碰撞調諧質量阻尼器對門式剛架振動控制的實驗研究

（中國地震局地震研究所，地震預警湖北省重點實驗室,湖北武漢市，430071）

（武漢地震工程研究院有限公司,湖北武漢，430071）

葉德惠 譚 杰

1 引言

自然環境充滿了各種各樣的振動源，建筑物、橋梁、塔架等柔性結構在某些振動激勵下會產生人們不愿看到的大幅度結構響應。大幅度結構響應會降低結構舒適性，引起關鍵構件的疲勞，甚至危及結構的安全，為人民的生命財產安全帶來威脅[1-3]。

通過在建筑結構物的某些部位設置由質量塊、彈性元件和阻尼器組成的調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper）可以減小地震和風振反應，這一點已為人們普遍接受。

雖然TMD有許多的優點，但是TMD通常只能吸收能量，需要與其他耗能裝置結合耗能。基于碰撞可以耗能這一事實，將碰撞耗能引入TMD裝置就可以得到碰撞調諧質量阻尼器（PTMD）。本文首先介紹PTMD的力學模型，然后在前人研究的基礎上，依據PTMD力學模型設計制作了一個可用于水平方向減振的PTMD裝置，進而將該PTMD應用于對一個門式框架進行減振效果實驗分析。

2 PTMD裝置減振機理

在最初的雙邊PTMD設計，是在傳統TMD裝置的基礎上，加入了碰撞耗能部分。在質量塊與粘彈性限位裝置碰撞前，裝置與TMD減振方式相同，在發生碰撞后，PTMD通過碰撞有效地消耗能量，高效地抑制結構振動。PTMD的設計參數包括質量大小、連接剛度、阻尼、粘彈性層厚度及質量塊與限位裝置的間隙等。

在原有的雙邊PTMD基礎上，Wang等人提出了一種單邊PTMD，如圖1所示。在單邊PTMD中，調諧質量設置在平衡位置，與限位邊界接觸，但主結構由于外部激勵而開始移動時，調諧質量將與邊界發生碰撞并耗散能量。單邊PTMD不需要設計質量單元與邊界直接的間隙，因此簡化了設計。并且單邊PTMD中的碰撞發生在碰撞速度最高的位置，這意味著碰撞機制的高效性。此外，調諧質量只向一側移動，從而節省了一半的工作空間，提高了應用范圍。

圖1 單邊碰撞調諧阻尼器示意圖

3 實驗設計

本文設計了相應的門式框架結構進行自由振動試驗和受迫振動實驗。該門式框架的尺寸為層高250mm，柱為100mm×1mm，主結構質量塊尺寸為300mm×120mm×30mm。采用激光位移傳感器測量結構頂層的位移，如圖2所示。安裝好試驗模型后，首先進行掃頻實驗。通過調節電動機的激勵電壓可以控制激勵荷載的頻率。實驗結果表明，當激勵頻率為3.13Hz時，門式剛架位移達到最大。則結構的基礎頻率為3.13Hz。

圖2 實驗裝置圖

根據公式（1）來設計PTMD調諧頻率:

PTMD的控制頻率fop=1.56Hz。fd為結構基礎頻率分別研究在自由振動和受迫振動下，該設計的PTMD裝置對結構的減振效果。試驗現場圖如圖2。

4 實驗結果分析

4.1 自由振動

在自由振動下對結構響應進行考查，結構的初始位移為10mm，圖3為結構在無控制情況下和PTMD控制情況下的位移時程曲線。

圖3 自由振動時程曲線

從圖3的結果可以看出，在PTMD控制下，結構的位移快速衰減。結構位移從10mm減小到2mm的所耗費的時間從57.4s縮短為1.19s。結構阻尼比從0.29%提高到4.4%。

4.2 受迫振動

在受迫振動情況下對結構響應進行考查，激勵頻率為2.4～4.4Hz，實驗結果展示在圖4中。在結構基礎頻率激勵時，結構最大位移達到18.43mm。在PTMD控制下的結構最大位移為3.26mm，幅值減振率達到了82.3%。

圖4 受迫振動下結構最大位移頻譜曲線

5 結語

本文根據PTMD的物理模型，設計并制造了的單擺式PTMD裝置。將裝置安裝于門式框架結構中并在不同激勵下進行了試驗研究，得到了以下結論:

（1）單邊PTMD的控制頻率很有效，能顯著降低結構的最大位移，有效的提高了結構的阻尼比，提高結構的安全性。

（2）在掃頻實驗中，結構的最大位移減小幅度達到82.3%，顯示了PTMD的有效性，并且在遠離結構基礎頻率處，結構的響應也可以控制在非常小的水平。

本文的研究成果可以為今后PTMD的進一步應用提供試驗支持，但在試驗中也發現，PTMD的控制效果將隨著裝置的參數設置而發生較大變化，而不同設計參數的影響及阻尼器的優化設計等問題還需要在今后研究中加以完善。