TMD在框架结构轻钢加层的位置优化分析

摘　要:采用有限元软件SAP2000,建立了某4层框架结构加2层钢框架后的模型,对该结构分3种方案设置调谐质量阻尼器(TMD)后进行多遇地震作用下的时程分析对比。结果表明:3种方案均使结构各层位移峰值得以降低,顶层位移峰值降低最显著,而方案1的控制效果优于方案2和方案3的控制效果。 关键词:轻钢结构加层,鞭梢效应,调谐质量阻尼器(TMD),振动控制 随着我国经济建设的迅速发展,致使城市人口日益增长,城市用地日趋紧张。
在土地资源受到限制的情况下,将原有的建筑进行加层改造可以满足社会发展的需求。加层技术中,钢结构加层技术是目前最为推广的一种。钢结构加层具有自重轻、施工方便等优点。由于下部原结构多为砌体结构或钢筋混凝土框架结构,所以组合成的结构属于复合结构。但是对于钢筋混凝土框架顶部钢结构加层后结构特点为原框架刚度、质量较大,而加层钢结构部分的刚度、质量较小,属轻钢柔性屋面。整体结构刚度沿高度分布非常不均匀,尤其在加层钢框架与原有屋面连接处,侧移刚度发生突变,易形成结构薄弱层,加层刚度要比下部原结构刚度小,地震反应时易形成鞭梢效应造成震害,因此对此类结构的地震反应控制非常必要。
调谐质量阻尼器(TMD)作为传统的被动控制技术在生产实践中不断地得到应用,其有效减轻振动效应的功能已为人们接受。 如果将结构简化为单自由度体系,则结构加上TMD减震装置后的计算模型见图1。该TMD—结构体系的运动方程为[1,2]: m1¨x1+(c1+c2)¨x1+(k1+k2)x1-c2.x2-k2x2=-m1¨ug(t)(1) m2¨x2+c2(.x2-.x1)+k2(x2-x1)=-m2¨ug(t)(2) 其中,m1,c1,k1分别为主结构的质量,阻尼和刚度;m2,c2, k2分别为TMD子结构的质量,阻尼和刚度;x1,x2分别为结构和TMD子结构相对于地面的位移;¨ug(t)为地面地震加速度。
TMD的控制效果取决于它的参数,质量比(TMD质量与结构质量之比)、阻尼比、频率比(TMD频率与结构基频之比)。因此很多相关的理论研究都致力于TMD的参数优化。最经典的是 Den Hartog提出的利用无阻尼单自由度结构—TMD系统主结构位移的传递函数来确定的TMD最优参数。Den Hartog方法的基本思想是使无阻尼系统在简谐荷载作用下响应最小化。

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