新型集成在天桥中的双调谐质量阻尼器，用于建筑抗震防护

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Novel skywalk-integrated dual tuned mass dampers for building seismic protection

地震防护中，双调谐质量阻尼器（DTMD）系统通过粘弹性耦合装置连接相邻建筑，利用结构动力耦合提升抗震性能。研究构建低维力学模型，将建筑简化为2-DOF剪切系统，分析 skywalk 中 viscous damping 与 viscoelastic coupling 的协同作用，并通过参数分析与地震响应验证其有效性，特别是在改善层间位移和结构稳定性方面表现突出。

　　在现代建筑领域，地震防护已成为一项至关重要的课题，尤其是在中高层建筑中。随着城市化进程的加快和建筑高度的不断增加，如何有效提高建筑物在地震中的安全性和稳定性，成为结构工程师面临的核心挑战之一。近年来，研究人员探索了多种方法来增强结构在地震作用下的性能，其中引入外部设备如调谐质量阻尼器（TMD）被认为是提升抗震能力的有效策略。TMD是一种通过引入一个附加质量来吸收结构振动能量的装置，它能够通过自身运动减少主结构的响应，从而降低地震带来的损害。然而，在极端地震条件下，TMD的性能可能会受到限制，尤其是当附加质量与主结构的质量比较小时，其减震效果可能不够理想。

为了克服这一局限，研究者们提出了多种创新的系统，如将TMD与惯性器（inerters）结合使用的调谐质量阻尼器惯性器（TMDI）系统，以及利用迟滞装置和阻尼墙等其他设备的组合。这些系统的开发旨在通过更复杂的动态相互作用，提高结构在地震中的整体性能。其中，一种特别引人注目的策略是通过专门的设备将相邻建筑连接起来，以利用其耦合动态行为来减轻地震影响。这一策略的核心思想在于，通过结构间的相互作用，将地震能量分散到多个系统中，从而减少单个建筑所承受的冲击。

本研究的重点正是这一策略的创新应用。研究团队提出了一种基于天桥的双调谐质量阻尼器（DTMD）系统，该系统由两个独立调谐的TMD组成，并通过一种粘弹性耦合装置直接连接。这种设计不仅考虑了TMD在主结构中的作用，还特别强调了两个TMD之间的直接耦合如何进一步提升系统的抗震能力。相比于传统的独立TMD应用，DTMD系统能够更有效地利用相邻建筑之间的动态交互，从而实现更优的减震效果。在这一系统中，天桥作为连接装置，不仅提供了结构间的物理连接，还嵌入了粘性阻尼元件，这些元件能够根据连接楼层之间的相对速度进行能量耗散，从而进一步稳定整个系统。

为了验证DTMD系统的有效性，研究团队采用了一种低维机械模型来描述整个耦合系统。该模型将每座建筑简化为一个具有两个自由度（2-DOF）的剪切型结构，这样可以在不牺牲精度的前提下，提高计算效率。同时，该模型还考虑了天桥的结构特性，以及TMD和粘弹性耦合装置的参数设置。通过这种方式，研究者能够更清晰地分析系统在地震作用下的动态响应，并评估不同参数配置对系统性能的影响。

在参数分析方面，研究团队对影响系统性能的关键参数进行了系统性的探讨。这些参数包括TMD的质量、阻尼系数，以及天桥连接楼层的位置等。通过对这些参数的调整和优化，研究者能够探索DTMD系统在不同工况下的表现。特别是在地震波频率和振幅变化较大的情况下，系统的适应性显得尤为重要。研究还发现，TMD的最佳安装位置并不总是位于建筑的顶部，而是取决于地震波的频率特性以及建筑自身的模态响应。例如，在某些结构中，TMD可能更有效地安装在中层或高层，以更好地匹配地震波的激励频率。

为了进一步分析DTMD系统的性能，研究团队采用了频率响应曲线这一工具。频率响应曲线能够直观地展示系统在不同频率输入下的动态行为，从而帮助研究人员理解系统的减震机制。在本研究中，频率响应曲线不仅用于评估单个TMD在建筑中的作用，还特别关注了两个TMD之间的直接耦合如何影响系统的整体响应。研究结果表明，这种直接耦合能够显著提升系统的能量耗散能力，并减少结构之间的相对位移和层间位移角，从而提高建筑在地震中的稳定性。

此外，研究团队还对系统的地震响应进行了详细的分析。通过使用不同类型的地震波作为输入，研究者评估了DTMD系统在各种地震条件下的表现。分析结果显示，DTMD系统在大多数地震场景下均表现出优异的减震性能，特别是在高频率地震波作用下，其效果尤为突出。通过比较不同参数配置下的系统响应，研究团队还发现，TMD的质量和阻尼系数的合理选择对于提升系统的抗震能力至关重要。例如，当TMD的质量增加时，其减震效果会显著提升，但同时也会增加系统的成本和复杂性。

在实际应用中，DTMD系统的引入为相邻建筑的抗震设计提供了新的思路。传统的抗震策略往往依赖于对单个建筑进行独立保护，而DTMD系统则通过结构间的相互作用，实现了更全面的减震效果。这种策略特别适用于那些已经存在某种连接或功能需求的建筑，例如天桥连接的建筑群。在这些情况下，利用天桥作为连接媒介，不仅可以提高结构的抗震能力，还能够减少对额外支撑结构的需求，从而降低整体的建设成本。

然而，DTMD系统的实施仍然面临一些挑战。首先，如何在不牺牲建筑功能的前提下，合理设计和安装TMD以及粘弹性耦合装置，是工程实践中需要解决的问题。其次，系统的优化设计需要考虑多种因素，包括建筑的几何形状、材料特性、地震波的频率和振幅等。因此，研究团队建议在实际应用中，应结合具体的建筑条件和地震风险，对DTMD系统进行定制化设计，以确保其在各种工况下的有效性。

本研究的成果不仅为相邻建筑的抗震设计提供了理论支持，也为未来的工程实践奠定了基础。研究团队计划在后续工作中，进一步发展更精确的分析和数值模型，并最终通过实验验证DTMD系统的实际性能。这一系列研究将有助于推动抗震技术的创新，并为建筑安全提供更可靠的解决方案。此外，研究还强调了在设计过程中对参数敏感性的分析，这为后续研究提供了重要的参考价值。

总的来说，DTMD系统的提出代表了地震防护领域的一项重要进展。通过将两个独立调谐的TMD连接起来，并利用粘弹性装置进行能量耗散，该系统能够有效提升相邻建筑的抗震能力。研究团队的分析表明，这种系统在多种地震条件下均表现出良好的减震效果，为未来建筑抗震设计提供了新的方向。随着对地震动力学和结构耦合行为的进一步理解，DTMD系统有望成为一种广泛应用的抗震策略，特别是在高层建筑和建筑群中。未来的研究将集中在如何进一步优化系统参数，提高其在实际工程中的适用性和经济性，以实现更广泛的推广和应用。