调谐质量阻尼器(TMD)的研究综述+祁丽丽+土木工程学院

调谐质量阻尼器（TMD）的研究综述

工程力学祁丽丽

（河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003）

摘要：本文对调谐质量阻尼器（TMD）的构造及工作机理进行了分析，归纳总结了TMD的发展阶段，并举例阐述了TMD在结构振动与控制方面的应用，从而说明TMD在土木工程防灾减灾技术中发挥着重要作用，由此可见TMD具有良好的发展前景和研究价值。

关键词：调谐质量阻尼器，吸振器，阻尼器，减振作用

A General Statement to the Research of Tuned Mass Damper

QI Li-li

( Institute of Civil Engineering, Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）

Abstract：The structure and working mechanism of tuned mass damper are analysed in the article and it summarizes the development stages of TMD and illustrates the applications of TMD in structural vibration and control.Thus TMD plays an important role in disaster prevention and reduction technology . From the article we can learnTMD has good development prospect and the research value.

Key words：t uned mass damper;absorption isolator;damper;damping effect

1 引言

随着结构振动控制技术的迅速发展，调谐减振技术的理论研究变得更加成熟，应用也更加广泛。作为主要的调谐减振装置，调谐质量阻尼器（TMD）也被广泛应用到结构防灾减灾工程中。由于TMD能有效地衰减结构的动力反应，且构造简单，易于安装，维护方便，经济实用，已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨桥梁的抗震抗风装置。TMD不仅可应用于新建建筑，而且通过“加层减震”技术可以改善已有房屋的耐震性能[1]。

2 TMD的构造及工作机理

调谐质量阻尼器（TMD）是一个小的振动系统，由质量块、弹簧系统和阻尼系统组成。其简单模型如图1所示。它对结构进行振动控制的机理是：原结构体系由于加入了TMD，其动力特性发生了改变，原结构承受动力作用而剧烈振动时，由于TMD质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，其阻尼也发挥耗能作用，从而使原结构的振动反应明显减弱。它的特点是对结构某一阶固定频率振动的耗能作用非常明显[2]。

图1 调谐质量阻尼器（TMD）的简单模型

Fig.1 The simple model of tuned mass dampers

3 TMD的发展阶段

3.1 TMD的早期研究

TMD结构应用的现代思想的最早来源是早在1909年Frahm研究的动力吸振器。Frahm的吸振器的图解见图2，它由一个小质量m和一个刚度为A的弹簧连接于弹簧刚度为K的主质量M。在简谐荷载作用下，可显示出当所连接的吸振器的固有频率被确定为激励频率时，主质量M能保持完全静止。

图2 受简谐激励的无阻尼吸振器和主质量

Fig.2 Undamped vibration absorber and the quality by the simple harmonic excitation 此后，各国的研究工作者在TMD减振的理论和应用方面做了大量的工作。美国最早开始进行减振理论的研究并将TMD装置应用到了高层建筑。许多早期研究局限于动力吸振器在工作频率与基本频率相协调的机械工程系统中的应用。但建筑结构所受到的如风和地震的环境荷载的作用具有许多频率分量，而通常叫做调谐质量阻尼器(TMD)的动力吸振器在多自由度和有阻尼建筑结构中的性能是不一样的。在过去20多年中，许多研究与开发工作因此而定位于研究TMD在这种振动环境中的效果。

3.2 TMD的拓展研究

（1）单个TMD的研究

单个TMD的研究多集中于对结构控制效果和最优控制参数的理论研究上。单个TMD的控制效果对其频率较为敏感，当频率只略微偏离设计时，控制效果将会极大地下降[3]。

（2）MTMD的研究

近年来，国内外学者针对单个TMD的理论和技术方法，提出了多调谐质量阻尼器的概念，简称MTMD。MTMD系统可对受较宽频带的外激励的结构进行振动控制，效果明显[4]。

（3）ETMD的研究

现阶段，国内外学者对TMD进行了改进和扩展，形成了利用结构内部的设备、装置等作为质量体对结构的振动能量进行消耗，简称ETMD。此系统克服了TMD需要增加额外质量的不足，减轻了系统承载的负担。目前该系统已经被应用于海洋平台的振动控制。

4 TMD的优点

（1）能有效衰减主结构的振动反应；

(2）可以充分利用主结构已有的结构作为TMD，不必专门设置调谐装置；

（3）采用TMD对于某些难以采取传统加强措施的结构，如高层结构、高层塔架结构、大跨度结构、海洋平台等重大结构，提供了一条难以替代的减振措施；

（4）节省工程造价：由于对主结构的减振作用明显，所以主结构可以减小构件截面尺寸、减小配筋、简化施工。

5 TMD在重要建筑物中的应用

（1）台北101大厦

台北101大厦在87~92楼安装了世界上目前最大的大楼风阻尼器，本身重量660公吨，系统总重量730公吨，由四十一层12.5公分厚钢板结合为球形，直径5.5公尺，总造价约三千万人民币，可以减少因地震、风吹摇晃所引起的摆幅40%~60%。