滾動碰撞式調(diào)制質(zhì)量阻尼器減振性能試驗研究

李書進(jìn) 孫磊 余桓 孔凡

摘要：對一種可以置人空腔樓板內(nèi)部空間的滾動式帶碰撞調(diào)制質(zhì)量阻尼器（PTRMD）的減振性能進(jìn)行了試驗研究。該裝置結(jié)合碰撞調(diào)制質(zhì)量阻尼器（PTMD）和滾動式調(diào)制質(zhì)量阻尼器（TRMD）的特點，由質(zhì)量碰撞體（小球）、弧形軌道以及弧形軌道上的限位裝置構(gòu)成。介紹了該減振裝置的構(gòu)造和工作原理，設(shè)計并完成了帶有該減振裝置的框架結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗。選用自由振動、簡諧激勵和地震波等多種工況對模型結(jié)構(gòu)設(shè)置阻尼器前后的動力響應(yīng)進(jìn)行了對比分析。試驗結(jié)果表明：采用PTRMD作為減震裝置，能夠顯著降低模型結(jié)構(gòu)在不同激勵下的位移響應(yīng)幅值、位移響應(yīng)均方根和加速度響應(yīng)幅值、加速度響應(yīng)均方根，具有較強(qiáng)的耗能能力。簡諧激勵作用下，激勵頻率與主結(jié)構(gòu)頻率一致時取得最優(yōu)減震效果;不同地震波激勵輸入時，PTRMD取得的減震效果有所不同。

關(guān)鍵詞：振動控制;減振性能;滾動碰撞式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

中圖分類號：TU352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）05-0861-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.001

將結(jié)構(gòu)模型通過螺栓固定于振動臺臺面，在結(jié)構(gòu)頂部和振動臺臺面各布置1個加速度傳感器用于記錄主結(jié)構(gòu)頂部和振動臺臺面的加速度反應(yīng)，同時布置2個激光位移傳感器測量結(jié)構(gòu)頂部和臺面的位移時程，試驗現(xiàn)場照片如圖5所示。

3試驗結(jié)果與分析

3.1自由振動

分別對無控和有控模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由振動試驗，初始位移為20mm，測得自由振動工況下單層框架模型頂部的位移和加速度時程曲線如圖6所示，其中無控工況為鎖定裝置不發(fā)揮作用時的工況。從圖6及試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，在無PTRMD阻尼器的情況下結(jié)構(gòu)振動的衰減過程比較緩慢，需要很長一段時問才能衰減到一定范圍。而安裝了PTRMD后結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)在振動發(fā)生后的5s內(nèi)就有較大幅度的衰減，并在10s后衰減到3mm以內(nèi)，減振效果明顯。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可計算其等效阻尼比為0.047，耗能性顯著增加。試驗中同時發(fā)現(xiàn)，剛開始阻尼器中的滾動振子振幅較小，未與擋板發(fā)生碰撞，PTRMD類似傳統(tǒng)TMD一樣進(jìn)行減振。隨著振子滾動幅度加大，滾球與擋板發(fā)生碰撞，PTRMD開啟碰撞耗能機(jī)制，主結(jié)構(gòu)的響應(yīng)衰減加快。

3.2強(qiáng)迫振動

采用簡諧激勵對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)迫振動試驗，研究結(jié)構(gòu)在無控和有控下的動力反應(yīng)。試驗先將簡諧激勵頻率調(diào)至與主結(jié)構(gòu)相同（2.27Hz），考察PTRMD在主結(jié)構(gòu)共振時的減振情況。然后在基頻附近逐步改變簡諧激勵的頻率，對比分析PTRMD在不同頻率激勵下的減震效果。

圖7顯示的是激勵頻率與結(jié)構(gòu)基頻相同（2.27Hz），主結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時無控結(jié)構(gòu)與有控結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)對比。可以看出PTRMD能夠有效降低主結(jié)構(gòu)在共振時的位移響應(yīng)，位移均方根（RMS）減小35.3%。

將簡諧激勵的頻率在模型結(jié)構(gòu)基頻附近變化，分析PTRMD對激勵頻率的敏感性，試驗結(jié)果如圖8所示。圖8（a）為不同頻率激勵下有控和無控框架模型頂層最大位移對比圖，可發(fā)現(xiàn)PTRMD均有很好的減震作用。特別是當(dāng)外界激勵頻率接近且大于主體結(jié)構(gòu)的自振頻率（2.27Hz）時，阻尼器能在較寬的頻段上抑制主體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，適應(yīng)性強(qiáng);但當(dāng)外界激勵頻率小于且偏離主體結(jié)構(gòu)的自振頻率一定程度時，阻尼器的減振效果欠佳。將圖8（a）無量綱化，橫軸為激勵與結(jié)構(gòu)基頻頻率比r，縱軸為有控結(jié)構(gòu)位移幅值P與無控結(jié)構(gòu)位移幅值Po之比，如圖8（b）所示。可看出，頻率比等于0.95時，有控結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的放大，這與文獻(xiàn)[15-16]在傳統(tǒng)碰撞阻尼器試驗中的特性相似。觀察試驗發(fā)現(xiàn)滾球振子與碰壁發(fā)生了多次同向碰撞，即在碰撞瞬問主結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方向與滾球振子的運(yùn)動方向相同，這便是在該激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)放大的原因;而當(dāng)頻率比在0.975-1.100之問時，在較寬的頻帶內(nèi)PTRMD都能有效地減小主結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，控制頻率范圍擴(kuò)大。

3.3地震波激勵

選取3條典型地震波進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)減震試驗，分別是El Centro波、Cape Mendocino波以及Kobe波。試驗時將所選地震波的峰值加速度調(diào)整為0.2g，試驗結(jié)果通過位移響應(yīng)幅值、加速度響應(yīng)幅值和位移響應(yīng)均方根、加速度響應(yīng)均方根等反映。

表3-5列出了模型框架在不同地震波激勵下框架頂部產(chǎn)生的動力響應(yīng)，包括位移幅值、加速度幅值以及位移響應(yīng)的均方根和加速度響應(yīng)的均方根。圖9-11則分別為3種地震波作用下對應(yīng)的無控結(jié)構(gòu)與有控結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)時程曲線。

從試驗結(jié)果可以看出，3種地震波激勵作用下，裝有PTRMD阻尼器的框架結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)普遍比無控結(jié)構(gòu)的小，特別是均方根響應(yīng)的減小較為明顯，其中位移響應(yīng)均方根的減震效果為26.54%-54.19%，加速度響應(yīng)均方根的減震效果為26.16%-54.55%，表明新型滾球式碰撞調(diào)制質(zhì)量阻尼器確實可以吸收并消耗掉結(jié)構(gòu)體系很大一部分的能量，從而實現(xiàn)對主結(jié)構(gòu)的振動控制作用。試驗同時發(fā)現(xiàn)，不同的地震波激勵下PTRMD的減震效果也不盡相同。3種地震波激勵下以El Centro波作用下的減震效果最好，位移幅值響應(yīng)減小了25.91%;Kobe波激勵下的減振效果較差，位移響應(yīng)幅值僅減小0.21%，且加速度幅值還有些許放大，不過兩者的響應(yīng)均方根均減少了26%以上。分析發(fā)現(xiàn)，El Centro波和Cape Mendocino波的卓越頻率集中在2.3Hz及2.4Hz附近，這一頻率與模型框架主結(jié)構(gòu)的自振頻率很接近，而試驗中使用的Kobe波的能量主要集中在1.0-1.5Hz范圍，低于主結(jié)構(gòu)自振頻率（圖12），這一結(jié)果與本文3.2節(jié)中強(qiáng)迫振動的試驗結(jié)果相似。通過對試驗過程的觀察發(fā)現(xiàn)，Kobe波工況下滾球振子多次與碰撞壁發(fā)生同向碰撞，這種碰撞會導(dǎo)致主結(jié)構(gòu)此時的響應(yīng)放大。

3.4參數(shù)研究

裝置參數(shù)對PTRMD的減震性能影響較大，如擋板剛度、碰撞壁問距、碰撞阻尼、小球與結(jié)構(gòu)質(zhì)量比等。本次試驗對減振裝置碰撞壁問距（壁問弧線長度）和小球與受控結(jié)構(gòu)質(zhì)量比這兩個參數(shù)進(jìn)行了多種情況下的振動臺試驗，以考察結(jié)構(gòu)在不同碰撞問隔和不同質(zhì)量比下的減震情況。圖13和圖14分別為試驗得到的控制結(jié)構(gòu)在El Centro地震波和Cape Mendocino地震波激勵下，不同碰撞問隔和不同質(zhì)量比時的位移減震系數(shù)比較圖。其中碰撞間隔和質(zhì)量比各分三種情況，分別是49，68，87mm和3.2%，3.6%，4%，共9組試驗工況。可以看出，隨著質(zhì)量比的增加，PTRMD的減震效果越好。隨著碰撞問隔的增加，位移減震系數(shù)先增大后減小，表明在碰撞問隔49mm和87mm之問存在著最優(yōu)碰撞問隔，這與常規(guī)PTMD的特性相似。圖中還可看出碰撞問隔較小時，位移減震系數(shù)隨著碰撞問隔的變小下降很快，但隨著碰撞問隔的增加，減震效果逐步增強(qiáng)且變化趨緩，應(yīng)用時尋找并保持一定距離的最優(yōu)碰撞問距尤為重要。數(shù)值算例發(fā)現(xiàn)只要結(jié)構(gòu)中本阻尼器的擋板限位處角度θ與滾球最大滾動角度θmax之比保持在最優(yōu)距離比附近即可保證最佳減振效果，最優(yōu)距離比則可通過數(shù)值分析得到。實際工程中，可根據(jù)結(jié)構(gòu)所在的場地條件以及空腔樓板的實際情況，確定無碰撞時阻尼器的最大滾動角度，然后乘以最優(yōu)距離比即可得到最優(yōu)碰撞問距。對于其他參數(shù)，本次沒有進(jìn)行試驗研究，但通過算例分析得到了一些初步結(jié)論，如阻尼器對擋板剛度的敏感性較小，但當(dāng)擋板剛度過大或過小時會使碰撞影響變小，裝置適應(yīng)性變差。

4結(jié)論

對一種可以置人空腔樓板內(nèi)部空問的滾動碰撞式調(diào)制質(zhì)量阻尼器（PTRMD）的減振性能進(jìn)行了試驗研究。通過振動臺試驗，選用自由振動、簡諧激勵和地震波等多種工況對模型框架設(shè)置PTRMD前后的動力響應(yīng)進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）自由振動工況下，設(shè)置PTRMD阻尼器后，模型結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)均有明顯減少，其中位移響應(yīng)均方根減少了49.16%，減震效果明顯;

（2）簡諧激勵工況下，當(dāng)激勵頻率與受控結(jié)構(gòu)頻率一致時PTRMD減震效果最明顯，能夠有效降低主結(jié)構(gòu)在共振時的位移響應(yīng)，其位移均方根減小35.3%。此外，PTRMD在較寬的頻帶內(nèi)都能有效減小主結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，頻率范圍擴(kuò)大時適應(yīng)性好;

（3）地震波激勵下，PTRMD裝置對主體結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)都有很好的減振效果，但不同的地震波激勵下PTRMD的減震效果也略有區(qū)別。El Centro波和Cape Mendocino波作用下的受控結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)幅值降低明顯，而Kobe波的幅值響應(yīng)控制效果不佳，這是因為試驗中采用的Kobe波卓越頻率在1.5Hz左右，小于模型框架的自振頻率2.27Hz，滾球振子發(fā)生了與碰撞壁同向相撞的情況，說明激勵頻率對PTRMD的減震效果有一定影響，尤其當(dāng)激勵的頻率小于最優(yōu)頻率時影響較大。

（4）裝置的碰撞壁問距和小球與結(jié)構(gòu)主體質(zhì)量比等參數(shù)對減振效果有一定影響。質(zhì)量比越大，PTRMD的減震效果越好;不同激勵存在最優(yōu)碰撞問距，尋找并保持一定距離的最優(yōu)碰撞問距對于裝置的減震較為關(guān)鍵。