顆粒阻尼器減振性能的振動臺試驗研究★

倪云琪 陳旭東,2

(1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011; 2.江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州 215011)

1 阻尼器背景

顆粒阻尼器以增加結構阻尼為目的，是一種附加質量式的被動阻尼器。該阻尼器在主體結構的某些有限封閉空間內填充微小顆粒，通過顆粒之間的撞擊和摩擦，消耗系統振動能量，具有耐久性好、可靠度高、對溫度變化不敏感以及適用于惡劣工作環境等優點[1]。

作為一種被動式振動控制技術，顆粒阻尼器最初源于20世紀60年代提出的單顆粒沖擊阻尼器[2]。在土木工程方面，Naeim[3]介紹了一座加裝了顆粒阻尼器的高樓在2010年智利Maule地震中所表現出的良好的減振效果。

近年來，專家學者開展了顆粒阻尼器減振性能的試驗研究。Friend和Kinra[4]使用鉛丸作為顆粒材料，將阻尼器安裝到鋁制的懸臂梁上，進行自由振動，并根據試驗結果，提出了顆粒碰撞阻尼的初步分析模型。Marhadi和Kinra[5]擴展了上述研究，分析了質量比、顆粒數量、顆粒材料以及顆粒形狀等參數對懸臂梁自由振動減振效果的影響。以上研究是基于單自由度體系的。同濟大學的魯正、呂西林等[6]將裝有鋼球的顆粒阻尼器置于三層鋼框架之上，并進行了大型振動臺試驗，研究了各種地震激勵下阻尼器的減振效果。在他們的進一步研究[7]中，阻尼器內壁被覆以20 mm厚橡膠板作為緩沖層，試驗結果表明加裝緩沖層的顆粒阻尼器比未加裝的有更好的減振效果。

除了試驗研究，不少學者還從數值模擬的角度來揭示顆粒阻尼器的吸能減振規律。由于問題的高度離散性，大部分研究人員選擇離散元來進行模擬[8]。

本文基于振動臺試驗，設計制作了鋁質框架、阻尼盒，采用鋼珠為阻尼顆粒，研究了不同粒徑、不同填充質量顆粒阻尼器的減振效果，并與等效配重試驗進行了對比。結果表明，本文設計的顆粒阻尼器減振效果明顯。改變阻尼顆粒的大小與質量，可得到不同的阻尼效果。

2 試驗裝置及方案

2.1 試驗裝置

本試驗在江蘇省結構工程重點實驗室的小型振動臺上進行。該振動臺尺寸為1.0 m×0.8 m，水平一維振動，單向最大位移10 cm，加速度峰值通過位移反向控制，約為0.3g。研究所采用的結構為單層鋁框架結構，上部為50 cm×10 cm×10 mm的鋁板，兩側為75 cm×10 cm×3 mm的鋁板。框架的總質量為1.90 kg(含阻尼盒)。框架與角鋁、振動臺通過螺栓固定。試驗所采用的顆粒阻尼盒為鋁合金制造，內腔長×寬×高為100 mm×95 mm×55 mm。阻尼盒通過螺栓固定在結構頂端。在結構頂端，沿結構振動方向布置2個激光位移靶標和2個加速度傳感器，以測量結構頂端的位移和加速度。在振動臺臺面布置1個激光位移靶標，記錄臺面的位移，作為基準。試驗各部件詳見圖1。

2.2 試驗方案

試驗所采用的顆粒材料為鋼珠，選用3種不同的粒徑，填充質量分別為100 g,200 g,300 g。對振動臺分別施加簡諧波和地震波，研究顆粒粒徑和質量對顆粒阻尼器減振性能的影響，并與等效配重試驗進行對比。選用的顆粒參數見表1。

表1 顆粒材料參數

3 結果與分析

3.1 自振頻率分析

1)未加阻尼顆粒的框架。當結構未配有任何阻尼顆粒時，對結構頂端施加水平擾動，使之自由振動，記錄位移變化。多次試驗，對數據采用傅立葉變換(見圖2)，得到結構的平均自振頻率。由圖2可知，未加阻尼顆粒狀態下結構平均自振頻率為3.601 Hz。

2)添加等效質量塊的框架。選取100 g，200 g和300 g三種等效質量塊，裝入阻尼盒，測得結構的平均自振頻率如表2所示。由表2可知，隨著質量的增加，結構自振頻率逐漸減小。

表2 三種等效質量塊結構自振頻率

3)添加阻尼顆粒的結構。添加阻尼顆粒后，結構的自振頻率如表3所示。由于隨著鋼珠直徑增大，其質量不一定正好為整數，取誤差最小的實測質量。

表3 三種尺寸鋼珠不同質量下結構自振頻率

由圖3可知，在同一質量下，裝有直徑6 mm阻尼顆粒的結構自振頻率最大，4 mm珠子其次，2 mm珠子最小。同時，隨著阻尼顆粒質量的增大，結構自振頻率減小。

3.2 簡諧振動分析

為分析顆粒阻尼器減振效果，定義減振率:

(1)

式(1)中，Deq，Ddamper分別為結構頂端添加等效質量塊和阻尼顆粒時，在頻率f=2.5 Hz，振幅A=10 mm，8個周期簡諧波振動下的位移。根據式(1)，得到不同阻尼顆粒的減振率如表4所示，減振率趨勢對比如圖4所示。

表4 不同種類顆粒阻尼減振率對比(一)

由表4可知，配置顆粒阻尼器的構件最大位移有明顯的減小效果。當盒子中裝有100 g的直徑6 mm鋼珠時，結構減振率最大，其減振效果最好。由圖4可知，鋼珠直徑為2 mm時，隨著質量的增大，減振率先增大后減小；直徑為4 mm時，減振率先減小后增大；直徑為6 mm時，減振率一直減小，減振效果逐漸變弱。

在f=2.5 Hz，振幅A=10 mm，8個周期簡諧振動下，阻尼盒中裝有100 g等效固定質量塊和100 g直徑6 mm阻尼顆粒時，框架頂部位移對比如圖5所示。

由圖5可知，相比于等效質量塊，安裝了阻尼顆粒的結構，其最大頂端位移減小，且幅值迅速衰減。

3.3 地震波振動分析

結構在汶川波(如圖6所示)振動下，根據式(1)得到不同阻尼顆粒減振率如表5所示，減振趨勢對比如圖7所示。

由表5可知，在汶川波作用下，配置顆粒阻尼的結構，頂端最大位移有明顯的減小。當阻尼盒中裝有300 g直徑4 mm的鋼珠顆粒時，減振率最大。由圖7可知，減振率隨質量增大而增大，且直徑2 mm和4 mm的鋼珠減振效果優于直徑6 mm鋼珠。

表5 不同種類顆粒阻尼減振率對比(二)

在汶川波下，阻尼盒中裝有300 g的等效質量塊和300 g直徑4 mm鋼珠時，框架頂部位移對比見圖8，加速度對比見圖9。由圖8，圖9可知，對于不規則的地震波，顆粒阻尼器也展現了良好的減振效果。

4 結語

本文以鋁制框架結構為研究對象，通過振動臺試驗，研究了簡諧波和地震波作用下顆粒粒徑、顆粒質量對顆粒阻尼器減振性能的影響，并與等效配重試驗進行了對比。試驗結果表明：

1)阻尼顆粒的質量和直徑對結構的自振頻率有一定影響。

2)顆粒阻尼器能顯著降低結構的位移。不同質量和不同直徑的顆粒阻尼器對減小結構位移效果不同，存在最優效果的顆粒阻尼。

3)在地震波作用下，顆粒阻尼器減振效果良好，結構位移和加速度均有所下降。