橋樑結構MTMD被動控制研究

摘要：本文採用頻域分析法考慮tmd在多自由度結構中的位置和結構振型特徵，推導了具有 mtmd的ndof結構受控制型廣義坐標的頻率回響方程，據此進行mtmd的參數最佳化和設計，算例表明只要mtmd設計正確，它就可以有效地減小對結構起控制性作用的地震波的動力回響。
關鍵字： mtmd 被動控制頻率回響方程參數最佳化
一、概述
早在1909年，美國的frahm[1]就提出用一個質量的運動來控制或削弱另一個質量的運動這一概念並申請了專利，在這之後，人們進行了大量的研究。frahm當時提出調諧質量吸振器這一設備是為了減小船舶的動力反應，後來慢慢地套用於土木工程領域房屋建築，用來減小建築在風、地震作用下的振動和使用荷載所引起的振動（如跳舞）。對於調諧質量阻尼器的研究，在相當長的時間內，絕大多數都集中在單個調諧質量阻尼器的研究[1，2].
由於tmd發揮作用的前提是準確調頻，stmd僅為一個頻率值，由於各種各樣的原因受控振型的頻率很難準確知道，而且在振動過程中結構的頻率也會發生變化，因此stmd的準確調頻幾乎不可能實現，在實際中也就難以套用，而且在一個位置設定一個較大的質量從設計和施工的角度來看也難以實現，因此需要採用tmd的其它形式。為了解決提高tmd對主系統和tmd自身不確定因素的魯棒性（robustness），最近幾年，一些學者開始研究 mtmd[3，4，5，6，7，8].但是，上述對 stmd、mtmd的研究實際上均是針對單自由度主結構而言的，而且真正進行tmd實橋地震分析的也很少。本文採用頻域分析法考慮tmd在多自由度結構中的位置和結構振型特徵，推導了具有mtmd的mdof結構受控振型廣義坐標的頻率回響方程，據此進行mtmd的參數最佳化和設計，同時還給出了一座橋的算例。
二、mdof結構中mtmd受控報型的頻率幅值方程
設結構的自由度為m，tmd的個數n（設為奇數），mtmd的頻率以控制振型的頻率為中心已按一定的間隔等間距分布，為了便於加工和製作，每個tmd採用相同的剛度和阻尼常數，僅有質量發生變化。
三、mtmd的參數分析與設計
在設計mtmd時應確定的參數包括：mtmd中tmd的個數、每個tmd的剛度常數，每個tmd的阻尼常數、tmd的頻率間隔。
大量的計算表明，針對不同的結構或同一結構的不同振型，mtmd的最佳化參數會不同，必需針對具體結構的具體振型進行參數最佳化分析，限於篇幅，下面直接給出算例關家溝大橋的縱橫向mtmd（分別控制縱模向的地震反應）的最佳化參數。
四、mtmd控制地震時程分析
關家溝大橋[9]為簡支梁橋，全長464米，是四川省萬縣－梁平高速公路上的一座高架橋樑，全橋採用11孔40m跨徑預應力混凝土簡支梁，雙柱式薄壁離墩，"u"形重力式橋台。該橋以相對溝底逾百米的高差凌空跨過谷地，具有多個高橋墩，高度最大的橋墩在自然地面以上97m.為了具體分析設定mtmd的制振效果，本文採用19條不同的地震波對關家溝大橋縱橫向分寶進行了設定mtmd前後的地震回響時程分析，計算表明，對於絕大部分地震波mtmd都起到了較好的制振作用，限於篇幅，僅給出兩條地震波作用下的位移回響時程：
mtmd明顯地改變了結構的時程回響，使動力反應減小，在最初的幾秒內，mtmd對時程回響基本上沒有改變，這是因為，mtmd還處於啟動階段，還沒有充分運動起來的緣故。雖然有些地震波在個別時刻有反應增大現象，但都是在回響較小的非強振時刻，無關緊要。

另外還應該注意到一個很重要的情況，那就是地面激勵的頻率成分和各頻率成分所攜帶的能量（或者振幅值的大小），如果地震波具有較大的加速度峰值且其攜帶主要能量的頻率成分接近於結構動力回響的主控頻率，則這條地震波將對結構起控制作用，反之，如果攜帶主要能量的頻率成分偏離結構動力回響的主控頻率，則這條地震波將對結構不起控制作用。tmd要吸收結構動力反應的能量，一個前提條件是tmd必須充分運動起來，如果tmd沒有相對主結構運動起來，則其將起反作用而導致增大結構的反應（相當於原結構的質量增加了，n為mtmd中tmd的總數）；如果運動起來了。但運動大小，則其所起的作用也相應較小。對於起控制作用的地震波，因為它將成大結構主控振型的動力回響，相應地也會使tmd產生較大的運動，因而會對結構產生較好的控制效果。對結構不起控制作用的地震波由於其攜帶主要能量的頻率成分偏離結構動力回響的主控頻率，則它不會放大結構主控振型的動力回響，相應地也不會使tmd產生較大的運動，因而不會對結構產生較好的控制效果，但這無關緊要，因為它對結構的動力反應不起控制作用，這種地震波本來就不屬於控制對象。
還有這樣一種情況，那就是最大峰值反應的出現時刻太平，tmd還來不及充分運動起來，強振時段就已過去，此時即使地震波攜帶主要能量的頻率成分接近結構受控振型的頻率，tmd的制振效果也會稍差一些，從大量的算例來看這只是個別的情況。
五、結論
本文採用頻域分析法考慮tmd在多自由度結構中的位置和結構振型特徵，推導了具有mtmd的mdof結構受控振型廣義坐標的頻率回響方程，據此進行mtmd的參數最佳化和設計，算例表明只要mtmd設計正確，它就可以有效地減小對結構起控制性作用的地震波的動力回響。