheng，LIHong-nan
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalia 116024，China）

Due to the limitation of linear analysis for a suspended pendulum control system with small swing angle，a method analyzing dynamic response of a structure considering nonlinear stiffnessof pendulum was proposed here.Taking a 500 kV transmission tower as a numerical example and comparing the results under linear and nonlinear conditions，it was found that the swing angle of pendulum may exceed the limitation of linear assumption and the nonlinear analysis can simulate a structural dynamic system with large swing angles of pendulum perfectly.The effects of parameters of the control system including excitation periods，pendulum length and mass ratio on the seismic reduction ratio of the transmission tower were studied.Three seismic records were used to calculate the dynamic response of the transmission tower with suspended pendulums.The results showed that themitigation effect of suspended pendulums on the structural response is very obvious under different seismic excitations.

nonlinear response；suspended mass pendulum；transmission tower；seismic response reduction ratio

TU351.1

A

國家自然科學基金創新群體項目（51121005）；國家自然科學基金國際合作交流項目（51261120375）

2013－01－17 修改稿收到日期：2013－03－27

侯 潔女，碩士生，1988年生