用ANSYS模拟超高层“定楼神器”摆式阻尼器，实现方法不复杂

有资料表明，世界上著名超高层楼中有一半采用调谐质量阻尼器（TMD，Tuned Mass Damper），其中摆式调谐质量阻尼器（简称摆式阻尼器）也占有重要地位。调谐质量阻尼器由质量块、弹簧和阻尼组成，摆式阻尼器也不例外，一般由“摆”和阻尼器组成。摆式阻尼器的工作原理是将摆的自振频率调整（调谐）到接近主结构的控制频率，在风或地震导致主结构振动或晃动时，摆产生与主结构相反的振动，从而减弱或控制主结构的振动。

摆式阻尼器的应用有较多的实例，如台北101大楼总高508m，楼层数为101层，在88至92层挂置一个重660吨的调谐质量阻尼器，用8根直径9cm的钢索悬吊，阻尼器最大摆幅为1.5m；再如上海环球金融中心楼高492米，大楼在90层（约394m）设置了两台自动控制阻尼器，各重150吨,尺寸为9m×9m×4.4m，振幅±1.1m。再如上海中心高达632米，在126层的“上海慧眼”下方安装重达1000吨的电涡流摆式调谐质量阻尼器（位于125层），由4组共12根钢索悬吊，钢索摆长大约21.5m，摆幅大约为2m。这些摆式阻尼器常被称为“定楼神器”，其应用还有不少，本文不再附这些建筑或阻尼器的图片，网络上有很多图片或视频可搜索观看。

超高层中安装的摆式阻尼器，其安装位置、摆的自振频率、摆的阻尼与主结构自振频率和阻尼、控制要求、荷载特性等很多因素有关，此外还有保险或限位装置等，必须进行参数优化才能最后确定。

超高层建筑高度在400m~600m时，一阶自振周期大约在6~9s之间。根据单摆自振周期计算公式T=2π×SQRT(L/g)，如需摆长大于5m（便于安装），则单摆的自振周期要大于4.5s。即主结构的自振周期在4.5s以上时，采用单摆式阻尼器才比较方便。显然，超高层建筑采用摆式或单摆式阻尼器是可行的。

下面以图2a)“单摆式”阻尼器为例（仅为示例），采用ANSYS瞬态动力分析比较一下结果，验证是否有减振效果。假设结构为一简易框架，在框架跨中悬吊一质量块，不考虑阻尼，分析在侧向冲击作用下，无单摆与设置单摆的侧向振动情况。为在基本一致的基础上比较，图1无摆时也设置质量块，即将质量块置于横梁中点，虽与图2计算模型有差异，但差异较小。

无摆与悬挂单摆的时程结果如图1和图2所示，从图3中比较可知，在算例参数情况下，位移幅度可减小20%以上，但加速度增大到约2倍，这与没有考虑结构阻尼、单摆频率与主结构自振频率有差别等有关。

下面给出悬挂单摆分析发命令流。

FINISH$/CLEAR$/CONFIG,NRES,2000

!创建模型

/PREP7$H=8$A=2$BC=2.5

K,1$K,2,,H$K,3,A/2,H

K,4,A,H$K,5,A$K,6,A/2,H-BC

L,1,2$L,2,3$L,3,4$L,4,5$L,3,6

ET,1,BEAM189$ET,2,LINK180

ET,3,MASS21,,,2$MP,EX,1,2.1E11

MP,PRXY,1,0.3$MP,DENS,1,7800

SECTYPE,1,BEAM,RECT

SECDATA,0.06,0.03

SECTYPE,2,LINK$SECDATA,140E-6

R,3,50

LSEL,U,LOC,X,A/2$LATT,1,,1,,,,1

LSEL,S,LOC,X,A/2$LATT,1,,2,,,,2

LESIZE,ALL,,,1$LSEL,ALL

ESIZE,0.2$LMESH,ALL

NZS=NODE(A/2,H,0)$NZX=NODE(A/2,H-BC,0)

NZ=NODE(0,H,0)$NY=NODE(A,H,0)

TYPE,3$REAL,3$E,NZX

DK,1,ALL$DK,5,ALL$FINISH

!进入求解层，瞬态动力分析

/SOLU$ANTYPE,TRANS

NLGEOM,ON

AUTOTS,ON$OUTRES,ALL,ALL

!第一荷载步,建立静力初始条件

TIMINT,OFF$TIME,1E-5

KBC,1$NSUBST,2

ACEL,,9.8$SOLVE

!施加推力(1S内达到100N)

TIMINT,ON!打开时间积分效应

KBC,0$DELTIM,0.01,,0.03

TIME,1

F,NZ,FZ,-100$F,NY,FZ,-100$SOLVE

!0.2S减至0

TIME,1.2

F,NZ,FZ,0$F,NY,FZ,0$SOLVE

!再继续荡到20S

TIME,20$SOLVE

!进入后处理，查看时程结果

/POST26

NSOL,2,NZS,U,Z$PLVAR,2

NSOL,3,NZX,U,Z$PLVAR,2,3

NSOL,4,NZS,A,Z$PLVAR,4

!通用后处理制作变形动画

/POST1$/VIEW,1,1,1,1$/AUTO,1

SET,LAST$PLNSOL,U,Z

ANTIME,200,0.1,,1,2,0,20

本文目的不在于优化参数，而在于ANSYS瞬态动力分析摆式阻尼器的过程和方法，用此方法可对任何结构进行分析，通过优化后可确定最佳摆式阻尼器装置。对实际工程，在命令流的基础上，无非是建模复杂些、考虑结构阻尼或添加阻尼器、改变激励为风压时程或地震时程、考虑控制要求等，实现方法一致。

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