什么是TMD(tunedmassdamper)调谐质量阻尼器?超高层建筑中的定风神珠(调谐质量阻尼器TMD)


台湾地区台北101大厦:采用粘滞被动型

调谐质量阻尼器TMD(Tuned Mass Damper)由质块,弹簧与耗能阻尼系统组成。既由将其振动频率调整至主结构频率附近,改变结构共振特性,以达到减振的目的。

TMD概念最初由Frahm于1909年(Frahm,1909)应用于减少船舶的滚动运动以及船体振动。

TMD阻尼器可以在重量比物体(结构)小得多的情况下降低物体的最大振幅,从而可以防止不适、破损或彻底的损坏。它们经常用于建筑物、电力传输、汽车、轮船等生活的方方面面     

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最常见的TMD阻尼器有以下两种:

一种是黏滞型TMD阻尼器,即采用黏滞方式进行能量消耗的TMD阻尼器,一种则是电涡流型TMD阻尼器,即采用电涡流方式进行能量消耗的TMD阻尼器。

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粘滞型TMD阻尼器

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电涡流TMD阻尼器

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其他常用减隔震产品参数

全球范围内比较有名的采用TMD阻尼器的案例有:

我国:

  • 上海中心大厦(ShanghaiTower):采用电涡流型被动型

  • 上海环球金融中心(ShanghaiWorldFinancialCenter):采用主动

国外:

加拿大

  • 温哥华One Wall Centre-采用调谐液柱阻尼器

  • 多伦多CN大厦。

德国

  • 柏林电视塔(Fernsehturm)——位于塔尖的调谐质量阻尼器。

  • VLF变送器DHO38–桅杆结构中装满颗粒的圆柱形容器

印度

  • 印度新德里德里机场ATC塔——一个50吨的调谐质量阻尼器,安装在90米的ATC层下方。

  • 印度古吉拉特邦的统一女神像——两个250吨的调谐质量阻尼器,位于Sardar Patel雕像的胸部。

伊朗

  • 德黑兰国际大厦

爱尔兰

  • 爱尔兰都柏林的Dublin Spire——设计有调谐质量阻尼器,以确保在暴风雨中的空气动力学稳定性。

日本

  • 位于日本本州和四国之间的明石凯基大桥(Akashi KaikyōBridge)曾是世界上最长的悬索桥,其悬索塔内的钟摆用作调谐质量阻尼器。

  • 日本广岛的Ribbon Chapel使用TMD来阻尼两个缠绕的螺旋楼梯的振动。

  • 东京天空树

  • 横滨地标大厦

  • 千叶港大厦

哈萨克斯坦

  • 阿拉木图塔

  • 努尔苏丹独立广场的“哈萨克族埃利”纪念碑

俄罗斯

  • 莫斯科波克隆纳亚山胜利纪念碑

  • 索契奥林匹克公园的奥运火炬,

  • 莫斯科(热电厂27)、梁赞电站、索契热电厂等的钢烟囱。

  • 萨哈林一号——海上钻井平台

阿拉伯联合酋长国

  • 迪拜阿拉伯塔-11个调谐质量阻尼器。

英国

  • 伦敦千禧桥-因在拥挤的行人交通下摇摆不定而被戏称为“摇摆桥”。为此安装了阻尼器。

  • 加拿大广场-在2012年沙德大厦封顶之前,这是英国最高的建筑。

美国

  • 纽约市西57街111号-包含世界上最重的固体阻尼器之一,重量为730吨。

  • 纽约市公园大道432号

  • 巴利去贝拉吉奥,巴利去凯撒宫,珍宝岛去拉斯维加斯威尼斯人行天桥

  • 纽约市彭博大厦/731列克星敦

  • 位于纽约市的花旗集团中心——由威廉·莱梅苏里耶设计,于1977年竣工,是首批使用调谐质量阻尼器来减少摇摆的摩天大楼之一。

  • 位于费城的康卡斯特中心-拥有世界上最大的调谐液柱阻尼器(TLCD),1200吨。

  • 位于费城的康卡斯特技术中心-一套五个调谐阻尼器,包含125000加仑的水,约500吨,位于酒店客房和大堂之间的57层。

  • 亚利桑那州大峡谷天路

  • 波士顿的约翰·汉考克塔-第一座使用调谐质量阻尼器的建筑,该阻尼器是在建筑完工后添加的。

  • 纽约市麦迪逊一号

  • 旧金山Rincon Hill South Tower一号——加利福尼亚州第一座安装液体调谐质量阻尼器的建筑

  • 芝加哥公园塔-美国第一座从一开始就采用调谐质量阻尼器设计的建筑。

  • Random House Tower——在纽约市使用两个充液TMD阻尼器

  • 洛杉矶国际机场主题建筑

  • 纽约市特朗普世界大厦

很多作为城市地标的超高层上都安装有一个神器,可以统称为调谐质量阻尼器,简称TMD(Tuned Mass Damper)。它是超高层的定风神珠,能够让你在500米的高楼上,不被风吹得晃来晃去。比如台北101大厦,上海环球金融中心以及上海中心大厦等等,都安装了这种神器。本文就为你揭开这一高科技的神秘面纱。

如果有机会到超高层的楼顶观光的话有一些神器是可以看到的,比如台北101大厦:

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(图片来源于网络)

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(图片来源于网络)

还以为只是雕塑艺术品,但其实它是这样的:

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(图片来源于米丘工作室:上海中心大厦阻尼器及空间方案)

总的来说,它们有一个共同点:钢丝绳吊着一个大铁块。这就是TMD的两种形式之一(悬吊式TMD),另一种是铁疙瘩坐在弹簧上(支撑式TMD)。本文只介绍用于超高层振动控制的悬吊式TMD,所以后文提到的TMD都是指前一种形式。

悬吊式TMD又可以称为单摆式TMD。什么是单摆?你可能要复习一下中学物理课本了,当年你可是连单摆周期公式都能推导出来的。

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(图片来源于网络)

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(图片来源于网络)

为了更形象地说明TMD怎么解决超高层振动问题,我做了一组实验,实验对象是下面这个东西:

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好吧,它是一个模型,超高层的极简DIY模型。

实验的整体环境是这样的:

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视频中出现的尺子,是为了把大长腿拉到固定的位置再放手,让它有一个固定的初始位移后做自由振动。(写给内行的话:盒子里的那堆球是起阻尼作用的。作者将来会写一些颗粒阻尼器的文章,有兴趣的请持续关注。)

是不是被TMD的减振效果惊艳到了,没错,它就是这么有效。

该上两张专业点的图了

一个是不带TMD的结构加速度曲线,一个是带TMD后结构的加速度曲线。(由于图像还没有归一化,所以幅值没有可比性。实际带TMD的加速度幅值也是远小于不带TMD的结果)

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反正就是,TMD很有效!

 

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