调谐质量惯容系统对高耸脱硫塔风振控制研究_李阳.pdf
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1、第2 1卷第4期2 0 2 3年4月动 力 学 与 控 制 学 报J OUR NA LO FD YNAM I C SAN DC ON T R O LV o l.2 1N o.4A p r.2 0 2 3文章编号:1 6 7 2-6 5 5 3-2 0 2 3-2 1(4)-0 8 2-0 0 9D O I:1 0.6 0 5 2/1 6 7 2-6 5 5 3-2 0 2 3-0 4 7 2 0 2 2-1 2-3 1收到第1稿,2 0 2 3-0 3-2 8收到修改稿.*国家自然科学基金项目(5 1 8 7 8 2 7 4),中建股份科技研发课题(C S C E C-2 0 2 1-Q-6
2、3),河南省高等学校重点科研项目(2 2 A 4 1 0 0 0 3),N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(5 1 8 7 8 2 7 4),S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yR e s e a r c hP r o j e c to fC S C E C(C S C E C-2 0 2 1-Q-6 3),K e yS c i e n t i f i cR e s e a r c hP r o j e c to fC o l l e g e sa
3、 n dU n i v e r s i t i e s i nH e n a nP r o v i n c e(2 2 A 4 1 0 0 0 3).通信作者E-m a i l:w a n g z h i h a o n c w u.e d u.c n调谐质量惯容系统对高耸脱硫塔风振控制研究*李阳1 张庆华1 杨辉2 汪志昊1(1.华北水利水电大学 土木与交通学院,郑州 4 5 0 0 0 0)(2.中建三局集团有限公司,武汉 4 3 0 0 6 4)摘要 高耸脱硫塔属于圆截面薄壁钢结构,具有柔度大、阻尼小、上部截面突变等特征,在风荷载作用下易发生较为强烈的顺风向和横风向振动.为实现脱硫塔风致
4、振动的有效与轻量化控制,引入调谐质量惯容系统(TM I S),基于推导的脱硫塔-TM I S耦合系统频响函数,分别建立了TM I S对脱硫塔的顺风向和横风向减振参数优化设计方法,并对比分析了TM I S、传统调谐质量阻尼器(TMD)、调谐质量惯容阻尼器(TMD I)对脱硫塔的减振效果.结果表明:以脱硫塔频域响应和H范数为目标优化设计的TM I S对脱硫塔顺风向和横风向风致振动均有较好的控制效果;与顺风向减振相比,TM I S横风向减振具有更好的轻量化效应;与TMD、TMD I相比,TM I S表现出较好的减振优势.关键词 高耸结构,风振控制,调谐质量阻尼器,调谐质量惯容阻尼器,调谐质量惯容系统
5、中图分类号:TU 3 1 1.3;TU 3 3 3文献标志码:AS t u d yo nW i n d-I n d u c e dV i b r a t i o nC o n t r o l o faD e s u l p h u r i z a t i o nT o w e rB a s e do nT u n e dM a s s I n e r t e rS y s t e m(TM I S)*L iY a n g1 Z h a n gQ i n g h u a1 Y a n gH u i2 W a n gZ h i h a o1(1.S c h o o l o fC i v i lE
6、n g i n e e r i n ga n dC o mm u n i c a t i o n,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fW a t e rR e s o u r c e sa n dE l e c t r i cP o w e r,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5,C h i n a)(2.C h i n aC o n s t r u c t i o nT h i r dE n g i n e e r i n gB u r e a uG r o u pC o.,L t d,W u h a n 4 3 0 0 6
7、 4,C h i n a)A b s t r a c t T h et a l ld e s u l p h u r i z a t i o nt o w e rb e l o n g st ot h et h i n-w a l ls t e e ls t r u c t u r ew i t hr o u n ds e c t i o n,w h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f l a r g e f l e x i b i l i t y,s m a l l d a m p i n ga n da b r u p t c
8、h a n g eo fu p p e r s e c t i o n.U n-d e rw i n d l o a d,t h e t o w e r i sp r o n e t os e v e r ev i b r a t i o ni na l o n g-w i n da n da c r o s s-w i n dd i r e c t i o n s.I no r d e rt or e a l i z ee f f i c i e n t a n d l i g h t w e i g h t c o n t r o l o f t h ew i n d-i n d u c
9、e dv i b r a t i o no f t h e t o w e r,a t u n e dm a s s i n e r-t e rs y s t e m(TM I S)i s a d o p t e d i n t h i s s t u d y.B a s e do n t h ed e r i v e d f r e q u e n c yr e s p o n s e f u n c t i o n f o r m u l ao ft h ed e s u l f u r i z a t i o nt o w e r-TM I Sc o u p l i n gs y s t
10、 e m,t h e o p t i m a l d e s i g nm e t h o do f t h eTM I Sf o rb o t ha l o n g-w i n da n da c r o s s-w i n d i n d u c e dv i b r a t i o nc o n t r o l o f t h e t o w e r i se s t a b l i s h e d.F i n a l l y,t h ev i b r a t i o nc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fTM I So nt h e t o w e
11、 r i sc o m p a r e dw i t ht h a to f t r a d i t i o n a l t u n e dm a s sd a m p e r(TMD)a n dt u n e dm a s sd a m p e r i n e r t e r(TMD I).T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eTM I So p t i m i z e dw i t ht h ef r e q u e n c yd o-m a i nr e s p o n s ea n dHn o r ma s t a r g e t sh a se
12、x c e l l e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c eo nv i b r a t i o nm i t i g a t i o no f t h et o w e ri nb o t ha l o n g-w i n da n da c r o s s-w i n dd i r e c t i o n s.M o r e o v e r,t h eTM I Sd e m o n s t r a t e sb e t t e rl i g h t-w e i g h te f f e c to nv i b r a t i o nc o n t r
13、o l i na c r o s s-w i n dd i r e c t i o nt h a nt h a t i na l o n g-w i n dd i r e c t i o n,a n d i t s c o n-第4期李阳等:调谐质量惯容系统对高耸脱硫塔风振控制研究t r o l p e r f o r m a n c e i ss u p e r i o ro v e r t h a to f t h eTMDa n dTMD I.K e yw o r d s h i g h-r i s es t r u c t u r e,w i n d-i n d u c e dv i
14、b r a t i o nc o n t r o l,t u n e dm a s sd a m p e r,t u n e dm a s sd a m p e r i n e r t e r,t u n e dm a s s i n e r t e rs y s t e m引言大型烟气脱硫塔是石油化工企业的重要设备,属于自立式高耸薄壁钢结构,对风荷载作用较为敏感1.脱硫塔底部进行工业废气的脱硫处理,上段设置高耸钢烟囱以提升排烟高度,截面突变进一步削弱了结构上部的刚度和承载力.除常见的顺风向抖振外,脱硫塔在特定风速下易发生更剧烈的横风向涡激共振2.鉴于塔顶空间有限,为保证脱硫塔安全稳定运行,降
15、低风致振动对结构安全与疲劳损伤影响,有必要对脱硫塔开展轻量化减振研究3-4.调谐质量阻尼器(TMD)作为一种常见的吸能减振装置,已被广泛用于高耸结构和高层建筑的风振控制5,6.陈磊等7对比了某脱排一体式钢塔风振响应 的 数 值 模 拟 和 现 场 实 测 结 果,并 设 计 了TMD减振装置,结果表明TMD可以降低结构的位移和加速度响应,但会增大上部结构的应力.针对某 高 耸 钢 烟 囱,陈 鑫 等8开 展 了 基 于 悬 吊 式TMD的结构模型减振试验与数值仿真分析,结果表明悬吊式TMD能够增加结构的等效阻尼比,显著降低结构动力响应.为保证减振效果,传统TMD往往需要较大的运动质量,既增加了
16、结构受力负担,又增加了工程成本.惯容(I n e r t e r)具有质量放大效应9,与传统阻尼装置组合使用可实现耗能增效1 0.叶昆等1 1将调谐惯容阻尼器(T I D)附加在基础隔震结构的隔震层,研究表明,最优T I D能够明显降低隔震层水平位移和上部结构加速度.苏宁等1 2推导了安装调谐质量惯容阻尼器(TMD I)的高耸烟囱结构的风振响应解析解,分析了惯容器的连接位置对阻尼器减振效果的影响,提出了TMD I参数设计公式.与惯容需要接地或连接到结构较低位置的TMD I相比,单端连接主结构的惯容减振系统有望在实现惯容元件耗能增效的同时,解决惯容元件连接难题.借鉴I k a g o等1 3研发
17、的调谐黏滞质量阻尼器(T VMD),G a r r i d o等1 4提出了旋转双调谐质量阻尼器(R I D TMD).李亚峰等1 5研究了R I D TMD对某吸热塔的的风致振动控制效果,结果表明,相对传统TMD具有明显增效作用.为实现结构的轻量化减振,张瑞甫等1 6,1 7提出了由调谐质量、调谐弹簧和惯容子系统组成的调谐质量惯容减振系统(TM I S),其中惯容子系统包括并联连接的惯容元件与阻尼元件,以及与它们串联的刚度元件.鉴于TM I S的轻量化减振优点,本文以某变截面高耸脱硫塔为研究对象,引入TM I S开展风致振动控制,推导得到脱硫塔-TM I S耦合系统的频响函数表达式;结合脱硫
18、塔顺风向、横风向风振特性,分别以结构频域响应和H范数为优化目标,建立基于遗传算法的减振参数优化设计方法,并系统对比TMD、TMD I和TM I S对脱硫塔的减振效果.1 脱硫塔-阻尼器系统1.1 脱硫塔有限元模型某圆形脱硫塔高8 5 m,主体采用Q 2 3 5钢结构,自下而上按截面尺寸分为五段,其中第2段和第4段为变径段,分段结构尺寸见表1.表1 脱硫塔各分段内径与厚度T a b l e1 I n n e rd i a m e t e ra n dt h i c k n e s s f o re a c hs e c t i o no f t h e t o w e rS e g m e n
19、t12345I n s i d ed i a m e t e r/m7.7 0 07.7 0 0/5.7 6 05.7 6 02.7 0 02.7 0 0T h i c k n e s s/m0.0 2 00.0 2 0/0.0 1 60.0 1 60.0 1 60.0 1 6H e i g h t/m1 2.0 5 03.3 2 01 4.9 5 05.4 8 04 9.2 0 0将该脱硫塔视为支座底面全约束的悬臂梁结构,基于AN S Y S软件采用梁单元(B e a m1 8 8)建立结构有限元模型,见图1(a).计算得到的脱硫塔前2阶模态振动频率分别为0.9 0 8 H z、4.1 9
20、2 H z,其中第1阶振型见图1(b),表现为结构上段的弯曲振动.出于保守考虑,设定脱硫塔前2阶模态阻尼比为0.5%1 8,采用超单元法提取结构质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C,构建脱硫塔数值模型进38动 力 学 与 控 制 学 报2 0 2 3年第2 1卷行后续分析.(a)脱硫塔有限元模型 (b)脱硫塔第1阶振型(a)D e s u l f u r i z a t i o nt o w e rm o d e l (b)T h e f i r s tm o d eo f t h e t o w e r图1 脱硫塔有限元模型及其第1阶振型F i g.1 F Em o d e l a n do
21、f t h e f i r s tm o d es h a p eo f t h ed e s u l f u r i z a t i o nt o w e r1.2 脱硫塔-阻尼器系统运动方程图2给出了安装于塔顶的传统TMD、并联惯容器的双端TMD I和TM I S系统构型及安装位置示意,其中mt、ct、kt分别表示阻尼器运动质量、阻尼系数和刚度系数,mi n表示惯容的虚质量,ci n和ki n分别表示惯容子系统的阻尼系数和刚度系数.图2 脱硫塔-阻尼器系统模型示意F i g.2 D e s u l f u r i z a t i o nt o w e r-d a m p e r s y s
22、 t e m m o d e l将脱硫塔简化为广义单自由度体系:m=TM,c=TC k=TK(1)式中,m、c、k分别表示脱硫塔的广义质量、广义刚度和广义阻尼;M、C、K分别表示脱硫塔的质量、阻尼和刚度矩阵;为脱硫塔的振型函数,对本文风振响应控制直接取脱硫塔第1阶模态.脱硫塔-TMD系统、脱硫塔-TMD I系统和脱硫塔-TM I S系统的运动方程分 别表示为式(2)、式(3)和式(4):m x+c x+ct(x-xt)+k x+kt(x-xt)=f(t)mtx t+ct(xt-x)+kt(xt-x)=0(2)m x+mi n(-1)x-x t+c x-(ct+ci n)xt+k x-(kt+k
23、i n)xt=f(t)mt(x+x t)+mi n(1-)x-x t+(ct+ci n)xt+(kt+ki n)xt=0(3)m x+c x+k x+kt(x-xt)+ki n(x-xi n)=f(t)mtx t+mi n(x t-x i n)+ci n(xt-xi n)+kt(xt-x)=0mi n(x i n-x t)+ci n(xi n-xt)+ki n(xi n-x)=0(4)式中,x、xt、xi n分别表示脱硫塔、阻尼器实际质量和惯容元件的位移响应;f(t)表示归一化的广义风荷载;表示TMD I的惯容器连接位置.鉴于TMD和TMD I减振研究已较为成熟,下面仅对脱硫塔-TM I S系
24、统运动方程及其风振响应开展公式推导与数值分析.1.3 脱硫塔-TM I S系统风振响应分析首先定义以下无量纲参数:t=mt/m,i n=mi n/mti n=ci n/(2mtkt)t=t/0,i n=ki n/kt(5)式中,t、i n分别为TM I S系统的实际质量和惯容的虚质量与主结构广义质量之比;i n为惯容子系统的名义阻尼比;t表示TM I S和主结构的频率比;0表示脱硫塔第1阶圆频率;i n表示惯容子系统弹簧和调谐弹簧的刚度比.据此可对式(4)中的质量、刚度和阻尼参数作变量代换:mt=tm,mi n=i ntmc=2m 00,ci n=2mi ntt0k=m 20,kt=tm(0t
25、)2ki n=i ntm(0t)2(6)48第4期李阳等:调谐质量惯容系统对高耸脱硫塔风振控制研究式中,0表示脱硫塔固有阻尼比.在顺风向或横风向风荷载下,脱硫塔-TM I S系统的运动方程可表示为:M1X+C1X+K1X=F(t)(7)式中,X=x,xt,xi nT,F(t)=f(t)/m,0,0T;质量、阻尼、刚度矩阵M1、C1、K1分别为:M1=1000t+ti n-ti n0-ti nti n(8)C1=2000002i ntt0-2i ntt00-2i ntt02i ntt0(9)K1=20(1+t2t+i nt2t)-t(0t)2-i nt(0t)2-t(0t)2t(0t)20-i
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