将调谐质量阻尼器(TMD)装入结构的目的是减少在
外力作用F基本
结构构件的
消能要求值。在该情况下,这种减小是通过将
结构振动的一些
能量传递给以最简单的形式固定或连接在主要结构的辅助质量—弹簧—阻尼筒系统构成的TMD来完成的。
TMD结构应用的现代思想的最早来源是早在1909年Frahm(Frahm,1909;Den Hartog,1956)研究的
动力吸振器。Frahm的吸振器的图解见图7.1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(或调谐为)
激励频率时,主质量M能保持完全静止。Den Hartog(Ormondroyd and Den Hartog,1928)最早研究了
主系统中没有阻尼时的无阻尼和有阻尼动力吸振器理论,他们提出了吸振器的基本原理及确定适当参数的过程。主系统的阻尼包含在Bishop和Welbou?n(1952)提出的动力吸振器的分析中。紧接在上述工作之后,Falcon等(1967)设计了一个优化过程以获得主系统的最小
峰值响应和最大有效阻尼。
Jennlge和Frohrib(1977)
数值计算厂控制建筑物结构中弯曲和扭转模式的移动—转动吸振器系统。Ioi和
Ikeda(1978)提出了主系统在小阻尼情况下这些优化吸振器参数
修正因子的
经验公式。Randall等(1981)提出了在系统中考虑阻尼影响的这些参数的设计图表。Warburton和Ayorinde(1 980)进一步用表列出了最大动力
放大因子、调谐
频率比及特定
质量比和主系统
阻尼比的吸振器阻尼比的优化值。
为了增强用于减小主系统最大动力响应的吸振器的效果,研究者们尝试了通过引入
非线性吸振器弹簧来加宽调谐
频率范围,Roberson(1962)研究了将
动力吸振器支承于一个没有阻尼的线性加三次方弹簧(即Duffing型弹簧)之上的主系统的动力响应。他将“消除带”定义为规格化主系统幅值小于1的
共振峰值之间的频率带。非线性吸振器的这个带宽很清楚地表明了比线性吸振器要宽得多,Pipes(1953)研究了一个有双曲正弦特征的强化弹簧,并得出弹簧中非线性的影响是要阻止尖锐共振峰的出现,并将相对小幅值的奇次
谐分量引入吸振器和主系统的运动中。
为了改进
动力吸振器的性能,Snowdon(1960)研究了固体型吸振器对减小主
系统响应的性能,表明采用刚度
正比于频率和恒定
阻尼系数材料的动力吸振器能显著减小主系统的共振振动,其性能明显优于弹簧—阻尼筒型吸振器。Srinivasan(1969)分析了平行阻尼动力吸振器,即一个辅助无阻尼质量平行加装于一个吸振器。在这种情况下,当
阻尼频率被精确调谐到激励频率时,主系统将保持静止,但在该情况下,消除带变小了。Snowdon(1974)研究了其他可能的吸振器形式,如三—单元吸振器的,显示如果第三单元(即辅助弹簧)与
阻尼器串联,主系统
幅值能减小15%~30%,但这种减小对频率非常敏感,在实际中它将影响吸振器的性能。
以上所述的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)的动力吸振器在复杂多自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。