某市體育中心大、小罩棚安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器后豎向減振效果研究

章潤濤，付 磊，張兆輝

（1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210028；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

某市體育中心大、小罩棚的懸挑長度長達 30 m，盡管結(jié)構(gòu)的強度滿足要求，不會發(fā)生強度破壞，但鋼結(jié)構(gòu)本身具有自重輕、阻尼小、柔度大等特點，是典型的風敏感結(jié)構(gòu)形式，極易在風荷載作用下引起結(jié)構(gòu)共振現(xiàn)象，輕則會使人體感受不適，重則會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體掀毀和倒塌［1-8］。因此，對大、小罩棚進行現(xiàn)場振動試驗與減振效果評價，為其優(yōu)化設(shè)計和科學施工提供參考依據(jù)，同時為我國大跨度空間結(jié)構(gòu)的建設(shè)和運營提供一定理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

該體育中心平面形狀呈圓形，直徑 258 m，主要由下部鋼筋混凝土看臺和屋面鋼罩棚組成。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋劃分為東、西兩部分、呈蛟龍形態(tài)，龍頭建筑高度約 55 m，龍尾建筑高度約 10 m，龍身起伏變化。樓蓋體系采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土主、次梁結(jié)構(gòu)，支撐屋面鋼罩棚下部的框架柱采用鋼骨混凝土柱，看臺為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系采用變截面徑向鋼梁—三向多點圓管支撐的結(jié)構(gòu)形式，主要由變截面徑向鋼梁、環(huán)向聯(lián)系桿、水平支撐和斜向支撐組成，體育場效果圖如圖1所示。

圖1 體育場效果圖

變截面徑向鋼梁為變截面H型鋼梁，截面最大高度為 3 000 mm，最小高度為 1 000 m，鋼梁長度最短為 2 111 mm，最長為 60 876 mm，最大懸挑長度為 27 m，徑向鋼梁間跨度約為 9 800 mm。變截面徑向鋼梁之間的連接桿件主要有環(huán)向連系桿和水平支撐桿，截面形式為Φ400 mmh 18 mm、Φ600 mmh 25 mm、Φ800 mmh 18 mm、Φ800 mmh 25 mm 和Φ800 mm h 80 mm。體育場剛性撐桿有圓管與勁性H型鋼梁兩種，其中西側(cè)小鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的圓管剛性支撐截面為Φ800 mmh 18 mm，合計 200 根，勁性 H 型鋼剛性支撐截面為 H300 mmh 200 mmh 8 mmh 12 mm，合計 48 根。東側(cè)大鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的圓管剛性支撐截面為Φ800 mmh 18 mm，共有 166 根，截面為Φ800 mm h 25 mm的共有 6 根，勁性 H 型鋼剛性支撐截面為H300 mmh 200 mmh 8 mmh 12 mm，合計 18 根。體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋各組成構(gòu)件間連接方式如圖2所示。

圖2 各組成構(gòu)件間連接方式圖

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）均布置于大、小罩棚屋蓋變截面徑向鋼梁懸挑端的最前端，由于大、小罩棚屋蓋徑向鋼梁端部高度不同，兩側(cè) TMD 布置位置存在差異，TMD 的布置方式為：將兩個大小形狀相同的 U 型槽焊接在徑向鋼梁的腹板兩側(cè)，在 U 型槽下板相應(yīng)位置留有固定 TMD 螺栓孔，將 TMD 吊裝到相應(yīng)位置后，通過螺栓將 TMD 與 U 型槽連接成整體。TMD 具體安裝方式如圖3、圖4所示。

圖3 小鋼結(jié)構(gòu)屋蓋

圖4 大鋼結(jié)構(gòu)屋蓋

TMD 的安裝過程為：預(yù)埋和留孔→阻尼器的安裝→阻尼器高度調(diào)節(jié)→阻尼器就位固定。TMD 減振系統(tǒng)隨結(jié)構(gòu)安裝，待整體結(jié)構(gòu)安裝完成后解鎖 TMD 減振系統(tǒng)進行調(diào)試。

2 試驗概況

2.1 調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）的工作原理

將 TMD 連接到被控制的主體結(jié)構(gòu)上，通過控制慣性質(zhì)量和主體結(jié)構(gòu)振型諧振，并將主體結(jié)構(gòu)的能量傳遞給 TMD，從而抑制主體結(jié)構(gòu)的振動，因此 TMD 的有效性主要取決于調(diào)頻的精確性。TMD 系統(tǒng)是由主體結(jié)構(gòu)及附加于主體結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)共同組成，其中子結(jié)構(gòu)是由固體質(zhì)量、阻尼器及彈簧減振器等組成，它具有質(zhì)量、阻尼和剛度等參數(shù)。TMD 的調(diào)頻主要是通過改變質(zhì)量和剛度大小來調(diào)整子結(jié)構(gòu)的自振頻率，將 TMD 的自振頻率設(shè)計成接近于主體結(jié)構(gòu)的主要自振頻率或激勵頻率。當主體結(jié)構(gòu)受到激勵而產(chǎn)生振動時，子結(jié)構(gòu)會相應(yīng)產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)振動方向相反的慣性力，并作用于主體結(jié)構(gòu)上反向消減結(jié)構(gòu)的振動，從而達到減振控制效果。

TMD 是通過調(diào)整子結(jié)構(gòu)的動力特性來減小整體結(jié)構(gòu)的動力特性，并非是借助于外部的能量，屬于被動調(diào)諧減振控制體系。

2.2 調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）的實際布置

為了減小鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在外界荷載作用下的振動情況，本項目在該體育場的大、小罩棚屋蓋結(jié)構(gòu)上共布置 5 種類型 TMD，自振頻率分別為 0.80 Hz、1.00 Hz、1.25 Hz、1.75 Hz 和 2.00 Hz，均為豎向減振，詳細 TMD 參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）參數(shù)匯總表

在大鋼結(jié)構(gòu)屋蓋 3～5、7～9 軸之間布置 8 個 1.25 Hz 的 TMD，5～7、74～76、78～79 軸之間布置 10 個 2.00 Hz 的 TMD，76～78 軸之間布置了 4 個 1.75 Hz 的 TMD，79～2 軸之間布置 6 個 1.00 Hz 的 TMD；在小鋼結(jié)構(gòu)屋蓋 36～39 軸之間布置 6 個 1.75 Hz 的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD），39～42 軸之間布置 6 個 0.80 Hz 的 TMD，42～44 軸之間布置 4 個 1.75 Hz 的 TMD，5 種類型的 TMD 布置如圖5所示。

圖5 TMD平面布置圖

2.3 調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）的測點布置

現(xiàn)場根據(jù)實際情況，采用動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，分別在II-35軸右側(cè)鋼梁的懸挑端、II-40 軸右側(cè)鋼梁的懸挑端、II-43 軸左側(cè)鋼梁懸挑端、II-1 軸左側(cè)鋼梁懸挑端、II-6 軸左側(cè)鋼梁懸挑端、II-8 軸左側(cè)鋼梁懸挑端和 II-77 軸右側(cè)鋼梁懸挑端布置 1 個振動測點，每個測點布置 1 個豎向加速度傳感器。豎向振動測點布置示意圖如圖6所示，現(xiàn)場儀器布置實景如圖7～8 所示。

圖6 豎向振動測點布置示意圖

圖7 豎向振動測點布置實景

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實景

2.4 試驗儀器

1）DH5927N 動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。最大分析頻寬為 DC～100 kHz，平坦度（分析頻率范圍內(nèi)）為＜0.1 dB，頻率循環(huán)范圍為 5～55～5 Hz，驅(qū)動振幅（峰值）為 0.19 mm。

2）941 B 型超低頻測振儀。靈敏度為 0.3 v·s/m，最大里程加速度為 20 m/s2，通頻帶為 0.25～80 Hz。

2.5 試驗內(nèi)容及方法

在實際環(huán)境中，通過風荷載對體育中心大、小罩棚進行環(huán)境振動激勵，從而測試安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）前后情況下的豎向加速度。在大、小罩棚的 TMD 吊掛完成后，TMD 尚未開啟時，采集其豎向振動響應(yīng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)；TMD 開啟后，再一次采集其豎向振動響應(yīng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)盡量減少周圍環(huán)境對試驗的影響，盡量保證試驗前后的外界環(huán)境一致。

現(xiàn)場測試時，首先檢查傳感器、信號線及數(shù)據(jù)采集箱是否正確安裝，確定通道數(shù)，進行系統(tǒng)標定以及動態(tài)數(shù)據(jù)試采集。依據(jù)試采集的頻率設(shè)定采樣頻率，采樣前，對連續(xù)信號用低通濾波器濾波，使不需要的高頻成分去掉；采樣時，使采樣頻率fs≥2.56fc（fc是原始信號的截斷頻率），在此條件下，采樣后的離散信號可以唯一確定原始連續(xù)信號。接著再正式采集數(shù)據(jù)并作數(shù)據(jù)處理，再對采集的數(shù)據(jù)進行波形分析、頻譜分析。流程圖如圖9所示。

圖9 振動特性測試原理及流程圖

3 試驗結(jié)果及分析

實時采集各測點在環(huán)境振動激勵激發(fā)過程中的振動加速度，各測點位置采集過程中的最大實測值如表2所示。

表2 各測點的振動加速度實測最大值匯總表

1）II-1 鋼梁在 TMD 作用下的減振率為 50.23 %，I I-6 鋼梁在 T M D 作用下的減振率為 72.95 %，II-8 鋼梁在 TMD 作用下的減振率為 79.02 %，II-77 鋼梁在 TMD 作用下的減振率為 56.41 %，II-35 鋼梁在 T M D 作用下的減振率為 86.73 %，I I-40 鋼梁在 TMD 作用下的減振率為 85.9 %，II-43 鋼梁在 TMD 作用下的減振率為 83.69 %。

2）對比各鋼梁減振率可知，鋼梁跨度越小，其增設(shè)阻尼器后的減振效率越好。

4 結(jié) 論

為了解調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）對大、小罩棚的減振效果情況，本文通過對豎向振動加速度的數(shù)據(jù)進行分析，得出如下結(jié)論。

1）TMD 可有效降低大、小罩棚的豎向振動，同時減小主體結(jié)構(gòu)的抖動情況。

2）本項目中采用的 TMD 對鋼梁的減振效果均在 50 % 以上。

3）本項目中鋼梁跨度越小，TMD 的減振效果 越好。