地震波下多种阻尼器对塔架的减振效果分析

来源：浙江科技学院作者：倪玲
发布于：2020-08-19 共15638字

　　摘要

　　塔式结构多为高耸结构，水平方向刚度较小，在荷载作用下动力响应明显。因此塔式结构的风振和地震波振动控制，已成为设计的重要内容，也是结构振动控制领域的研究热点。本文设计并制作了减振装置，通过对不锈钢塔架模型进行振动台试验，计算了其在有无减振措施时，塔架顶层的动力响应大小；同时进行了有限元数值分析。将分析成果应用于山东某风力发电机结构作为工程算例，在塔顶安装减振装置，对其进行在风荷载作用下的数值模拟，实现减振控制；在此基础上优化实验装置，通过振动台试验，研究了多种形式的阻尼器在同种地震波作用下对塔架的减振效果。主要内容与结论如下：

　　1、设计了小型塔架模型，利用 ABAQUS 有限元软件建立三维模型，对其进行模态分析，获得该塔架的一阶自振频率为 13.6Hz。安装调频质量阻尼器装置，对比有无该装置时塔架顶层的动力响应大小。数值模拟表明，该减振装置可以明显降低塔架的动力响应大小，具有一定的减振效果。

　　2、用不锈钢材料制作该模型，进行振动台试验，测试塔架的自振特性以及动力响应。试验测得塔架的一阶自振频率与数值模拟结果误差仅为 4.99%；动力响应测试表明，安装调频质量阻尼器后，可以明显降低塔顶的振动剧烈程度，且外荷载频率越接近塔架的固有频率，减振效果越好。在三种地震波作用下，减振率可达 20%~60%。

　　3、在以上试验与分析的基础上对调频质量阻尼器进行优化，分别在其质量块腔体内添加液体、滚珠、液体及滚珠，通过振动台试验，研究了多种形式阻尼器在同种地震波作用下，各阻尼器的减振效果。

　　试验表明，四种阻尼器无论是峰值还是均方根减振率均能达到20%~60%，其中，调频液体颗粒阻尼器的减振效果最好。

　　4、以山东某风力发电机结构作为工程算例，比较了四种调频质量阻尼器布置方案下结构的振动响应，从计算结果可知，该种阻尼器装置对风机结构的风振响应有较好的控制效果，其中加速度控制效果最佳，可达 53.83%，其次是速度和位移。同时发现，当低阶振型作用较大时，不考虑高阶振型，若将一个大的调频质量阻尼器分解成多个小质量阻尼器，控制效果会有所降低。

　　关键词：塔式结构，调频质量阻尼器（TMD），液体质量双调频阻尼器（TLMD），颗粒阻尼器（PD），调频液体颗粒阻尼器（TL-PD），减振控制

　　Abstract

　　Tower structures are mostly high-rise structures, with low horizontalstiffness and significantly dynamic response under load. So vibrationcontrol of wind and seismic waves becomes an important part of towerstructural design and hotspot in the field of vibration control. In this paper,the vibration damping device is designed and manufactured. Throughnumerical simulation and shaking table test of the tower model, thedynamic response of the top floor of the tower with or without TMD iscalculated. The analysis results are applied to a wind turbine structure inShandong province as an example, the vibration damping device isinstalled on the top of the tower to control the vibration. Finally, thevibration damping device is optimized, and the vibration reduction effectof various dampers on the tower under the action of the same seismicwave is studied by shaking table test. The main contents and conclusionsare as follows:

　　1. A small tower model is designed, and a 3D model is built by usingABAQUS finite element software. The modal analysis shows that thefirst-order natural vibration frequency of the tower is 13.6Hz. Install theTMD device and compare the dynamic response of the top floor of thetower with or without TMD. Numerical simulation shows that the TMDdevice can obviously reduce the dynamic response of the tower and has acertain damping effect.

　　2. The model was made of stainless steel, and the shaking table testwas carried out to test the natural vibration characteristics and dynamicresponse of the tower. The error between the first order natural vibrationfrequency and the numerical simulation results is only 4.99%. Thedynamic response test shows that the vibration intensity of the tower topcan be significantly reduced after TMD is installed, and the closer theexternal load frequency is to the natural frequency of the tower, the betterthe vibration reduction effect will be. Under the action of three kinds ofseismic waves, the damping rate can reach 20%~60%.

　　3. On the basis of the above tests and analysis, the tuned massdamper is optimized, and liquid, ball, liquid and ball are added into themass block cavity respectively. Through the shaking table test, thedamping effect of various types of dampers under the action of the sameseismic wave is studied. The test results show that the vibration reductionrate of the four dampers can reach 20%~60%, no matter the peak value orthe root mean square value, among which the TL-PD damper has the besteffect.

　　4. Taking a wind turbine structure in Shandong province as anexample, the vibration responses of the structure under four TMD layoutschemes are compared. According to the calculation results, TMD has agood control effect on the wind-induced vibration response of the windturbine structure, in which the acceleration control effect is the best(53.83%), followed by the velocity and displacement. At the same time,when the effect of low-order mode is large and the high-order mode is notconsidered, the control effect will be reduced when a large TMD isdecomposed into several small mass TMD.

　　Key Words: tower structure, tuned mass damper (TMD), tunedliquid and mass damper (TLMD), particle damper (PD), tuned liquidparticle damper (TL-PD), vibration control

　　目录

　　摘要 ....................................................................................................................... I

　　Abstract ....................................................................................................................... III

　　第 1 章绪论 ....................................................................................................... 1

　　1.1 塔式结构的发展现状 ......................................................................................... 1

　　1.2 塔式结构的动力响应 ......................................................................................... 2

　　1.3 结构振动控制研究 ............................................................................................. 3

　　1.3.1 调频质量阻尼器（TMD） ............................................................................... 5

　　1.3.2 调频液体阻尼器（TLD） ................................................................................ 7

　　1.3.3 液体质量双调频阻尼器（TLMD） .................................................................... 8

　　1.3.4 颗粒阻尼器（PD） ........................................................................................ 9

　　1.3.5 调频液体颗粒阻尼器（TL-PD） ..................................................................... 10

　　1.4 本文研究的主要内容和创新点 ......................................................................... 11

　　1.4.1 本文研究的主要内容.................................................................................... 11

　　1.4.2 本文的主要创新点....................................................................................... 12

　　第 2 章塔架模型的 TMD 振动控制数值模拟 ...................................................... 13

　　2.1 TMD 振动控制原理 ......................................................................................... 13

　　2.2 有限元模型的建立 ........................................................................................... 14

　　2.3 模态分析 ......................................................................................................... 16

　　2.4 塔架模型的振动响应数值分析 ......................................................................... 18

　　2.4.1 振动荷载................................................................................................... 19

　　2.4.2 塔架模型的振动响应数值分析........................................................................ 21

　　2.5 TMD 减振控制数值分析 .................................................................................. 24

　　2.6 本章小结 ......................................................................................................... 28

　　第 3 章塔架模型的 TMD 振动控制试验 .............................................................. 29

　　3.1 试验研究的目的和内容 .................................................................................... 29

　　3.1.1 研究目的................................................................................................... 29

　　3.1.2 研究内容................................................................................................... 29

　　3.2 试验模型及设备 .............................................................................................. 29

　　3.2.1 试验塔架模型............................................................................................. 29

　　3.2.2 TMD 装置 ................................................................................................. 31

　　3.2.3 试验设备................................................................................................... 32

　　3.3 试验方案 ......................................................................................................... 34

　　3.3.1 测点布置................................................................................................... 34

　　3.3.2 试验输入荷载............................................................................................. 34

　　3.3.3 试验步骤................................................................................................... 35

　　3.4 塔架模型的振动响应试验分析 ......................................................................... 35

　　3.5 TMD 减振控制试验分析 .................................................................................. 39

　　3.6 本章小结 ......................................................................................................... 44

　　第 4 章三种阻尼器的振动控制试验 ..................................................................... 45

　　4.1 TLMD 的振动控制原理 ................................................................................... 45

　　4.1.1 TLMD 中 TMD 设计方法 .............................................................................. 46

　　4.1.2 TLMD 中 TLD 设计方法 ............................................................................... 47

　　4.2 PD 的振动控制原理 ......................................................................................... 50

　　4.3 TL-PD 的振动控制原理 ................................................................................... 50

　　4.4 三种阻尼器的振动控制试验 ............................................................................. 51

　　4.4.1 参数设计................................................................................................... 51

　　4.4.2 减振控制分析............................................................................................. 51

　　4.5 本章小结 ......................................................................................................... 54

　　第 5 章风机结构的 TMD 振动控制数值模拟 ...................................................... 55

　　5.1 有限元模型的建立 ........................................................................................... 55

　　5.2 模态分析 ......................................................................................................... 57

　　5.3 结构风振响应分析 ........................................................................................... 59

　　5.3.1 风的基本特性............................................................................................. 59

　　5.3.2 脉动风速时程的模拟.................................................................................... 59

　　5.3.3 风荷载的计算............................................................................................. 61

　　5.3.4 结构风振响应分析....................................................................................... 62

　　5.4 TMD 减振控制数值分析 .................................................................................. 63

　　5.4.1 TMD 形式与布置原则 .................................................................................. 63

　　5.4.2 TMD 减振控制效果 ..................................................................................... 64

　　5.5 本章小结 ......................................................................................................... 69

　　第 6 章结论与展望 ................................................................................................. 70

　　6.1 结论 ................................................................................................................ 70

　　6.2 展望 ................................................................................................................ 70

　　参考文献 ......................................................................................................... 72

　　致谢 ..................................................................................................................... 77

　　攻读学位期间参加的科研项目和成果 ..................................................................... 78

　　第 1 章绪论

　　1.1 塔式结构的发展现状

　　塔式结构指的是高度较大，横断面相对较小的结构，以水平荷载为结构设计的主要依据[1]。按照主体结构受约束的条件可以分为两种类型：一种为自立式塔式结构（Tower Structure），如电视发射塔、海洋导航塔、工业烟囱、自来水塔等；一种为拉线式桅式结构（Guyed Mast Structure），这种结构是依靠几个方向的纤绳拉力来保持主体结构的直立和稳定，如无线电桅杆等[2]。

　　1889 年，法国巴黎建成的埃菲尔铁塔开创了现代塔式结构的先河。该塔高300 米，天线高 24 米，总高 324 米。它与东京铁塔、帝国大厦并称为“西方三大着名建筑”。随后，我国也相继建成了各种形式的塔式结构，如广州塔、厦门双子塔、中央广播电视塔等。

　　进入 20 世纪，塔式结构建设得到迅猛发展，广泛应用于广播、通讯和电视等领域。起初，架设天线的杆塔基本上都是木桅杆，后来多采用多边形空间桁架结构，材料选择强度更高、耐久性更好的钢桅杆。20 世纪 30 年代，由于无线电台的大规模建设，推动了塔式结构的建设向工业化方向发展。20 世纪 80 年代开始，钢结构塔采用“塔的个性化”设计方法，首创了许多特色的塔型以及新结构体系。

　　近年来，在国家政策支持和清洁能源战略的背景下，风电发展迅速。根据我国风电发展预测，到 2020 年底，全国风电总装机规模将达到 12000 万 kW，到2050 年底，全国风电总装机规模将达到 50000 万 kW[3]。如图 1-1 所示为现在世界上利用最多的水平轴风力发电机，图 1-2 为垂直轴风力发电机。

　
　图 1-1 水平轴风力发电机

　
　图 1-2 垂直轴风力发电机

　　1.2 塔式结构的动力响应

　　塔式结构的高度大横截面小，以至于结构相对较柔，在水平向荷载作用下会产生较大的振动和变形，其中结构的内部 80%~90%的应力是由水平荷载作用引起的[4]。近几年来，高耸塔式结构的在强风作用下遭受严重破坏的例子数见不鲜。

　　另外，由于水平荷载长期作用于塔式结构上，引起循环应力，会造成结构构件的疲劳损伤。因此即便较小的荷载没有造成结构发生强度破坏，也可能由于疲劳损伤积累到极限，造成局部乃至整体的损坏。

　　1969 年英国约克郡一座高 386 m 的钢管电视塔遭遇强风，其天线桅杆被直接吹倒；捷克一座 180 m 高的电视塔由于水平风向的响应较大，塔体混凝土严重开裂以致整座塔完全破坏，测算结构显示当时横风向的振动振幅达 1 m；2009年我国河北晋州迎宾大道以南 180 米处，一座在建广播电视塔在大风中拦腰折断。事发当天，晋州出现大风天气，瞬时风速达到 22.0 米/秒（9 级），该电视塔为钢架结构，总高约 150 米，折断处位于塔身三分之二处，塔尖直接戳进地里；2012 年我国河南省一座四柱钢结构广播电视发射塔在建成 5 年后受大风影响发生折断、倒塌，据气象资料显示，当日平均风力 7~8 级，极大风速为 22 m/s，瞬时风力为 9 级；2018 年 7 月 11 号，强台风“玛莉亚”在福建黄岐半岛登陆，登陆时中心附近最大风力有 14 级（42 米/秒），中心最低气压为 960 百帕，本次台风造成两起风力发电机事故：大京风电场 8 号风机倒塌，23 号风机叶片折断、地基松动和闾峡风电场 14 号风机塔筒折断事故。

　　
图 1-3 在大风中折断的晋州电视塔

　　图 1-4 大京风电场倒塌的风机

　　总结建筑物特别是高耸结构遭受到的破坏事故，水平荷载对其产生的破坏现象主要有：

　　（1）在水平荷载作用下，结构会发生抖振、颤振和驰振，从而引发结构倒塌或构件开裂而严重破坏；（2）往往大风或者地震过后，结构部分构件会开裂或者留有一定的残余变形，这样高耸结构只要受到微小的振动，就易于倾倒；（3）水平荷载频繁作用在建筑物上，会使建筑物的部分构件发生疲劳破坏，从而导致结构整体的破坏。

　　随着高层建筑和高耸结构的迅猛发展，对振动响应的控制变得越来越重要。

　　近二十年来，国内外建造了大量的超高层建筑，且建筑物的高度还将不断突破。

　　这些结构对减振设计都提出了新的要求，采用传统的增加结构刚度的方法显然是不可行的，这样既不经济又违背了使用轻质高强材料的初衷。从塔式结构的结构特点出发，其在水平荷载下会引起较大的结构动力响应，采用振动控制技术是解决该类问题的有效途径之一。

　　1.3 结构振动控制研究

　　顾名思义，由于动力荷载作用会引起结构反应，而结构振动控制就是通过安装减振装置来减轻动力荷载作用下主体结构的响应，以满足结构安全性、实用性和舒适性的要求[5]。结构振动控制最早出现在 20 世纪 50 年代，前苏联分别在一个 100 m 高的电视塔上安装了 4 个摆式减震器，以及 80 m 高的钢烟囱上安装了8 个摆锤，结果显示结构的对数衰减率分别由 0.12 增加到 0.56 和由 0.13 增加到0.4。尽管结构控制的概念在当时还没有被提出，但人们已经成功地用被动控制装置对结构的风致振动进行了减振控制。1972 年，美籍华裔学者姚志平[6]基于古典控制理论及现代控制理论首次提出了结构控制的概念。

　　根据是否需要提供外部能源，结构振动控制一般分为主动控制、半主动控制、混合控制和被动控制四种，下面将对这几种控制方法的研究内容及减振原理作简要的介绍[7]。

　　主动控制（Active Control）是将自动控侧科学技术，与结构工程科学技术相结合，实现减轻结构振动的目的。主动控制可以根据人们的期望来调节对结构的振动控制效果，二十多年来，人们对主动控制的研究在逐步深入，从理论分析走向实验研究，又从试验走向应用。理论和试验研究及工程应用均表明：结构主动控制确实具有较好的减振控制效果。

　　主动控制技术在使用过程中，需要外部能源的输入，并且要保证主体结构在受到动力荷载时，外部能源不能断掉。

　　半主动控制（Semi-active control）是借助少许能量调节控制装置、通过改变振动体系的刚度或阻尼特性从而实施反馈控制的技术。它不直接向受控结构输入强大的机械能，只是需要提供少量的能量给实施控制力的作动器以便使其主动地利用结构的振动，尽可能地实现最大控制效果。半主动控制亦称参数控制，其反馈控制原理与主动控制相同，其控制装置一般为参数可调的被动装置。一般有变刚度控制、变阻尼控制和变摩擦控制等多种。不足之处是半主动控制的实现受到一些约束条件的限制，将已有的主动控制算法直接用于半主动控制中并不合适。

　　实现半主动最优控制，并同时满足半主动控制力的约束条件，是一个亟待解决的问题。

　　混合控制（Hybrid Control）是将主动控制和被动控制同时应用于被控结构，充分利用了各自的优点。通过被动控制系统大量耗散振动能量，同时又利用主动控制系统保证其控制效果，对高频振动和低频振动都有很强的控制能力，相比单纯的主动控制，不需要提供过多的外部能量，但实施起来较为复杂，故应用的不多。

　　被动控制（Passive Control）不需要外加能源，外荷载作用引起结构振动，结构振动又带动控制装置一起运动，从而产生一组反作用力作为控制力抑制结构的振动。被动控制可分为基础隔震技术、消能减震技术以及吸振减震技术。由于其具有造价较低、便于维护和不需提供能源等优点，故引起工程界的广泛关注，成为应用研发的热点。

　　被动调频减振装置主要是利用当减振装置的自振频率调频到与结构的受控频率相同或相近时，将结构本身的振动能量转换到被动减振装置上，达到消耗能量、抑制结构振动的目的。被动调频减振装置主要有调频质量阻尼器（Tuned MassDamper，以下简称 TMD）和调频液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，以下简称TLD）两类。

　　本文讨论的是被动控制中的 TMD、液体质量双调频阻尼器（Tuned Liquid andMass Damper，以下简称 TLMD）、颗粒阻尼器（Particle Damper，以下简称 PD）以及调频液体颗粒阻尼器（Tuned Liquid Particle Damper，以下简称 TL-PD）。

　　1.3.1 调频质量阻尼器（TMD）

　　调频质量阻尼器（Tuned Mass Damper，以下简称 TMD）是被动控制装置里面的一种典型结构振动控制装置。它是一个由弹簧、阻尼器、质量块组成的振动体系，如图 1-5 所示。通过改变质量或刚度调整控制装置的自振频率，使其接近主体结构的基本频率，当主体结构受激励振动时，会带动 TMD 一起运动，TMD就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在结构上，使主体结构的振动反应（振动加速度、速度和位移）衰减，即利用共振原理，对主体结构某些振型（通常是第一振型）的动力响应加以控制。同时还将主体结构的动能部分转化为 TMD的动能，并通过 TMD 的阻尼耗散掉。

　　图 1-5 TMD 控制系统

　　TMD 是 Frahm[8]在 1909 年提出的一种结构振动控制装置，当时被人们称为“动力吸振器”，主要应用于机械振动领域的吸振控制，后来才慢慢应用到建筑结构的减振。关于 TMD 在结构减振方面的应用，国内外研究者做了大量的研究：

　　McNamara[9]取等效阻尼比作为减振评价指标，基于单自由度结构模型研究了高层建筑的 TMD 风致振动控制问题；Xu 等[10]基于从风洞试验中获得的风激励谱数据，对 TMD 的参数进行了系统地研究，并提出了可用于计算高层建筑由于风荷载作用引起的振动响应的谱分析法；Lee 等[11]给出了满足 TMD 理论与实际应用相结合的优化设计方案；Gu 等[12]则将 TMD 安装在大跨桥梁上，数值研究结果表明 TMD 能明显控制大跨桥梁的抖振；Haoran Zuo 等[13]研究了多种荷载作用下，安装多重调谐质量阻尼器对风力发电机的减振效果，研究表明，在多种荷载（高频和低频）作用下，多重调谐质量阻尼器具有明显的减振效果，且鲁棒性较好；关于被动控制技术应用在近海风机上，控制其动力响应，以及 TMD 的参数研究，前人做了大量的工作[14-16]；为了改善 TMD 对频率调谐敏感的问题，施卫星等[17]人设计了一种自调频质量阻尼器，包括可调节质量的箱体、伺服控制系统和驱动装置。在外界激励下，伺服控制系统能够自发地启动驱动装置改变 TMD的质量，从而调节 TMD 频率至主体结构的频率附近，试验表明，变频调节有较好的收敛性，变频调节功能可以有效提高结构的等效阻尼比；李春祥等[18]人系统研究了 TMD 用于高层建筑的抗风计算，导出了 TMD-高层钢结构系统的风振加速度设计计算公式；鲁正等[19]基于液体调谐和颗粒碰撞协同减振的原理，提出一种组合型 TMD，试验研究表明，该组合型 TMD 峰值加速度衰减率和均方根加速度衰减率均优于传统质量阻尼器；欧进萍等[20]则提出了 TMD 用于减小高层建筑风致振动的分析与设计方法。

　　现在，TMD 装置已经被广泛地应用在实际工程中，并取得了良好的减振效果[21]。1977 年，TMD 系统最早应用于美国 244 m 高的汉考克（Hancock）大厦上，TMD 装置被安装在该大厦的第 58 层，惯性质量由铅制作，尺寸为 5.2 m×5.2 m×1 m，总重为 300 t。当 TMD 系统的底板振动达到 3 mg 时，系统启动，开始发挥减振作用，现场测试表明，该减振系统可以明显降低结构一半的动力响应[18]。

　　随后，1978 年美国纽约高 287 m 的花旗银行（Citicorp）大厦也安装了 TMD控制系统，该 TMD 系统惯性质量的尺寸为 9.14 m×9.14 m×3.05 m，总重为 410t，材料选用混凝土制成，当加速度达到 3 mg 时，该系统启动发挥减振作用，现场测试表明，该系统的减振控制效果可达 40%[22]。

　　着名的台北 101 大厦选择使用 TMD 来降低结构过大的风致振动。将 660 t的载重量悬吊于 92 层，支架周围设 8 组油压式阻尼器，87 楼采用 8 组防撞油压式阻尼器，当质量块运动振幅超过 1 m 时，安装在质量块下方的筒状钢棒就会撞击缓冲钢环，质量块运动得以减轻[22]。

　　1.3.2 调频液体阻尼器（TLD）

　　调频液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，以下简称 TLD）是将结构顶部的水箱看做控制装置，由水箱中液体摇晃而产生的压力差提供结构控制力，从而起到对结构的控制目的。TLD 装置具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点，可兼做供水水箱使用[21]，如图 1-6 所示。

　　图 1-6 TLD 控制系统

图 1-7 TLMD 控制系统

图 1-9 调频液体颗粒阻尼器控制系统

图 2-1 三维模型图

图 2-4 塔架侧视图

　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　第 6 章结论与展望

　　6.1 结论

　　本文利用 ABAQUS 有限元模拟以及振动台试验对塔式结构的振动控制进行了分析研究。设计并制作了 TMD 减振装置，对其进行了在正弦波和地震波作用下，有无 TMD 装置的动力分析以及振动台试验，包括塔架的自振特性测定以及动力响应测试。并将此 TMD 用在实际风力发电机塔架上，进行数值模拟。在此基础上，优化此 TMD 装置，通过安装 TLMD、PD 以及 TL-PD 阻尼器的振动台试验，比较各阻尼器的减振效果。得出了以下成果和结论：

　　1、通过对试验所用模型进行 ABAQUS 模态分析和动力响应分析，得出与振动台试验一致的结论，塔架的一阶自振频率为 13.6 Hz，与振动台试验塔架自振特性测定结果误差仅为 4.99%。

　　2、数值分析和振动台试验结果均表明，在试验正弦波、天津波、Friuli 波和Hollister 波作用下，安装 TMD 后，塔架顶层位移、速度和加速度响应明显减小，减振率达 20%~80%。其中，当正弦波频率与塔架一阶固有频率相近时，减振效果最好。

　　3、对 TMD 装置进行优化，讨论了 TLMD、PD、TL-PD 共四种阻尼器在同样的地震波作用下减振效果的优劣。振动台试验表明，在地震波作用下，四种阻尼器无论是峰值还是均方根减振率均能达到 20%~60%，其中，TL-PD 的减振效果最好。

　　4、将此 TMD 应用到实际风力发电机塔架上，从数值分析计算结果可知，TMD对风机结构的风振响应有较好的控制效果，其中加速度控制效果最佳，可达53.83%，其次是速度和位移。同时，对比减振前后四种 TMD 布置方案下结构的振动响应，当低阶振型作用较大，不考虑高阶振型时，将一个大的 TMD 分解成多个小质量 TMD 时，控制效果会有所降低。

　　6.2 展望

　　大量的理论分析、试验研究和工程应用结果表明：利用 TMD 进行结构减振是非常有效的，具有广阔的应用前景。本文主要是通过数值模拟和振动台试验进行塔架结构减振分析，与实际情况还是有点差距，以下提出几点作为今后工作的展望：

　　1、本文仅对设计制作的不锈钢塔架模型进行了振动台试验，相对于实际结构有未考虑周全的因素，在未来的研究中，希望能够做部分实际结构或者缩尺模型，针对实际结构设计出针对性更强的模型，使在振动台上完成对主体结构的振动控制试验成为可能。

　　2、相较于 TMD 而言，TLD 的数值模拟涉及流固耦合问题，较为复杂，因此本文仅对其进行了振动台试验研究。后续研究中有限元计算可以增加固液耦合模拟，对 TLMD 的减振原理进行理论分析。并且对各阻尼器的减振参数对减振效果的影响进行深入研究。

　　3、针对现有被动控制阻尼器的缺点（减振频带窄），提出改进措施，设计可以调节自身频率与主体结构相适应的阻尼器。

　　参考文献

　　[1] 胡卫兵, 何建. 高层建筑与高耸结构抗风计算及风振控制[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2003.

　　[2] 罗书泉. 高耸电视塔的风振响应及控制分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学,2010.

　　[3] 黄加明. 风力发电的发展现状及前景探讨[J]. 应用能源技术, 2015(4): 47-50.

　　[4] 王肇民. 高耸结构振动控制[M]. 上海: 同济大学出版社, 1996.

　　[5] 周云. 结构风振控制的设计方法与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

　　[6] Yao J P T. Concept of structural control [J]. Journal of Structural Division, 1972,98(ST7): 1567-1574.

　　[7] 背户一登. 结构振动控制[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

　　[8] R. Rana, T. T. Soong. Parametric Study and Simplified Design of Tuned MassDampers [J]. Engineering Structures, 1998, 20(3): 193-204.

　　[9] R. J. McNamara. Tuned Mass Dampers for Buildings [J]. ASCE Journal of theStructure Division, 1977, 103(9): 1785-1798.

　　[10] Y. L. Xu, K. C. S. Kwok and B. Samali. Control of Wind-induced Tall BuildingVibration by Tuned Mass Dampers [J]. Journal of Wind Engineering and industrialAerodynamics, 1992, 40(1): 1-32.

　　[11] C. L. Lee, Y. T. Chen, L. L. Chung, et al. Optimal Design Theories andApplications of Tuned Mass Dampers [J]. Engineering Structures, 2006, 28(1): 43-53.

　　[12] M. Gu. On Wind-Rain induced Vibration of Cables of Cable-Stayed BridgesBased on Quasi-Steady Assumption [J]. Journal of Wind Engineering and industrialAerodynamics, 2009, 97(7): 381-391.

　　[13] Zuo Haoran, Bi Kaiming, Hao Hong. Using multiple tuned mass dampers tocontrol offshore wind turbine vibrations under multiple hazards [J]. EngineeringStructures, 2017(141): 303-315.

　　[14] MA Lackner, MA Rotea. Passive structural control of offshore wind turbines [J].Wind Energy, 2011(14): 373-388.

　　[15] GM Stewart, MA Lackner. The impact of passive tuned mass dampers andwind-wave misalignment on offshore wind turbine loads [J]. Engineering Structures,2014(73): 54-61.

　　[16] S Elias, V Matsagar, T Datta. Effectiveness of distributed tuned mass dampers formulti-mode control of chimney under earthquakes [J]. Engineering Structures,2016(124): 1-16.

　　[17] 施卫星, 王梁坤, 王洪涛. 自调频调谐质量阻尼器及其减振性能研究[J]. 同济大学学报（自然科学版）, 2018,46(6): 751-758.

　　[18] 李春祥, 熊学玉, 胡俊生. TMD-高层钢结构系统按规范抗风设计方法[J]. 工业建筑, 2000,30(4): 1-4.

　　[19] 鲁正, 王贤林, 何任飞. 一种组合型质量阻尼器的振动台试验研究[J]. 振动与冲击, 2018,37(12): 220-225.

　　[20] 欧进萍, 王永富. 设置 TMD/TLD 控制系统的高层建筑风振分析与设计方法[J]. 地震工程与工程振动, 1994,14(2): 61-74.

　　[21] 李爱群. 工程结构减振控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

　　[22] 媵军. 结构振动控制的理论、技术和方法[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

　　[23] 刘立平, 李英民, 韩军, 等. 调液阻尼器减振效应研究的综述和展望[J]. 重庆建筑大学学报, 2006, 28(4): 132-135.

　　[24] V J Modi, J L C Sun, L S Shupe, et al. Mutation damping of wind inducedinstabilities [C]//Proceedings of the 4’’ Colloquium on industrial Aerodynamics, 1980:

　　270-282.

　　[25] T Sato. Tuned sloshing damper [J]. Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics, 1989, 32(1): 67-68.

　　[26] Y. Fujino, B. M. Pacheco, P. Chaiseri and L. M. Sun. Parametric Studies on TunedLiquid Damper (TLD) Using Circular Containers by Free-Oscillation Experiments [J].

　　JSCE Journal of Structural Engineering/Earthquake Engineering, 1988, 5(2): 381-391.

　　[27] P. Banerji, M. Murudi. Tuned Liquid Dampers for Controlling EarthquakeResponse of Strucrures [J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2000,29(5): 588-602.

　　[28] 孙树民, 徐利明. 透空式防波堤随机波浪反应的 TLD 控制[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2007, 35(2): 75-78.

　　[29] 李暾, 李创第, 黄天立. 带 TLD 控制结构随机风振响应分析的复模态法[J].

　　兰州理工大学学报, 2007, 33(2): 116-119.

　　[30] 翟伟廉, 宋波. TLD 对珠海金山大厦主楼风振控制的设计[J]. 建筑结构学报，1995, 16(3): 21-28.

　　[31] 周惠蒙, 吴斌, 谭晓晶. 调谐液体阻尼器的振动台子结构试验研究[J]. 土木工程学报, 2014(47): 70-75.

　　[32] Ahmet Can Altunisik, Ali Yetisken, Volkan Kahya. Experimental study on controlperformance of tuned liquid column dampers considering different excitationdirections [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2018(102): 59-71.

　　[33] Y. Tamura, K. Fujii, T. Ohtsuki, et al. Effectiveness of Tuned Liquid Dampersunder Wind Excitation [J]. Engineering Structures, 1995, 17(9): 609-621.

　　[34] T. Ueda, R. Nakagaki and K. Koshida. Suppression of Wind-induced Vibration byDynamic Dampers in Tower-like Structures [J]. Journal of Wind Engineering andindustrial Aerodynamics, 1993, 43(1): 1907-1908.

　　[35] 瞿伟廉, 宋波, 陈妍桂, 翟新民. TLD对珠海金山大厦主楼风振控制的设计[J].

　　建筑结构学报, 1995, 16(3): 21-28.

　　[36] 任振华, 丁大均, 陆勤. TLD 装置的工作原理及其在南京电视塔风振控制中的应用[J]. 地震工程与工程振动, 1994, 14(3): 105-113.

　　[37] 汪正兴, 王波, 钟继卫, 等. 液体质量双调谐减振器（TLMD）研究与应用[J].

　　桥梁建设, 2011(1): 10-13.

　　[38] 盛涛, 金红亮, 李京, 等. 液体质量双调谐阻尼器（TLMD）的设计方法研究[J]. 振动与冲击, 2017, 36(8): 197-202.

　　[39] 白振国, 廖冰冰, 等. 颗粒阻尼器研究进展[C]//第十三届船舶水下噪声学术讨论会议文集, 2011.

　　[40] 段勇, 陈前, 林莎, 等. 颗粒阻尼对直升机旋翼桨叶减振效果的实验[J]. 航空学报, 2009, 30(11): 2113-2118.

　　[41] 段勇, 陈前. 软内壁颗粒阻尼器阻尼特性实验研究[J]. 振动工程学报, 2011,24(2): 215-220.

　　[42] 赵玲, 刘平, 卢媛媛. 非阻塞性微颗粒阻尼柱阻尼特性的实验研究[J]. 振动与冲击, 2009, 28(8): 1-5.

　　[43] 闫维明, 王瑾, 许维炳. 基于单自由度结构的颗粒阻尼减振机理试验研究[J].

　　土木工程学报, 2014, 47(S1): 76-82.

　　[44] G Michon, A Almajid, G Aridon. Soft hollow particle damping identification inhoneycomb structures [J]. Journal of Sound and vibration, 2013, 332: 536-544.

　　[45] Egger Philipp, Caracoglia Luca, Kollegger Johann. Modeling and erperimentalvalidation of a multiple-mass-particle impact damper for controlling stay-cableoscillations [J]. Structural Control & Health Monitoring, 2015, 23(6): 960-978.

　　[46] A Papalou, E Strepelias, D Roubien, et al. Seismic protection of monuments usingparticle dampers in multi-drum columns [J]. Soil Dynamics and EarthquakeEngineering, 2015, 77(6): 360-368.

　　[47] 戴靠山, 王键泽, 毛日丰, 等. 一种风电塔架减振耗能装置的振动台试验研究[J].地震工程与工程振动, 2014, 34(S): 868-872.

　　[48] Luft R W. Optimal tuned mass dampers for buildings [J]. Journal of the StructuralDivision, 1979, 105(12): 2766-2772.

　　[49] 崔琼. 悬吊式 TMD 对近海风机的振动控制研究[D]. 大连: 大连理工大学,2011.

　　[50] 徐鉴. 振动控制研究进展综述[J]. 力学季刊, 2015, 36(4): 547-565.

　　[51] 顾金钧, 赵煜澄, 邵克华. 九江长江大桥应用新型 TMD 抑制吊杆涡振[J]. 土木工程学报, 1994(3): 5-15.

　　[52] 汪正兴. 阻尼减振技术及其在桥梁与塔式结构中的应用[J]. 桥梁建设,1999(4): 22-25.

　　[53] 汪志昊, 华旭刚, 陈政清, 等. 基于微型永电磁式涡流阻尼 TMD 的人行桥模型减振试验研究[J]. 振动与冲击, 2014, 33(2): 129-139.

　　[54] W J WU, C S CAI. Theoretical exploration of a taut cable and a TMD system [J].Engineering structure, 2007, 29(3): 962-972.

　　[55] 袁小沁, 刘习军, 张秦侠. MR-TMD 减振系统对连续箱形桥振动控制研究[J].振动与冲击, 2012, 31(20): 153-157.、[56] 闫维明, 黄韵文, 何浩祥, 等. 颗粒阻尼技术及其在土木工程中的应用展望[J]. 世界地震工程, 2010, 26(4): 18-24.

　　[57] 施卫星, 何斌, 李晓玮, 等. 一种新型调谐质量阻尼器的试验研究[J]. 振动与冲击, 2015, 34(12): 207-211.

作者单位：浙江科技学院

原文出处：倪玲. 塔式结构的振动控制分析研究[D].浙江科技学院,2019.

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