碰撞調(diào)諧質(zhì)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(yù)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(huán)境充滿了各種各樣的振動源，建筑物、橋梁、塔架等柔性結(jié)構(gòu)在某些振動激勵下會產(chǎn)生人們不愿看到的大幅度結(jié)構(gòu)響應(yīng)。大幅度結(jié)構(gòu)響應(yīng)會降低結(jié)構(gòu)舒適性，引起關(guān)鍵構(gòu)件的疲勞，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全，為人民的生命財產(chǎn)安全帶來威脅[1-3]。

通過在建筑結(jié)構(gòu)物的某些部位設(shè)置由質(zhì)量塊、彈性元件和阻尼器組成的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper）可以減小地震和風(fēng)振反應(yīng)，這一點已為人們普遍接受。

雖然TMD有許多的優(yōu)點，但是TMD通常只能吸收能量，需要與其他耗能裝置結(jié)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(diào)諧質(zhì)量阻尼器（PTMD）。本文首先介紹PTMD的力學(xué)模型，然后在前人研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)PTMD力學(xué)模型設(shè)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(yīng)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(shè)計，是在傳統(tǒng)TMD裝置的基礎(chǔ)上，加入了碰撞耗能部分。在質(zhì)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(fā)生碰撞后，PTMD通過碰撞有效地消耗能量，高效地抑制結(jié)構(gòu)振動。PTMD的設(shè)計參數(shù)包括質(zhì)量大小、連接剛度、阻尼、粘彈性層厚度及質(zhì)量塊與限位裝置的間隙等。

在原有的雙邊PTMD基礎(chǔ)上，Wang等人提出了一種單邊PTMD，如圖1所示。在單邊PTMD中，調(diào)諧質(zhì)量設(shè)置在平衡位置，與限位邊界接觸，但主結(jié)構(gòu)由于外部激勵而開始移動時，調(diào)諧質(zhì)量將與邊界發(fā)生碰撞并耗散能量。單邊PTMD不需要設(shè)計質(zhì)量單元與邊界直接的間隙，因此簡化了設(shè)計。并且單邊PTMD中的碰撞發(fā)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(diào)諧質(zhì)量只向一側(cè)移動，從而節(jié)省了一半的工作空間，提高了應(yīng)用范圍。

圖1 單邊碰撞調(diào)諧阻尼器示意圖

3 實驗設(shè)計

本文設(shè)計了相應(yīng)的門式框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)質(zhì)量塊尺寸為300mm×120mm×30mm。采用激光位移傳感器測量結(jié)構(gòu)頂層的位移，如圖2所示。安裝好試驗?zāi)Ｐ秃螅紫冗M行掃頻實驗。通過調(diào)節(jié)電動機的激勵電壓可以控制激勵荷載的頻率。實驗結(jié)果表明，當(dāng)激勵頻率為3.13Hz時，門式剛架位移達到最大。則結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)頻率為3.13Hz。

圖2 實驗裝置圖

根據(jù)公式（1）來設(shè)計PTMD調(diào)諧頻率:

PTMD的控制頻率fop=1.56Hz。fd為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頻率分別研究在自由振動和受迫振動下，該設(shè)計的PTMD裝置對結(jié)構(gòu)的減振效果。試驗現(xiàn)場圖如圖2。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 自由振動

在自由振動下對結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行考查，結(jié)構(gòu)的初始位移為10mm，圖3為結(jié)構(gòu)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(jié)果可以看出，在PTMD控制下，結(jié)構(gòu)的位移快速衰減。結(jié)構(gòu)位移從10mm減小到2mm的所耗費的時間從57.4s縮短為1.19s。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)響應(yīng)進行考查，激勵頻率為2.4～4.4Hz，實驗結(jié)果展示在圖4中。在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頻率激勵時，結(jié)構(gòu)最大位移達到18.43mm。在PTMD控制下的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大位移頻譜曲線

5 結(jié)語

本文根據(jù)PTMD的物理模型，設(shè)計并制造了的單擺式PTMD裝置。將裝置安裝于門式框架結(jié)構(gòu)中并在不同激勵下進行了試驗研究，得到了以下結(jié)論:

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

（2）在掃頻實驗中，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頻率處，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)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(yīng)用提供試驗支持，但在試驗中也發(fā)現(xiàn)，PTMD的控制效果將隨著裝置的參數(shù)設(shè)置而發(fā)生較大變化，而不同設(shè)計參數(shù)的影響及阻尼器的優(yōu)化設(shè)計等問題還需要在今后研究中加以完善。