簡諧激勵下TLD對高層結(jié)構(gòu)減震性能

董 悅，唐貞云，劉 豪

(城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124)

調(diào)諧液體阻尼器(TLD)是一種簡單有效的被動控制裝置，以容器中的液體隨著結(jié)構(gòu)晃動時產(chǎn)生的對容器壁的反力進行減震。TLD在實際工程中已有大量應(yīng)用，多被運用于控制高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動[1-2]，故對TLD的研究更多針對控制高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)[3]。用于控制風(fēng)振響應(yīng)的TLD不可避免地對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)產(chǎn)生影響。同時，由于TLD在價格、安裝等方面的優(yōu)勢，也有學(xué)者研究如何將其用于降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)[4-5]，結(jié)果表明利用TLD進行結(jié)構(gòu)減震設(shè)計可行有效，故應(yīng)進一步完善TLD在地震荷載作用下對結(jié)構(gòu)影響的研究，以指導(dǎo)實際工程。

既有對TLD的減震效果研究主要在時域內(nèi)展開，且由于水箱自身非線性較強，數(shù)值模擬難以準(zhǔn)確反應(yīng)其性能，試驗則為對其更有效的研究手段。在對TLD減震性能進行研究時采用的試驗方法多為傳統(tǒng)的振動臺試驗[6-8]和實時混合試驗[9]，但受限于振動臺的承載能力，通常需要對結(jié)構(gòu)和TLD進行大比例縮尺。Zhu等[10]采用實時子結(jié)構(gòu)試驗研究了TLD的尺寸效應(yīng)，結(jié)果表明對TLD進行縮尺會高估原型TLD對結(jié)構(gòu)的減震性能，而實時混合試驗將被控結(jié)構(gòu)作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，TLD作為物理子結(jié)構(gòu)進行物理測試，運用該試驗技術(shù)只需將水箱安裝在振動臺上，可極大的增加TLD試驗試件尺寸，更真實的反應(yīng)TLD的動力特性。Wang等[11]進行了TLD的實時子結(jié)構(gòu)試驗，研究了質(zhì)量比及結(jié)構(gòu)阻尼比對TLD減震效果的影響，研究表明質(zhì)量比的增加可以提高TLD的減震效率，且TLD更適用于阻尼比低的結(jié)構(gòu)。運用實時子結(jié)構(gòu)試驗對TLD的減震性能進行研究有效可行，故作為本研究的試驗方法。

李忠獻等[12]在頻域內(nèi)對具有相同頻帶間隔的多重TLD對一階振型的控制效果進行了仿真分析，結(jié)果表明多重TLD的減震設(shè)計比單個TLD減震系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和適用性。而從頻域角度就TLD對高層結(jié)構(gòu)減震效果進行的試驗研究鮮有報道。本文選取一個20層鋼框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計一系列正弦激勵下的振動臺實時子結(jié)構(gòu)試驗，對地震動頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率比、TLD頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率比、TLD質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)阻尼比及正弦波輸入幅值等對TLD頻域減震性能的影響進行研究。

1 TLD實時混合試驗系統(tǒng)

1.1 試驗系統(tǒng)組成

本研究中使用的實時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)由計算系統(tǒng)、振動臺加載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)組成，見圖1。實時計算系統(tǒng)由搭建在Simulink中的數(shù)值求解模塊實現(xiàn)，能夠?qū)崟r求解結(jié)構(gòu)的運動方程，生成位移信號。振動臺加載系統(tǒng)由用以驅(qū)動振動臺的控制器、振動臺和油泵組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集平臺由采集卡和Simulink實時模塊組成，利用導(dǎo)線分別連接采集卡與控制器、采集卡與傳感器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。其中，振動臺的臺面尺寸為3 m×3 m，最大承載質(zhì)量為10 t，最大位移125 mm。

圖1 高層結(jié)構(gòu)TLD減震實時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)

1.2 結(jié)構(gòu)模型

本試驗選用Ohtori等[13]建議的用于結(jié)構(gòu)減震性能評價的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型，它可以代表典型的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。20層Benchmark模型的計算標(biāo)高為80.77 m，第1層的地震質(zhì)量為5.63×105kg，第2～19層的地震質(zhì)量為5.52×105kg，第20層的地震質(zhì)量為5.84×105kg。為了便于在頻域內(nèi)就關(guān)鍵參數(shù)對TLD減震性能的影響以及振動臺實時子結(jié)構(gòu)試驗中實時數(shù)值仿真的實現(xiàn)，將原模型在Sap2000中進行建模將原模型簡化為層剪切模型，簡化后的層剪切模型與Sap2000直接建模得到的結(jié)構(gòu)前三階頻率誤差不超過1%，說明層剪切模型較好的保持了原結(jié)構(gòu)的動力特性。20層層剪切模型的參數(shù)見表1，阻尼采用Rayleigh阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為5%，識別得到結(jié)構(gòu)基頻為0.262 4 Hz。

表1 20層Benchmark結(jié)構(gòu)層剪切模型參數(shù)

1.3 TLD水箱設(shè)計

TLD頻率fTLD的計算公式為

(1)

式中：L為振蕩方向的長度，h為水深。為更易實現(xiàn)設(shè)計所需的TLD的動力特性，實際工程中所采用的TLD常由多個規(guī)格相同的TLD單元組成，且Wang等[11]證明了原型TLD的反力FTLD可由每個TLD單元實測的反力F′TLD乘以TLD單元數(shù)n后得到，故本試驗采用Zhu等[14]給出的全尺寸TLD試驗方法，將作為物理子結(jié)構(gòu)的TLD劃分為n個具有相同幾何尺寸的TLD單元，僅制作其中一個TLD單元在振動臺上進行測試，將實測的反力fTLD乘以TLD單元數(shù)n后得到TLD系統(tǒng)的總力FTLD并反饋給數(shù)值子結(jié)構(gòu)，以進行下一步計算，實現(xiàn)足尺TLD試驗的原理見圖2(a)。

選用易于觀察液體運動狀態(tài)且輕質(zhì)高強的亞克力有機玻璃制作矩形TLD水箱模型，本試驗TLD設(shè)計為控制結(jié)構(gòu)一階振型，故在保證調(diào)諧頻率滿足的情況下，應(yīng)盡可能使水箱尺寸最大[9]。設(shè)計水箱的長度、寬度分別為2、0.8 m，考慮晃動波高后設(shè)計水箱的高度為1.2 m(此處的長寬高均為內(nèi)部尺寸)，以保證試驗過程中液體不至于灑出。經(jīng)強度驗算后，水箱壁厚度與水箱底板厚度分別選取為15、10 mm。

1.4 剪力測量系統(tǒng)

本試驗的剪力測量系統(tǒng)由4個2×2布置的三分力傳感器和一個加速度傳感器組成，見圖2(b)。由第3節(jié)可知，本試驗采用的物理子結(jié)構(gòu)僅為一個TLD單元，所產(chǎn)生的反力較小，而剪力傳感器量程較大，為提高剪力測量精度，在水箱與剪力傳感器之間增設(shè)一塊鋼板。鋼板與剪力傳感器采用螺栓連接，三分力傳感器與振動臺之間用一塊過渡連接板連接，傳感器平面布置見圖2(c)。故三分力傳感器測量的剪力包含了兩部分：由水的晃動產(chǎn)生的反力fTLD以及鋼板和水箱壁產(chǎn)生的慣性力。因此，作為物理子結(jié)構(gòu)的一個TLD單元產(chǎn)生的反力fTLD應(yīng)由三分力傳感器測得的剪力減去鋼板和水箱壁產(chǎn)生的慣性力。將剪力測量系統(tǒng)與TLD連接好后的試驗裝置見圖2(d)。

圖2 足尺TLD試驗原理、剪力測量系統(tǒng)、傳感器平面布置與試驗裝置

1.5 加載系統(tǒng)動力補償

加載系統(tǒng)的動力性能補償是保證成功實現(xiàn)實時子結(jié)構(gòu)試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于以作動器為加載系統(tǒng)的實時子結(jié)構(gòu)試驗，通常將其動力特性簡化為只有相位滯后沒有幅值誤差的純時滯系統(tǒng)，通過時滯補償提高其控制精度。振動臺作為加載系統(tǒng)時，動力性能更復(fù)雜，同時存在相位滯后和幅值誤差，需要對其采取特殊的補充措施。在振動臺臺面布置傳感器后，將白噪聲輸入振動臺，對振動臺系統(tǒng)識別，使用傳遞函數(shù)辨識振動臺特性，振動臺特性與傳遞函數(shù)辨識得到的幅值與相位對比見圖3。振動臺加載時幅值誤差和相位滯后并存。為了準(zhǔn)確補償該動力特性，對其進行了四階傳遞函數(shù)建模。圖3所示虛線與實線重合，說明該理論模型很好的描述了相位和幅值特性。

圖3 振動臺特性與傳遞函數(shù)辨識對比

基于該理論模型，采用本文作者提出的基于模型的逆動力補償控制器[15]對振動臺動力特性進行在線實時補償。

1.6 試驗系統(tǒng)性能驗證

對剪力測量系統(tǒng)精度進行驗證。將作為物理子結(jié)構(gòu)的水箱在不裝水的情況下進行振動臺試驗，采用幅值為25 mm的El Centro波作為激勵，鋼板和水箱總質(zhì)量為2 127 kg。將鋼板和水箱產(chǎn)生的慣性力作為理論值，與三分力傳感器測得的力比較，結(jié)果見圖4。理論值與三分力傳感器測值幾乎重合，說明本試驗的剪力測量系統(tǒng)有較高的精度。

圖4 反力測量系統(tǒng)精度驗證

對本文搭建的如圖2(d)所示的試驗系統(tǒng)精度進行驗證。數(shù)值子結(jié)構(gòu)選用建立的二十自由度Benchmark模型，在Simulink中進行求解，向制作的TLD水箱中注水至水深為114 mm，放在振動臺上進行測試。輸入幅值為10 mm，頻率為0.262 4 Hz，持時為60 s的正弦激勵，得到數(shù)值子結(jié)構(gòu)輸入振動臺的位移及加速度的仿真響應(yīng)以及振動臺實現(xiàn)的位移及加速度的實際響應(yīng)，實測結(jié)果見圖5。

圖5 振動臺預(yù)期與實現(xiàn)的響應(yīng)

位移時程曲線與加速度時程曲線均吻合較好，可以說明，本文搭建的實時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)具有較高的精度，能滿足TLD減震下高層結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究需求。

2 試驗結(jié)果

從頻域角度評價TLD的減震性能可更好理解時域響應(yīng)機理。TLD減震試驗大多采用地震動激勵，只能在時域中評價其減震性能。從傅里葉分解角度來看，地震動由一系列簡諧波組成，每一個簡諧激勵即代表了頻域中的一個頻響成分。因此，采用簡諧激勵即可通過時域試驗研究TLD在頻域中的減震性能。本文通過設(shè)置一系列正弦激勵試驗，分別研究了地震動與結(jié)構(gòu)一階頻率比βin、TLD與結(jié)構(gòu)一階頻率比β0、TLD質(zhì)量比γm、結(jié)構(gòu)阻尼比ξ以及輸入幅值A(chǔ)in對TLD減震規(guī)律的影響。其中，荷載頻率比βin定義為正弦波輸入頻率與結(jié)構(gòu)基頻的比值，頻率比β0定義為TLD頻率與結(jié)構(gòu)基頻的比值。同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)高階頻率設(shè)置了正弦波輸入工況，研究了TLD對非主控模態(tài)的影響。

試驗的結(jié)構(gòu)模型采用1.2節(jié)中給出的二十層Benchmark模型，所采用的水箱參數(shù)同1.3節(jié)。減震指標(biāo)選為結(jié)構(gòu)頂層的減震率，分別從位移與加速度兩方面進行評價。由結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本原理[16]可知，動荷載激勵下線性結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的頻域放大系數(shù)等同于不同頻率正弦激勵下結(jié)構(gòu)時程響應(yīng)幅值放大倍數(shù)?；诖嗽?，通過正弦激勵獲得TLD減震前后結(jié)構(gòu)響應(yīng)的動力放大系數(shù)，而后根據(jù)減震前后的放大系數(shù)即可求得TLD的減震率。圖6給出了TLD減震前后的結(jié)構(gòu)頂層位移響應(yīng)。本文試驗研究中為了保證振動臺的安全，在正弦輸入開始階段輸入進行了削峰，從而使得開始階段TLD的響應(yīng)不夠穩(wěn)定。選擇圖中黑色虛線范圍內(nèi)的時程為TLD-結(jié)構(gòu)在正弦激勵下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，取該范圍響應(yīng)峰值的均值對TLD的減震性能進行評價。由該范圍的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可知，TLD減震前后結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律穩(wěn)定，采用上述線性結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)假設(shè)進行頻域減震評價是合理的。因此，位移減震率Rd及加速度減震率Ra的計算式：

圖6 結(jié)構(gòu)頂層穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

(2)

(3)

式中：下標(biāo)d和a分別代表相對位移與絕對加速度，H表示正弦激勵下結(jié)構(gòu)附加TLD時結(jié)構(gòu)頂層響應(yīng)穩(wěn)態(tài)階段的幅值，G表示正弦激勵下結(jié)構(gòu)未附加TLD時結(jié)構(gòu)頂層在正弦激勵下結(jié)構(gòu)頂層響應(yīng)與TLD減震時程中對應(yīng)階段的幅值。

2.1 輸入荷載與結(jié)構(gòu)一階頻率比

減震頻帶是評價減震裝置性能的重要指標(biāo)。本試驗所采用的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及剛度保持不變，則改變輸入的正弦激勵的頻率，即可實現(xiàn)對荷載頻率比的改變。為研究主控結(jié)構(gòu)一階模態(tài)條件下TLD的減震頻帶，據(jù)式(1)計算得當(dāng)水箱中水深為114 mm時，TLD主頻和結(jié)構(gòu)一階頻率一致，TLD單元數(shù)為548個，對應(yīng)質(zhì)量比為2%，結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為5%。采用不同頻率正弦波輸入模擬不同輸入荷載與結(jié)構(gòu)一階頻率比，根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻0.262 4 Hz選擇正弦輸入頻率，分別為0.209 9、0.249 3、0.262 4、0.275 5、0.446 1、0.524 8 Hz，對應(yīng)的荷載頻率比分別為0.8、0.95、1、1.05、1.7、2，輸入幅值為15 mm，持時60 s。當(dāng)輸入荷載為結(jié)構(gòu)基頻時結(jié)構(gòu)頂層的位移與加速度時程曲線見圖7，可見結(jié)構(gòu)在TLD控制下位移與加速度的穩(wěn)態(tài)階段響應(yīng)較不受控時均降低了約50%。荷載頻率比不同時的結(jié)構(gòu)頂層位移與加速度的減震率結(jié)果見圖8。

圖7 位移與加速度時程響應(yīng)曲線

圖8 輸入荷載頻率對TLD減震率的影響

當(dāng)TLD與結(jié)構(gòu)主控頻率一致時，TLD對主控頻率的地震動成分有最優(yōu)的控制效果，即當(dāng)輸入荷載與結(jié)構(gòu)一階頻率比=1時，加速度和位移減震綜合效果最好。當(dāng)該頻率比>1時，減震效果隨該頻率比的增加逐漸減低，最終會產(chǎn)生少量的負作用；可當(dāng)該頻率比<1時，隨該頻率比的降低減震效果急劇下降，且很快出現(xiàn)較大的負作用。這說明，TLD對高于主控頻率的成分有較好的控制效果，且不利作用很小，而對低于主控頻率的成分減震效果較差，且極易出現(xiàn)不利作用。

2.2 TLD與結(jié)構(gòu)一階頻率比

TLD的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是保證其減震效果的前提，其中最重要的參數(shù)為TLD的自振頻率。由Housner理論可知，TLD的自振頻率由水箱長度和水深確定，本試驗水箱長度保持不變，通過改變向同一水箱中加入的水的深度來改變頻率。已有研究表明TLD頻率與結(jié)構(gòu)基頻接近時減震效果較好[11]，故以結(jié)構(gòu)一階模態(tài)自振頻率為基準(zhǔn)開展研究，水深分別設(shè)為90、114、155、253、300、362 mm，對應(yīng)的TLD頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率比分別為0.89、1、1.16、1.46、1.58、1.71，TLD單元數(shù)分別取為385、274、223、137、115、96個，則質(zhì)量比保持為0.5%，結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)為5%，輸入的正弦波的頻率為結(jié)構(gòu)基頻0.262 4 Hz，幅值為6 mm，持時60 s。試驗得到的頻率比不同時的減震率見圖9。當(dāng)輸入荷載頻率為結(jié)構(gòu)主控頻率時，TLD與結(jié)構(gòu)自振頻率比在0.89～1.16范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)位移和加速度減震率均明顯，且在頻率比為1時減震效果較好。當(dāng)TLD頻率遠離結(jié)構(gòu)主控頻率時，減震效果變?nèi)?。與圖8所示輸入頻域影響不同，遠離主控頻率后TLD產(chǎn)生的負作用很小。這說明，TLD更適于控制因結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的動力響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)自振頻率范圍以外的強迫振動控制效果不明顯。

圖9 TLD頻率對減震率的影響

2.3 TLD質(zhì)量比

TLD安裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，質(zhì)量過大會增加結(jié)構(gòu)豎向荷載，太小減震效果不明顯。為了進一步證實TLD質(zhì)量比對減震效果的影響，采用表1所示數(shù)值子結(jié)構(gòu)的參數(shù)，通過改變TLD單元數(shù)n即可研究不同TLD質(zhì)量比對TLD減震效果的影響。為研究質(zhì)量比對TLD的減震效果影響，試驗設(shè)計如下：水箱中水深為114 mm，以保證TLD自振頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率一致，TLD單元數(shù)分別設(shè)為137、274、411、548個，對應(yīng)的質(zhì)量比分別為0.5%、1%、1.5%、2%，結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為5%，正弦波輸入頻率為結(jié)構(gòu)一階頻率0.262 4 Hz，輸入幅值為3 mm，持時60 s。試驗得到的質(zhì)量比不同時的減震率見圖10。在輸入荷載頻率和TLD自振頻率均與結(jié)構(gòu)主控頻率一致時，在質(zhì)量比為0.5%～1.5%的范圍內(nèi)，隨質(zhì)量比的增加，減震率增幅明顯，當(dāng)質(zhì)量比達到1.5%時，TLD對結(jié)構(gòu)共振頻率處響應(yīng)控制效果超過50%。這說明增加TLD質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的減震效果起到明顯的改善作用，與Wang等[11]得到的結(jié)果一致，在2%范圍內(nèi)應(yīng)盡可能地增加TLD質(zhì)量比以保證其減震效果。

圖10 TLD質(zhì)量比對TLD減震率的影響

2.4 結(jié)構(gòu)阻尼比

結(jié)構(gòu)阻尼比是影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的主要因素，而以往在對TLD的減震性能進行研究時，常選用頻率成分豐富的地震波進行激勵，鮮有規(guī)律性結(jié)論。為研究結(jié)構(gòu)阻尼比對TLD的減震效果影響，試驗設(shè)計如下：水箱中水深為114 mm，TLD自振頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率一致，TLD單元取274個，對應(yīng)質(zhì)量比1%，結(jié)構(gòu)阻尼比分別設(shè)為2%、4%、6%、8%、10%，正弦波輸入頻率為結(jié)構(gòu)一階頻率，輸入幅值為6 mm，持時60 s。試驗得到的減震率與不同結(jié)構(gòu)阻尼比之間的關(guān)系見圖11。在輸入荷載頻率和TLD自振頻率均與結(jié)構(gòu)主控頻率一致時，在結(jié)構(gòu)阻尼比為2%～10%范圍內(nèi)，減震率隨結(jié)構(gòu)阻尼比增加而明顯減小，TLD對結(jié)構(gòu)的減震效果變差。這說明TLD對大阻尼比結(jié)構(gòu)減震效果不明顯，例如，TLD控制與配置阻尼器的減震體系配合就無法發(fā)揮各自的減震效果。

圖11 結(jié)構(gòu)阻尼比對TLD減震率影響

2.5 輸入幅值

TLD靠水的運動減震，輸入荷載幅值將影響其運動行為。為研究輸入幅值對TLD的減震效果影響，設(shè)計試驗如下：水箱中水深為114 mm，TLD自振頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率一致，TLD單元取137個，對應(yīng)質(zhì)量比0.5%，結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為5%，正弦波輸入頻率為結(jié)構(gòu)一階頻率，輸入幅值分別為3、4、6、8、10 mm，持時60 s。試驗得到的輸入幅值不同時的減震率見圖12。在輸入荷載頻率和TLD自振頻率均與結(jié)構(gòu)主控頻率一致時，隨輸入幅值的增加，位移減震率逐漸減小，減小幅度在10%以內(nèi)，加速度減震率幾乎不受影響。這說明TLD在控制因結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的動力響應(yīng)成分時，受輸入幅值影響較小，魯棒性較好。

圖12 輸入幅值對TLD減震率的影響

2.6 TLD對非主控模態(tài)的影響

實際應(yīng)用中設(shè)置TLD的核心目的為控制結(jié)構(gòu)風(fēng)振，同時為減小TLD豎向荷載的影響，實際工程中大多采用小質(zhì)量TLD，集中在一階模態(tài)比分散給多階模態(tài)效果更好。本文主要討論因風(fēng)振而設(shè)置的TLD對高層結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律的影響。相比于風(fēng)振作用，地震激勵包含的頻域成分更豐富，為討論根據(jù)一階模態(tài)設(shè)計的TLD對高階模態(tài)地震響應(yīng)的控制效果，設(shè)計了如下試驗：結(jié)構(gòu)模型為如表1所示的Benchmark模型，TLD水深為114 mm，TLD單元數(shù)為548個，對應(yīng)質(zhì)量比2%，結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)置為5%，輸入正弦激勵的頻率分別取為結(jié)構(gòu)一階頻率0.262 4 Hz、結(jié)構(gòu)二階頻率0.713 7 Hz、結(jié)構(gòu)三階頻率1.165 Hz，以代表地震波中的高階成分，輸入幅值為15 mm，持時60 s。得到TLD對不同模態(tài)的減震率結(jié)果見圖13。在TLD自振頻率與結(jié)構(gòu)一階頻率一致時，TLD對一階模態(tài)的控制效果最好，對二、三階模態(tài)也有一定減震效果，對高階振型的位移響應(yīng)會產(chǎn)生較小的不利影響。這說明，TLD對高層結(jié)構(gòu)臨近主控振型的非主控振型共振產(chǎn)生的動力響應(yīng)成分也能起到一定的減震效果，而由于TLD減震頻帶較窄[12]，由2.1節(jié)可知，針對控制一階振型而設(shè)計的TLD的減震頻帶僅為結(jié)構(gòu)基頻附近，對處于減震頻帶外的頻率對應(yīng)的模態(tài)仍可能產(chǎn)生不利影響，但產(chǎn)生的不利影響較小。

圖13 TLD對非主控模態(tài)的減震性能

3 結(jié) 論

針對TLD對高層結(jié)構(gòu)減震效果頻域試驗研究結(jié)果不足的問題，使用實時子結(jié)構(gòu)試驗，通過一系列正弦激勵下的TLD-結(jié)構(gòu)足尺試驗，研究了TLD減震性能受輸入荷載與結(jié)構(gòu)一階振型頻率比、TLD與結(jié)構(gòu)一階頻率比、TLD質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)阻尼比及輸入幅值的影響，并探討了TLD對結(jié)構(gòu)非主控振型的減震能力，主要結(jié)論如下：

1)建立了適用于大尺寸TLD減震試驗的實時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)，提高了TLD減震試驗精度，極大的降低了振動臺縮尺試驗對TLD減震性能測試造成的誤差。

2)當(dāng)TLD頻率與其主控頻率一致時，TLD對結(jié)構(gòu)主控振型對應(yīng)頻率產(chǎn)生的共振響應(yīng)有很好的減震效果，對其余頻率成分控制效果較差，對小于TLD自振頻率的地震動成分可能產(chǎn)生較大的不利影響。

3)當(dāng)TLD質(zhì)量比<2%時，增加質(zhì)量比能較大的提高減震效果，但增加結(jié)構(gòu)阻尼比會較大地降低減震效果。

4)在降低TLD主控振型產(chǎn)生的共振響應(yīng)成分方面：TLD頻率在0.89～1.16倍結(jié)構(gòu)頻率范圍內(nèi)時，均有較好減震效果，但遠離結(jié)構(gòu)自振頻率會較大的弱化減震效果；對于共振響應(yīng)成分的控制效果，對輸入幅值不敏感；TLD對臨近主控振型的非主控振型成分仍有一定減震作用，也可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小的負作用。

5)本研究由于振動臺性能限制，只針對小質(zhì)量比TLD在較小輸入幅值下的減震效果進行了研究，對大質(zhì)量TLD及輸入幅值較大時TLD進入強非線性后對結(jié)構(gòu)的減震性能研究有待進一步開展。