调频质量阻尼器（TMD）在复杂钢结构建筑中技术研究与应用

调频质量阻尼器（TMD）在复杂钢结构建筑中技术研究与应用

朱宏伟

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南 长沙 410000

摘 要：以雄安新区容东片区1号地块“雄安之翼”项目为研究和应用对象，针对大跨度、大悬挑复杂钢结构体系中存在多处楼盖的振动舒适度问题，系统研究了调谐质量阻尼器（TMD）在复杂建筑结构中的工程应用技术。通过进行动力特性分析，结合现场实测数据验证，重点探讨了TMD系统的参数优化设计、安装施工工艺、振动检测与调试等关键技术环节。研究结果表明：采用质量比接近3%的TMD系统后，悬挑结构振动加速度降幅达35%，有效解决了多功能厅、人员相对密集区等关键区域的舒适度问题，为类似工程提供了重要参考。

关键词：调频质量阻尼器；大跨度；大悬挑；振动控制；舒适度；施工安装

0 引言

大跨度、大悬挑等复杂钢结构建筑在现代建筑中应用非常广泛，其独特的造型和空间效果满足建筑多功能需求。然而，大悬挑、大跨度结构自身的特点使其在人群活动、风荷载等作用下容易产生较大振动，极易产生较大幅度的振动 [1]，影响结构安全和使用舒适度。调频质量阻尼器（TMD）作为一种有效的振动控制装置，通过调整自身频率与结构振动频率相匹配，消耗振动能量，从而达到减振目的。

调频质量阻尼器（TMD）作为一种被动式振动控制装置，近年来在大跨度、大悬挑结构振动控制领域得到了广泛的应用和研究。其工作原理是通过调整自身的频率，使其与结构的振动频率相匹配，在结构振动过程中，TMD 产生与结构振动方向相反的惯性力，从而消耗结构的振动能量，达到减振的目的 [2]。TMD 具有结构简单、成本较低、易于安装和维护等优点，在众多复杂结构工程项目中展现出良好的减振效果。

本文结合 “雄安之翼”项目，深入研究TMD在大悬挑钢结构建筑中的应用技术，涵盖从结构振动分析、TMD 选型设计，到安装施工、性能检测与调试等各个环节，旨在为类似复杂钢结构建筑的振动控制提供全面、系统的技术参考和工程实践经验。

1 工程背景

“雄安之翼”建筑位于雄安新区容东片区1号地块，北临“方城”中轴线，南面金湖公园。项目总建筑面积为23565.49㎡，主要建筑功能为经营文化性设施，塔楼地上共五层，地下一层。其中，一二层规划为服务大厅及配套用房，为来访人员提供便利的服务设施；三四层设置为报告厅和多功能厅，满足各类会议、演出等活动的需求；五层作为办公用房，为工作人员提供舒适的办公环境。

塔楼上部结构采用钢框架-屈曲约束支撑结构体系，底层平面尺寸约33.3m×49.2m，塔楼屋顶层平面尺寸约42mx97.3m，从第3层开始单层塔楼面积随着楼层升高向外扩展，整体结构呈“上大下小倒锥弧形收进状”，塔楼四周通过斜撑进行逐层悬挑，东西两侧塔楼边柱中心到悬挑结构外端最大悬挑长度达22.9m，南侧两侧塔楼边柱中心到悬挑结构外端最大悬挑长度达9.5m。三层南侧的多功能厅舞台位于南侧外悬挑结构的中部区域，五层东西两侧为人员相对密集的办公区，上人屋面存在大跨度活动区。这些区域在使用过程中，人员活动频繁，对结构的振动舒适度要求较高，大跨度、大悬挑结构的特点使得这些区域在人群活动等荷载作用下容易产生明显振动，因此对结构振动控制的需求十分迫切。

2 楼板舒适度分析

2.1楼板舒适度计算

“雄安之翼”建筑不同楼层使用功能差异很大，三层多功能厅、五层外悬挑办公区及屋面大跨度活动区对振动荷载的敏感程度较为强烈，为确保使用者的舒适度和结构的安全性，需要对这些区域进行详细的楼盖舒适度分析。

于此，将相关区域划分A区（办公区域悬挑端）、B区（屋面预留活动大跨度区域，20m 跨度）、C区（多功能厅舞台段，20m 跨度、8.2m悬挑）进行舒适度分析。大悬挑大跨度楼盖结构区域分布见图1。

图1 大悬挑大跨度楼盖结构区域分布图

依据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》第4.2.1条和第4.2.2条[3]，以行走激励为主的楼盖第一结构的竖向振动频率不宜低于3Hz，以节奏运动为主的楼盖第一结构的竖向振动频率不宜低于4Hz。在本建筑中，A区和B区主要为人员行走活动区域，按行走激励荷载计算；C区作为多功能厅舞台，存在有节奏的运动荷载，按此进行计算。通过计算，得到五层A区第一结构的竖向振动频率为1.04Hz，屋面层B区第一阶竖向振型频率3.42Hz，三层C区第一结构的竖向振动频率为2.42Hz。根据上述规范要求，B 区的竖向振动频率满足规范标准，可不进行舒适度验算；而C区及A区的竖向振动频率未达到规范规定值，应进行舒适度验算。

2.2 楼板舒适度评价指标

“雄安之翼”建筑的结构舒适度以竖向振动峰值加速度值作为楼板舒适度的评价指标。依据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》表4.2.1和表4.2.2，A区及B区按室外结构考虑[3]，竖向振动峰值加速度限值取0.15m/s²；C区按看台和演出舞台考虑，竖向振动有效最大加速度限值取0.5m/s²。该标准为后续评估TMD减振效果提供了量化依据。

对A区采用人行激励荷进行分析计算，得出其最大竖向加速度为0.13m/s²，接近规范限值0.15m/s²。理论上可以不考虑设置TDM，但考虑到实际使用过程中的不确定性因素，如人群活动的聚集效应、结构的长期性能变化等，在实际设计时，还是决定在每侧 A 区布置三个 TMD，以进一步保障舒适度。

C区为有节奏的运动区域，按舞台的标准值进行有节奏的激励荷载加载，计算得到最大有效最大加速度为 0.65m/s²，超出了规范限值 0.50m/s²。这表明C区的振动情况较为严重，必须增设TMD来调节楼盖振动加速度，以满足使用舒适度要求。

2.3 TMD 拟选

研究表明 [4]，布置的TMD质量与振型质量比在1%～5%时，能够在保证较好减振效果的同时兼顾经济性。在 “雄安之翼” 项目中，通过对各个区域的振动情况进行详细分析和筛选，发现三层楼盖多功能厅舞台区（C区）振动最为剧烈，频率为3.34Hz。

考虑减振需求和经济因素，最终确定在C 区最外侧区域拟布置6个TMD，每个2吨，共12吨。这种布置方案既能够针对振动最严重的区域进行有效减振，又能在合理的成本范围内实现较好的减振效果

2.4 减震分析

利用结构计算模拟TMD，考虑了多种实际荷载工况，包括不同类型的人群活动荷载、风荷载等，进行减振后的时程分析，并将结果与减振前的情况进行对比。结果显示，增设 TMD 后，C区的有效最大加速度从减振前的0.65m/s²降至加 TMD 减振后的 0.42m/s²，加速度降低了约 35%，设置 TMD 后各工况组合效应均可满足加速度限值要求。这一结果充分证明了 TMD 在本项目中对控制结构振动、提高楼板舒适度具有显著的有效性。

3 TMD 平面布置与节点设计

3.1 TMD 总布置

在该建筑第三层的振动剧烈区域（即 C 区）布置 6 台 TMD，具体布置见图 2。选择在振动剧烈区域布置 TMD，能够充分发挥其减振作用，最大程度地消耗结构的振动能量。在进行 TMD 的平面布置时，不仅要深入考虑结构的振动特性，确保 TMD 的布置位置与结构的振动模态相匹配，使 TMD 能够有效地响应结构的振动；还要兼顾施工安装的便利性，考虑施工场地的空间条件、吊运设备的操作范围等因素，以便于 TMD 的顺利安装；同时，也要注重空间利用的合理性，避免 TMD 的布置对建筑的使用功能和空间效果产生不利影响。

图2三层楼盖C区TMD布置图

3.2 连接构造

根据 “雄安之翼” 建筑的工程特点，TMD 连接构造采用了特定型式，具体构造见图 3。TMD 设计为体积小的结构形式，总高度不超过 0.45m，这样的尺寸设计能够使其方便地安装在钢梁间，充分利用钢结构的空间。

底座梁跨度在2.7m以内，可选用20槽钢，槽钢背面朝上安装，两端通过高强螺栓与钢梁进行可靠连接。在连接构造设计中，采用固定弹簧受压式设计，避免悬挂弹簧受拉式设计在安装时可能出现的TMD悬挂意外断裂的安全隐患。

连接节点处增设竖向加劲板、采用双螺母高强螺栓等设计发挥着重要作用。加劲板能够增强连接部位的刚度和承载能力，防止在振动过程中连接部位发生变形或破坏；双螺母高强螺栓则进一步确保了TMD与钢梁连接的可靠性，有效防止螺栓松动，使TMD能稳定地传递和消耗振动能量，保证TMD在结构振动过程中始终保持良好的工作状态。

图3 TMD与钢梁连接构造简图

4 TMD 安装

4.1 安装流程

TMD的安装流程涵盖多个步骤，包括检查现场及楼面施工条件、器件进场验收、底座梁安装、构件吊运、构件安装、拧出TMD 螺杆以及检测等步骤。每个步骤都紧密关联，现场施工条件的检查是确保后续安装工作顺利进行的基础；器件进场验收环节至关重要，通过严格的验收程序，对TMD的质量进行检验，确保其各项参数符合设计要求；底座梁安装是保障TMD安装的先决条件、规范的构件吊运和安装操作是保证TMD正确就位的关键；拧出螺杆是使TMD进入工作状态的重要步骤；最后的检测则是对安装质量的检验，确保TMD的安装质量符合要求，能够正常工作。

4.2 安装工艺

（1）在安装TMD之前，首先要完成TMD底座梁的安装工作。底座梁安装前，需使用专业的测量仪器对其进行调平，确保底座梁的水平度符合要求，误差控制在允许范围内。调平完成后，采用高强螺栓将底座梁与主梁进行固定。底座梁的强度是保证TMD正常工作的前提条件，因此在选择高强螺栓和设计托梁截面时，需要进行详细的计算和设计，确保能够为TMD提供稳定、有力的支撑。

（2）根据现场实际情况和施工深化图、利用高精度的测量仪器进行测量，精确标定TMD阻尼器的具体安装位置。测量的准确性直接影响 TMD 的安装位置，因此在测量过程中要严格按照测量规范进行操作，多次测量取平均值，确保测量误差最小化。

（3）考虑到施工的合理性和便利性，TMD应在楼承板铺设之前安装，由吊车将阻尼器吊装到相应位置。为确保施工安全，在吊装过程中，严禁下方站人，同时设置专人负责指挥吊装作业，确保吊装过程安全有序进行。

（4）TMD 起吊必须保证垂直、平稳，禁止出现倾斜现象。当TMD吊至对应位置后复核其位置，确保安装位置准确无误，然后将TMD焊接于底座梁上。若两侧梁底不等高，钢梁出厂前应在其底部相应位置焊接吊板，通过吊板与底座梁一端相连。

（5）安装时要严格控制底板水平度，确保底板水平度≦5°。将底槽钢固定于机座上后再松开吊装螺杆并取下锁紧木块，此时质量块处于工作状态。在安装过程中，使用水平仪实时监测底板水平度，一旦发现偏差超出规定值，应及时进行调整，以保证TMD的性能能够正常发挥。

（6）待甲方验收确定无误，方可进行楼板施工。验收环节确保了TMD安装质量符合要求，避免后续施工对TMD造成影响。验收过程中，除了对TMD 安装位置、连接牢固程度等进行检查，还应对TMD的外观进行检查，确保无损坏、无变形。只有通过验收，才能进入下一阶段的施工。

4.3 安装注意事项

在TMD 安装过程中，还应注意以下几点：

一是安装人员必须经过专业培训，熟悉 TMD 的安装流程和技术要求。只有具备专业知识和技能的人员，才能正确地进行 TMD 的安装操作，避免因操作不当导致安全事故或安装质量问题。

二是在恶劣天气条件下，如大雨、大风、大雾等，禁止进行 TMD 的吊装作业，确保施工安全，恶劣天气会影响吊装设备的操作性能和操作人员的视线，增加施工安全风险，因此必须严格遵守相关规定，在天气条件允许的情况下进行吊装作业。

三是安装现场应设置明显的警示标识，防止无关人员进入施工区域。TMD 安装现场存在一定的安全风险，设置警示标识能够提醒周围人员注意安全，避免发生意外事故。

5 性能检测

5.1 检测内容

TMD 的性能检验分为产品检测和现场检测两部分。

在器件生产完成后，需要进行产品检测，对TMD的各项参数进行检测，确认其设计参数是否满足要求，并出具详细的检测报告。检测参数包括质量块质量、弹簧刚度、阻尼系数等关键指标，通过专业检测设备进行精确测量，确保检测结果的准确性。

当安装调试TMD完成后，在大部分荷载重量就位（装修基本完成，消能器未发生作用）的情况下进行现场检测，确定悬挑楼板的振动频率并进行舒适度分析，考察TMD的减振效果。现场检测内容除了振动频率，还包括 TMD 的位移、加速度响应等参数的监测。通过对这些参数的监测和分析，可以全面了解TMD在实际工作状态下的性能表现，评估其是否达到设计要求，为后续的调试和优化提供依据。

5.2 检测方法

现场检测则利用高精度的振动测试仪器，如加速度传感器、位移传感器等，在悬挑楼板的关键位置进行布置，采集数据并进行分析。根据现场检测结果出具现场测试报告，并与理论分析结果对比，不断优化TMD性能，并依据检测结果对TMD进行调试。由于理论模型与实际结构基频存在一定误差，调试原则是根据检测结果对消能器刚度及阻尼进行调整，保证消能器与结构自振频率吻合，达到最佳减振效果。在调试过程中，采用逐步调整的方法，每次调整幅度不宜过大，避免对结构产生不利影响。

5.3 长期监测

为确保TMD在大跨度大悬挑结构区域使用过程中的长期有效性，可建立长期监测系统。通过持续对TMD的性能和结构的振动状态进行监测，定期收集和分析监测数据，及时发现潜在问题，如TMD部件的磨损、性能衰退，结构振动特性的变化等。一旦发现异常情况，可及时采取相应的处理措施，如对 TMD 进行维修、更换部件或调整参数，以保障建筑结构的安全和舒适度。

长期监测系统还可与建筑智能化管理系统相结合，实现数据的实时传输和远程监控。借助物联网技术，将监测数据实时传输至监控中心，管理人员可通过电脑、手机等终端设备远程查看TMD和结构的运行状态，提高管理效率，及时应对突发情况，确保建筑结构长期稳定运行。

6 结论

本研究结合“雄安之翼”项目，对TMD 在大悬挑钢结构中的应用技术进行了深入探讨。通过楼板舒适度分析，明确了大跨度大悬挑楼盖结构中研究和应用TMD 的必要性；合理的TMD选型、恰当的器件平面布置和相应的节点设计为减振效果提供了技术保障；严格规范的安装流程和工艺确保了TMD能够正确安装和有效工作；性能检测程序实现了对 TMD 性能的监测和优化。研究表明，TMD 能有效控制大悬挑钢结构在施工过程中的振动，提高施工安全性和结构稳定性。在未来的大悬挑钢结构项目中，可借鉴本项目经验，进一步推广 TMD 的应用，并不断优化应用技术，为大跨度大悬挑钢结构建筑的安全和舒适提供更可靠的技术保障。

参考文献：

李国强,朱雷.大跨度钢结构建筑的发展与挑战 [J]. 建筑结构学报,2020, 41 (5):1 - 12.

楼梦麟,郭迅.结构振动控制[M]. 同济大学出版社,2018.

JGJ/T 441-2019 建筑楼盖结构振动舒适度技术标准[S].北京：中华人民共和国住房和城乡建设部

黄襄云,王荣辉,陈政清.调频质量阻尼器 (TMD) 减振效果的影响因素分析[J]. 振动与冲击,2007,26 (8):81 - 84.

[作者简介] 朱宏伟（1982—），男，湖南衡南人，本科，高级工程师，研究方向：建筑工程、房建方向。