旋轉慣質雙調諧質量阻尼器的優化與風振控制研究

李亞峰 李壽英 陳政清

摘要：慣質是一種新型兩節點單元，可產生遠大于其物理質量的表觀質量。將慣質單元與調諧質量阻尼器（TMD）相組合，系統研究了旋轉慣質雙調諧質量阻尼器（RIDTMD）的減振性能。首先，采用單自由度結構體系，對RIDT-MD進行全參數H∞與H2優化，得到RIDTMD各結構參數最優值;然后，以某光熱電站吸熱塔為研究對象，采用最優的RIDTMD結構參數，研究了RIDTMD對該塔橫風向與順風向風致振動的控制效果，并與傳統的TMD減振效果進行比較。研究結果表明：調諧質量相同的情況下，RIDTMD系統的減振效果比TMD更好;減振效果相同的情況下，RIDTMD的調諧質量比TMD的調諧質量最大可減小40%。

關鍵詞：風致振動;振動控制;調諧質量阻尼器;慣質

中圖分類號：TU311.3;0328文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）02-0295-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.02.009

引言

調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）是一種附加于主結構的被動減振裝置，廣泛應用于土木工程結構的振動控制。TMD結構參數優化（包括最優頻率和阻尼比）主要采用兩種方法：H∞和H2方法。其中，H∞方法以降低主結構的最大振幅為目標;H2方法以降低主結構所有激勵頻率下的總振動能量為目標。

慣質是一種新型兩節點單元，Smith在2002年首次提出這一概念。慣質單元兩節點問的作用力與其相對加速度成正比，正比例系數稱為表觀質量，該表觀質量遠大于其物理質量。2012年，Ika-go等運用滾珠絲杠裝置研發了慣質和阻尼單元并聯再與彈簧串聯的復合減振系統（調諧黏滯質量阻尼器，Tuned Viscous Mass Damper，TVMD），通過理論與試驗兩種手段驗證了TVMD良好的減振性能。隨后，Garrido等將TVMD系統代替TMD中的阻尼單元，提出旋轉慣質雙調諧質量阻尼器（Rotational Inertia Double Tuned MassDamper，RIDTMD）的概念，并對RIDTMD系統進行了H∞結構參數優化研究。Javidialesaadi和Wierschem進行了RIDTMD系統的H2結構參數優化研究，并以最優參數進行了地震作用時程分析，結果表明：RIDTMD系統的減震效果比傳統TMD更好。當給定調諧質量時，確定RIDTMD系統需要4個結構參數，文獻[11-13]結構參數優化研究中并沒有對RIDTMD系統的表觀質量結構參數進行優化，且時程響應分析針對地震激勵。

本文以風荷載作用為基礎，對RIDTMD系統進行了H∞與H2全參數優化研究;以參數優化結果為基礎，針對某光熱電站吸熱塔，研究了RIDTMD系統對該塔橫風向和順風向風致振動的控制效果;比較研究了RIDTMD系統與傳統TMD系統的減振性能。

1RIDTMD結構體系

主結構附加傳統TMD減振系統的模型示意圖如圖1（a）所示，主結構質量、剛度和阻尼系數分別采用ms，ks和Cs表示，TMD的調諧質量、剛度和阻尼系數分別采用md，kd和cd表示;主結構附加RIDTMD減振系統的模型示意圖如圖1（b）所示，除TMD減振系統的結構參數md，kd和cd外，還包括表觀質量mr、表觀質量剛度kr。主結構和調諧質量均具有豎向自由度，可由其豎向位移xs和xd表示，表觀質量自由度可由mr和kr連接點的豎向位移xr表示。設主結構所受的外激勵為f（t），附加RIDTMD系統的主結構運動微分方程為

從圖11與表4中看出，結構順風向脈動風荷載作用下，與調諧質量相同的TMD相比，RIDTMD系統使結構的振幅和均方根減振率分別提高2.65%和2.05%，RIDTMD系統具有比傳統TMD更好的減振效果;u=0.8%時RIDTMD系統的減振率和u=1.0%的TMD系統大體相當。

5結論

采用H∞。與H2方法，對RIDTMD系統進行了結構參數優化，采用優化得到的最優結構結構參數，以某吸熱塔為工程背景，比較研究了RIDTMD和傳統TMD系統的橫風向和順風向減振效率，得到的主要結論如下：

（1）調諧質量相同的情況下，H∞和H2優化的RIDTMD的減振效果比傳統TMD分別增加20%和13%左右。

（2）相對采用RIDTMD系統進一步減小結構振動，運用RIDTMD系統減小附加減振系統的調諧質量更具有吸引力。優化結果顯示：與TMD減振效果相同的情況下，RIDTMD系統的調諧質量最大可減小40%。

（3）從時程分析結果來看，相比TMD系統，RIDTMD對吸熱塔減振效果提升并不顯著，但相同的減振效果下，RIDTMD的調諧質量依舊可減小20%。