旋转惯质双调谐质量阻尼器的优化与风振控制研究
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作者:李亚峰 李寿英 陈政清
摘要：惯质是一种新型两节点单元，可产生远大于其物理质量的表观质量。将惯质单元与调谐质量阻尼器（TMD）相组合，系统研究了旋转惯质双调谐质量阻尼器（RIDTMD）的减振性能。首先，采用单自由度结构体系，对RIDT-MD进行全参数H∞与H2优化，得到RIDTMD各结构参数最优值;然后，以某光热电站吸热塔为研究对象，采用最优的RIDTMD结构参数，研究了RIDTMD对该塔横风向与顺风向风致振动的控制效果，并与传统的TMD减振效果进行比较。研究结果表明：调谐质量相同的情况下，RIDTMD系统的减振效果比TMD更好;减振效果相同的情况下，RIDTMD的调谐质量比TMD的调谐质量最大可减小40%。
关键词：风致振动;振动控制;调谐质量阻尼器;惯质
中图分类号：TU311.3;0328文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）02-0295-09
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.02.009
引言
调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）是一種附加于主结构的被动减振装置，广泛应用于土木工程结构的振动控制。TMD结构参数优化（包括最优频率和阻尼比）主要采用两种方法：H∞和H2方法。其中，H∞方法以降低主结构的最大振幅为目标;H2方法以降低主结构所有激励频率下的总振动能量为目标。
惯质是一种新型两节点单元，Smith在2002年首次提出这一概念。惯质单元两节点问的作用力与其相对加速度成正比，正比例系数称为表观质量，该表观质量远大于其物理质量。2012年，Ika-go等运用滚珠丝杠装置研发了惯质和阻尼单元并联再与弹簧串联的复合减振系统（调谐黏滞质量阻尼器，Tuned Viscous Mass Damper，TVMD），通过理论与试验两种手段验证了TVMD良好的减振性能。随后，Garrido等将TVMD系统代替TMD中的阻尼单元，提出旋转惯质双调谐质量阻尼器（Rotational Inertia Double Tuned MassDamper，RIDTMD）的概念，并对RIDTMD系统进行了H∞结构参数优化研究。Javidialesaadi和Wierschem进行了RIDTMD系统的H2结构参数优化研究，并以最优参数进行了地震作用时程分析，结果表明：RIDTMD系统的减震效果比传统TMD更好。当给定调谐质量时，确定RIDTMD系统需要4个结构参数，文献[11-13]结构参数优化研究中并没有对RIDTMD系统的表观质量结构参数进行优化，且时程响应分析针对地震激励。
本文以风荷载作用为基础，对RIDTMD系统进行了H∞与H2全参数优化研究;以参数优化结果为基础，针对某光热电站吸热塔，研究了RIDTMD系统对该塔横风向和顺风向风致振动的控制效果;比较研究了RIDTMD系统与传统TMD系统的减振性能。
1RIDTMD结构体系
主结构附加传统TMD减振系统的模型示意图如图1（a）所示，主结构质量、刚度和阻尼系数分别采用ms，ks和Cs表示，TMD的调谐质量、刚度和阻尼系数分别采用md，kd和cd表示;主结构附加RIDTMD减振系统的模型示意图如图1（b）所示，除TMD减振系统的结构参数md，kd和cd外，还包括表观质量mr、表观质量刚度kr。主结构和调谐质量均具有竖向自由度，可由其竖向位移xs和xd表示，表观质量自由度可由mr和kr连接点的竖向位移xr表示。设主结构所受的外激励为f（t），附加RIDTMD系统的主结构运动微分方程为
从图11与表4中看出，结构顺风向脉动风荷载作用下，与调谐质量相同的TMD相比，RIDTMD系统使结构的振幅和均方根减振率分别提高2.65%和2.05%，RIDTMD系统具有比传统TMD更好的减振效果;u=0.8%时RIDTMD系统的减振率和u=1.0%的TMD系统大体相当。
5结论
采用H∞。与H2方法，对RIDTMD系统进行了结构参数优化，采用优化得到的最优结构结构参数，以某吸热塔为工程背景，比较研究了RIDTMD和传统TMD系统的横风向和顺风向减振效率，得到的主要结论如下：
（1）调谐质量相同的情况下，H∞和H2优化的RIDTMD的减振效果比传统TMD分别增加20%和13%左右。
（2）相对采用RIDTMD系统进一步减小结构振动，运用RIDTMD系统减小附加减振系统的调谐质量更具有吸引力。优化结果显示：与TMD减振效果相同的情况下，RIDTMD系统的调谐质量最大可减小40%。
（3）从时程分析结果来看，相比TMD系统，RIDTMD对吸热塔减振效果提升并不显著，但相同的减振效果下，RIDTMD的调谐质量依旧可减小20%。
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