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摩天大楼的安全保障建筑

对于建筑师和结构设计师来说,一个持续的挑战是确保风, 天气, 而且,地震荷载不会在高层建筑上产生过大的振动,从而使居住者感到不安,造成结构破坏. 来减轻这些危险的振动, 工程师使用调谐质量阻尼器(TMD), 或动阻尼器技术.

1909年,赫尔曼·弗拉姆(Hermann Frahm)首次提出了调谐质量阻尼器的概念,以减少船舶在海上的横摇运动. 如今,TMD技术最常用于高大、狭窄的结构和桥梁. 架构师, 工程师, 开发人员安装这些设备是为了防止高层建筑受到天气或地面荷载的严重破坏.  

TMD技术最引人注目的应用之一是台湾的台北101摩天大楼. 由于它的原则, 台北101可以向任何方向移动5英尺, 能减少40%左右的晃动. 而摩天大楼需要巨大的技术 台北101的巨型钢制调谐质量阻尼摆 重达惊人的728吨. TMD技术在高楼林立的城市也很常见,比如纽约和迪拜,高楼耸立在几乎每个路人的头顶.  

但是调谐质量阻尼器是如何工作的呢? 在本质上, 它通过用适当的弹簧将辅助质量连接到结构上并使其振动来抑制结构侧面的振动. 经常, 它们由三个主要部分组成:运动质量, 钟摆或弹簧, 和阻尼元素. 该技术的原理是通过调整减振器使其与建筑物的自振频率相同,从而将物体的振动能量转移到动力减振器上.

用今天的高性能模拟工具, 可以虚拟地分析这些振动载荷的影响,以及调谐质量阻尼器在减少这些振动方面的有效性. 这使得设计师和工程师可以在建造结构之前优化系统.

365体育®OptiStruct®, 365体育公司的工程师们模拟了动态减振器抑制地震振动的效果. 使用基于图1中的OptiStruct示例模型的构建模型, 该团队进行了瞬态响应分析,研究了调谐质量阻尼器的存在或不存在对建筑物振动的影响.

具有瞬态响应分析设置的建筑物模型
具有瞬态响应分析设置的建筑物模型

由于调谐质量阻尼器的设计是为了吸收结构振动产生的动能, 当安装在建筑物内振动振幅最大的区域时,它们的工作效果最好. 在这种情况下, 结构上部的振幅最大, 所以在屋顶上安装调谐质量阻尼器是最有效的. 在这个模型中, 如图2所示, 团队放置了一个集中的, 用一个水平弹簧把100吨重的物体放到顶楼的中心. 因为弹簧在垂直方向上相当于刚体, 它看起来像一个巨大的物体被放置在坚硬的地板上,没有摩擦, 水平放置.

100吨重的浓缩物用水平弹簧连接到顶层的中心
100吨重的浓缩物用水平弹簧连接到顶层的中心

看看建筑物在没有TMD技术的情况下对振动的反应, 该团队在没有动态减振器的情况下进行了自振分析. 查看结果,365体育投注可以看到在0处发生了向建筑y轴的弯曲.476Hz作为主要模式,如图3左侧所示. 备用模式为0.由于x轴弯曲导致的559Hz,如图3的右侧所示. 下一个, 研究小组必须确定弹簧常数,这样动态阻尼器才能以相同的频率向相同的方向振动.

无调谐质量阻尼器的自振分析
无调谐质量阻尼器的自振分析

研究小组使用以下公式计算了自振频率:

  • F = 1 / (2π)√(k / m) F:固有频率k:弹簧常数m:质量
  • 从f = 0开始,Y方向上的弹簧常数.476Hz, m = 100吨k Y = 894.0 kn /米
  • 从f = 0开始,X方向上的弹簧常数.559Hz, m = 100吨k X = 1,234.4 kn /米

在这个模型中, 四个弹簧支撑着这个物体, 因此,研究小组确定每个弹簧的弹簧常数为上述数值的1/4.

作为计算冲击载荷的输入条件, 将建筑物固定的地面沿y轴移动1米,以第一个0.1秒,然后在下一个0点回到原来的位置.1秒钟,保持在那里. 在图4所示的模拟中, 左侧在没有调谐质量阻尼器的情况下进行了模拟, 右边也有一个. 该团队将实际振幅夸大了5倍,这样更容易看到变形.

Animation of transient response analysis results (left) without tuned mass damper; 与 tuned mass damper (right)
Animation of transient response analysis results (left) without tuned mass damper; 与 tuned mass damper (right)

图5显示了一个比较有调谐质量阻尼器和没有调谐质量阻尼器时建筑物顶部y轴位移的时间历程的图表.

带调谐质量阻尼器和不带调谐质量阻尼器的y轴位移时程
带调谐质量阻尼器和不带调谐质量阻尼器的y轴位移时程

蓝线代表没有动力阻尼器的建筑, 红色代表有一个的建筑. 365体育投注可以看到, 最初的振幅几乎是一样的,但之后, 动态减振器的作用出现了, 它在很短的时间内证明了它的价值.

动能传递到调谐质量阻尼器,降低了结构的整体振动, 所以在输入后几乎没有立即的效果. 通过团队的OptiStruct分析, 他们就能准确地看到TMD技术是如何抑制风和天气负荷的振动影响的. 与OptiStruct, 工程师可以使用单一的模型简化他们的工作流程, 并能在类似的研究中分析多种强度和振动属性.

建筑,工程和建造(AEC) 行业需要精确的建模和设计工具,以确保项目满足复杂的结构项目需求-365体育的单平台设计和优化工具套件支持设计师和工程师,并完成工作. 用户可以很容易地在OptiStruct中研究真实世界的多物理例子,因为该技术提供了跨静态和动力学的线性和非线性分析的解决方案, 振动, 声学, 乏力, 传热, 和物理学科. 额外的S-FRAME解决方案使工程师能够进一步探索地震结构分析,并确保他们的项目和设计满足特定地理区域和当地抗震设计规范的要求.

欲了解更多信息,请访问 http://www.library.androidsourcehelp.com/optistruct/.