调谐液体阻尼器‑高层结构的实用抗震分析方法

邹万杰; 梁敏容; 李创第; 葛新广; 经承贵

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20241001002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

调谐液体阻尼器‑高层结构的实用抗震分析方法

“防灾减灾工程高性能计算方法（HPC）”专题 | 更新时间：2025-05-07

- 调谐液体阻尼器‑高层结构的实用抗震分析方法
- Practical Seismic Analysis Method for High‑rise Structures with Tuned Liquid Dampers
- 防灾减灾工程学报 2025年45卷第2期页码：282-294
- 作者机构：
  
  1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006
  2.柳州工学院土木建筑工程学院，广西柳州 545616
- 作者简介：
  
  邹万杰（1974—），男，副教授，博士。主要从事建筑结构振动控制研究。E-mail: 705450818@qq.com
  葛新广（1977—），男，副教授，博士。主要从事建筑结构振动控制研究。E-mail: gxgzlr.2008@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51468005);广西自然科学基金(2019GXNSFBA245071);广西科技基地和人才专项(AD19245131);广西高校防灾减灾与预应力技术重点实验室项目(GXKDTJ024)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20241001002
  中图分类号： TU311.3
- 收稿：2024-10-01，
  
  修回：2024-12-25，
  
  纸质出版：2025-04-28
- 稿件说明：
移动端阅览
邹万杰,梁敏容,李创第等.调谐液体阻尼器‑高层结构的实用抗震分析方法[J].防灾减灾工程学报,2025,45(02):282-294.

ZOU Wanjie,LIANG Minrong,LI Chuangdi,et al.Practical Seismic Analysis Method for High‑rise Structures with Tuned Liquid Dampers[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(02):282-294.
邹万杰,梁敏容,李创第等.调谐液体阻尼器‑高层结构的实用抗震分析方法[J].防灾减灾工程学报,2025,45(02):282-294. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20241001002.

ZOU Wanjie,LIANG Minrong,LI Chuangdi,et al.Practical Seismic Analysis Method for High‑rise Structures with Tuned Liquid Dampers[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(02):282-294. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20241001002.

摘要

针对设置调谐液体阻尼器（TLD）的高层结构在随机地震动激励下的响应求解方法复杂的问题，基于有限元动力分析技术和功率谱的二次式分解法，研究了顶层设置TLD的高层建筑结构在胡聿贤地震激励谱下动力响应谱矩的简明封闭解法。首先，根据TLD线性力学模型，建立TLD‑高层建筑结构耦合地震动方程，再利用有限元分析技术获得高层建筑结构动力特性，重构以实模态表示的TLD‑高层建筑结构等效动力学方程，解决了复杂受控结构动力特性不易获取的问题。其次，基于复模态法和二次式分解法推导了高层建筑结构的结构绝对位移、层间位移、方差和0~2阶谱矩的简明封闭解。最后，以一实际结构作为算例分析，通过本文方法所得楼层和节点谱矩与虚拟激励法计算结果对比，验证了所得响应谱矩的正确性；并探讨了结构振型数和TLD参数对减震性能的影响。结果表明：结构前三阶振型能保证响应结果的精度，且适当增大TLD长度、高度和选取合适阻尼比可有效提高高层结构的抗震性能。

Abstract

To address the complexity in solving responses of high-rise structures with Tuned Liquid Dampers (TLDs) under random seismic excitations

using the finite element dynamic analysis and the quadratic decomposition method of the power spectrum

this study developed a simplified closed-form solution method for the spectral moments of the dynamic responses in high-rise structures with TLDs installed on the top floors under Hu Yuxian seismic excitation spectrum. Firstly

based on the linear mechanical model of TLD

the coupled seismic equations for the TLD-high-rise building structure were established. Then

finite element analysis technology was used to obtain the dynamic characteristics of the high-rise building structure. The equivalent dynamic equations for TLD-high-rise building structures expressed in real modes were reconstructed

resolving difficulties in acquiring the dynamic characteristics of complex controlled structures. Secondly

the simplified closed-form solutions for absolute structural displacements

inter-floor displacements

variance

and 0-2 order spectral moments of high-rise building structures were derived using the complex modal method and quadratic decomposition method. Finally

a real structure was used as a case study. The comparison between the floor and node spectral moments obtained by the proposed method and the results calculated by the virtual excitation method verified the correctness of the derived response spectral moments

and the effects of the number of structural vibration modes and the TLD parameters on vibration reduction performance were explored. The results showed that the first three orders of structural vibration modes could ensure the accuracy of the response results

and the seismic performance of high-rise structures could be effectively improved by appropriately increasing the length and height of the TLD and selecting a suitable damping ratio.

关键词

Keywords

references

邹万杰，覃永安，李创第，等 . 基础隔震耗能结构基于Kanai-Tajimi谱的随机响应简明解法研究［J］. 世界地震工程， 2023 ， 39 （ 3 ）： 118 - 128 .

Zou W J ， Qin Y A ， Li C D ， et al . Concise analytic solution to seismic response of base isolated energy dissipating structure under Kanai-Tajimi spectrum excitation ［J］. World Earthquake Engineering ， 2023 ， 39 （ 3 ）： 118 - 128 . （in Chinese）

李书进，孙磊，余桓，等 . 滚动碰撞式调制质量阻尼器减振性能试验研究［J］. 振动工程学报， 2020 ， 33 （ 5 ）： 861 - 868 .

Li S J ， Sun L ， Yu H ， et al . Experimental study on the vibration control performance of pounding tuned rotary mass damper ［J］. Journal of Vibration Engineering . 2020 ， 33 （ 5 ）： 861 - 868 . （in Chinese）

窦朋，王志东，凌宏杰，等 . 调谐液体阻尼器对多层多模态平台结构的运动控制研究［J］. 振动与冲击， 2023 ， 42 （ 14 ）： 30 - 39，55 .

Dou P ， Wang Z D ， Ling H J ， et al . Motion control of a multi-layer multi-modal platform structure with a tuned liquid damper ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2023 ， 42 （ 14 ）： 30 - 39，55 . （in Chinese）

孙澔鼎，何浩祥，程扬，等 . 附加阻尼网的斜底式TLD减震控制理论与试验研究［J］. 建筑结构学报， 2024 ， 45 （ 4 ）： 72 - 85 .

Sun H D ， He H X ， Cheng Y ， et al . Theoretical and experimental study on damping net and sloped-bottom tank tuned liquid damper with damping control ［J］. Journal of Building Structures ， 2024 ， 45 （ 4 ）： 72 - 85 . （in Chinese）

张蓝方，张乐乐，谢壮宁，等 . 内部带阻尼格栅的TLD减振性能试验研究［J］. 振动工程学报， 2022 ， 35 （ 3 ）： 674 - 680 .

Zhang L F ， Zhang L L ， Xie Z N ， et al . Experimental study on vibration reduction performance of tuned liquid dampers with damping screens ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2022 ， 35 （ 3 ）： 674 - 680 . （in Chinese）

张蓝方，谢壮宁，周子杰，等 . 带内置可旋转隔板的调谐液体阻尼器减振性能试验研究［J］. 振动与冲击， 2023 ， 42 （ 19 ）： 64 - 69，103 .

Zhang L F ， Xie Z N ， Zhou Z J ， et al . Test study on vibration reduction performance of tuned liquid damper with built-in rotatable baffles ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2023 ， 42 （ 19 ）： 64 - 69，103 . （in Chinese）

Tanmoykonar ， Aparnaa D G . Flow damping devices in tuned liquid damper for structural vibration control： A Review ［J］. Archives of Computational Methods in Engineering ， 2021 （ 28 ）： 2195 ‑ 2207 .

李创第，朱力华 . 带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法［J］. 应用力学学报， 2007 （ 2 ）： 219 - 222 ， 338 - 339 .

Li C D ， Zhu L H . Complex methods for random wind-induced response and equivalent wind action of structures with TLD ［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics ， 2007 （ 2 ）： 219 - 222 ， 338 - 339 . （in Chinese）

许国山，郑震云，杨凯博，等 . 基于等效力控制方法TLD减振结构振动台子结构试验［J］. 地震工程与工程振动， 2015 ， 35 （ 5 ）： 113 - 119 .

Xu G S ， Zheng Z Y ， Yang K B ， et al . Application of equivalent force control method to shaking table substructure testing of structure with TLD ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamic ， 2015 ， 35 （ 5 ）： 113 - 119 . （in Chinese）

Housner B G . The dynamic behavior of water tanks ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 1963 ， 53 （ 2 ）： 381 - 389 .

Vandiver J K ， Witome S K . The effect of liquid storage tanks on the dynamic response of offshore platforms ［J］. Applied Ocean Research ， 1987 ， 119 （ 3 ）： 389 - 408 .

Li H N ， Ying J ， Jing L . Simulation of dynamic liquid pressure for tuned liquid damper ［J］. Journal of Engineering Mechanics ， 2000 ， 126 （ 12 ）： 1303 - 1305 .

周惠蒙，吴斌 . TLD振动台子结构试验的数值仿真分析［J］. 震灾防御技术， 2010 ， 5 （ 1 ）： 9 - 19 .

Zhou H M ， Wu B . Numerical simulation of substructure shaking table test with tuned liquid damper ［J］. Technology for Earthquake Disaster Prevention ， 2010 ， 5 （ 1 ）： 9 - 19 . （in Chinese）

周惠蒙，吴斌，谭晓晶，等 . 调谐液体阻尼器的振动台子结构试验研究［J］. 土木工程学报， 2014 ， 47 （增1 ）： 70 - 75 .

Zhou H M ， Wu B ， Tan X J ， et al . Shaking table substructure test of tuned liquid damper ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2014 ， 47 （ Sup1 ）： 70 - 75 . （in Chinese）

孙连杨，吴玖荣，钟文坤，等 . 基于CFD/CSD耦合分析的内置竖向挡板TLD高层建筑风振控制研究［J］. 振动工程学报， 2025 ， 38 （ 2 ）： 292 - 301 .

Sun L Y ， Wu J R ， Zhong W K ， et al . CFD/CSD coupling numerical simulation on wind-induced vibration control of tall building and TLD system with built-in vertical baffles ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 2025 ， 38 （ 2 ）： 292 - 301 . （in Chinese）

潘毅，张兰林，林旭川，等 . 泸县6.0级地震城市建筑群震害模拟与震害机理分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2024 ， 44 （ 5 ）： 977 - 986 .

Pan Y ， Zhang L L ， Lin X C ， et al . Simulation and mechanism analyses on damage of urban buildings Subjected to M S 6.0 Luxian Earthquake ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2024 ， 44 （ 5 ）： 977 - 986 . （in Chinese）

李安琪，李宏男，张皓，等 . 考虑地震动转动分量作用的砌体结构易损性分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 4 ）： 763 - 769 .

Li A Q ， Li H N ， Zhang H ， et al . Vulnerability analysis of masonry structure considering the action of rotational component of ground motion ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 4 ）： 763 - 769 . （in Chinese）

闫龙，阮鑫鑫，刘章军 . 随机地震作用下BRB加固既有结构的可靠度分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 3 ）： 444 - 452 .

Yan L ， Ruan X X ， Liu Z J . Reliability analysis of existing structures strengthened by BRB under stochastic earthquake ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 444 - 452 . （in Chinese）

Housner B G . Characteristics of strong-motion earthquakes ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 1947 ， 37 （ 1 ）： 19 - 31 .

Kanai K . An empirical formula for the spectrum of strong earthquake motions ［J］. Bulletin of Earthquake Research Institute ， University of Tokyo， 1961 ， 39 （ 1 ）： 86 - 95 .

Tajimi H . A statistical method of determining the maximum response of a building structureduring an earthquake ［C］∥Proc. Second World Conf . Tokyo ：［s.n.］， 1960 ： 781 - 797 .

Ge X G ， Li C D ， Azim I ， et al . Structural dynamic responses of linear structures subjected to Kanai-Tajimi excitation ［J］. Structures ， 2021 ， 34 ： 3958 - 3967 .

Chodrati A G ， Bagheri A ， Fadavi M . New method for generation of artificial ground motion by a nonstationary Kanai-Tajimi model and wavelet transform ［J］. Structural Engineering and Mechanics ， 2007 ， 26 （ 6 ）： 209 - 723 .

刘美华，邹万杰，葛新广，等 . 基于欧进萍谱的广义Maxwell耗能结构随机响应简明解法［J］. 振动与冲击， 2022 ， 41 （ 4 ）： 124 - 133 .

Liu M H ， Zou W J ， Ge X G ， et al . A concise analytic solution to seismic response of structure with generalized Maxwell dampers under Ou Jinping spectrum excitation ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2022 ， 41 （ 4 ）： 124 - 133 . （in Chinese）

Chen M ， Liang X G ， Yang Z W ， et al . Analytical study on the random seismic responses of an asymmetrical suspension structure ［J］. Buildings ， 2023 ， 12 ： 1435 .

Li C D ， Wang R B ， Jiang L F ， et al . Dynamic analysis of damping structures considering support stiffness ［J］. Structures ， 2023 ， 57 ： 105297 .

李创第，王瑞勃，江丽富，等 . 混联Ⅰ型惯容系统基于李鸿晶谱的地震响应分析［J］. 计算力学学报， 2023 ， 40 （ 6 ）： 928 - 935 .

Li C D ， Wang R B ， Jiang L F ， et al . Seismic response analysis of series-parallel-I inerter system subjected to Li Hongjing spectrum excitation ［J］. Chinese Journal of Computational Mechanics ， 2023 ， 40 （ 6 ）： 928 - 935 . （in Chinese）

邹万杰，刘美华，李创第，等 . 基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析［J］. 力学学报， 2022 ， 54 （ 9 ）： 2601 - 2615 .

Zou W J ， Liu M H ， Li C D ， et al . Seismic response analysis of generalized Maxwell damping isolated structure with braces under HU Yuxian spectrum excitation ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2022 ， 54 （ 9 ）： 2601 - 2615 . （in Chinese）

Zheng X W ， Li H N ， Lv H L ， et al . Bayesian-based seismic resilience assessment for high-rise buildings with the uncertainty in various variables ［J］. Journal of Building Engineering ， 2022 ， 51 ： 104321 .

方同 . 工程随机振动［M］. 北京：国防工业出版社， 1995 .

林家浩 . 随机振动的虚拟激励法［M］. 北京：科学出版社， 2004 .

葛新广，龚景海，李创第 . 线性结构基于Kanai-Tajimi谱的随机地震动响应分析的新解法［J］. 振动与冲击， 2020 ， 39 （ 22 ）： 60 - 66 .

Ge X G ， Gong J H ， Li C D . Novel method for the random seismic response analysis of linear structures subjected to KanaiTajimi excitation ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2020 ， 39 （ 22 ）： 60 - 66 . （in Chinese）

Ge X G ， Gong J H ， Li C D . Novel method for the random seismic response analysis of linear structures subjected to Kanai-Tajimi excitation ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2020 ， 39 （ 22 ）： 60 - 66 .

Ge X G ， Li C D ， Azimi ， et al . Structural dynamic responses of linear structures subjected to Kanai-Tajimi excitation ［J］. Structures ， 2021 ， 34 ： 3958 - 3967 .

李创第，王瑞勃，江丽富，等 . 多自由度混联Ⅰ型惯容减震系统地震响应分析［J］. 振动与冲击， 2023 ， 42 （ 22 ）： 19 - 28 .

Li C D ， Wang R B ， Jiang L F ， et al . Seismic response analysis of multi-degree-of-freedom structures with a series-parallel layout I inerter system ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2023 ， 42 （ 22 ）： 19 - 28 . （in Chinese）

欧进萍，王永富 . 设置TMD、TLD控制系统的高层建筑风振分析与设计方法［J］. 地震工程与工程振动， 1994 ， 14 （ 2 ）： 61 - 75 .

Ou J P ， Wang Y F . Wind induced vibration analyses and design methods of tall buildings with tuned mass dampers or tuned liquid dampers ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 1994 ， 14 （ 2 ）： 61 - 75 . （in Chinese）

牛荻涛，欧进萍 . 设计用随机地震动模型与参数的改进［J］. 西安建筑科技大学学报， 1994 （ 1 ）： 30 - 35 .

Niu D T ， Ou J P . Random earthquake ground motion model and its parameter modification used in aseismic design ［J］. Journal of Xi'an University of Architecture & Technology ， 1994 （ 1 ）： 30 - 35 . （in Chinese）

林家浩，张亚辉，赵岩 . 虚拟激励法在国内外工程界的应用回顾与展望［J］. 应用数学和力学， 2017 ， 38 （ 1 ）： 1 - 32 .

Lin J H ， Zhang Y H ， Zhao Y . The pseudo-excitation method and its industrial applications in china and abroad ［J］. Applied Mathematics and Mechanics ， 2017 ， 38 （ 1 ）： 1 - 32 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

四肢钢管混凝土格构柱试验研究及参数分析

地震作用下土⁃深埋地下结构相互作用的高效时程分析方法