簡易調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼(TMHD)的制作及研究

袁睿蕓 王志敏 裴星洙

(江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

地震，是地殼快速釋放能量過程中造成的振動，期間會產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象，通常會導致巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。減輕地震災害是一項巨大的工程，國家曾明確提出“以預防為主”，通過提高結(jié)構(gòu)的抗震設防目標來減輕或避免損失。因此提高建筑物的抗震能力就成了當務之急。調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼，同時具有調(diào)諧阻尼和螺旋阻尼的特性，能更大化地發(fā)揮阻尼器的效用，盡可能將地震產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為裝置運行的機械能、熱能，從而減小地震對建筑物造成的影響。

1 研究背景

目前在工程中抵抗地震的結(jié)構(gòu)主要分為三類：傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)。調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼屬于第三類結(jié)構(gòu)，也是具有較多優(yōu)越性的一種。相比于第一類結(jié)構(gòu)，能大大減小為保證建筑物強度而需要的額外建筑成本。而與第二類結(jié)構(gòu)相比，地震來臨時建筑物的位移相對較小，給人產(chǎn)生的不安全感也隨之減小。

2 工作原理

調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼(TMHD)的結(jié)構(gòu)由螺旋伸縮桿、框架結(jié)構(gòu)、單擺、連接線為主體構(gòu)成。當單擺自身的頻率被調(diào)節(jié)接近至主結(jié)構(gòu)的控制頻率時，一旦出現(xiàn)外力荷載，阻尼器將產(chǎn)生與主結(jié)構(gòu)反向共振的位移，以達到消耗外來能量的目的。同時，與單擺連接的兩個螺旋伸縮桿阻尼有效地將單擺運動的動能轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，進一步消耗了外來荷載產(chǎn)生的能量，達到預期的抗震效果(如圖1所示)。

3 模型試驗

3.1 實驗材料

模型制作材料：螺旋伸縮桿2根；單擺1個；木架；沙盤材料；HY-4A調(diào)速多用振蕩器等。

3.2 模型簡介

小組成員首先用CAD軟件完成了模型草圖的設計與繪制(見圖1)，再根據(jù)草圖不斷修改，完成了實物的制作。

圖2為我們小組制作完成的阻尼器模型，將單擺懸掛于模型中央白色木塔架上，形成草圖中的單擺構(gòu)件，連接兩端的阻尼器，將整個模型裝置放于振蕩器上，通過振蕩器模擬地震效果，可以測定該阻尼器模型的減震效果。

3.3 實驗設計

由于我們的模型由單擺和兩個螺旋伸縮桿共同作用而達到理想的減震效果，這兩個部分在構(gòu)成一個阻尼器整體的同時，又各自可以作為獨立的阻尼器單獨有良好的抗震效果，所以，我們設計了兩個不同的實驗，用于分別測試整體結(jié)構(gòu)阻尼效果和螺旋伸縮桿阻尼效果。

3.4 實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

實驗時分兩種不同情況進行。

1)測試整體結(jié)構(gòu)阻尼效果。

在把單擺頻率固定在主結(jié)構(gòu)的控制頻率時，調(diào)節(jié)振蕩器頻率，此時單擺由于與外力荷載簡諧波的頻率并不一致，不形成共振。同時，單擺由于處于主結(jié)構(gòu)的控制頻率，可以在外荷載作用時與主結(jié)構(gòu)形成反向共振，達到一定的阻尼效果。同時當單擺擺幅超過限制范圍時，將帶動兩段的螺旋伸縮桿往復運動，由于機械運動和摩擦消耗能量，使阻尼器的減震效果得到進一步提升。

實驗得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。當擺長固定為56.2 cm(即單擺頻率固定在39.9 r/min)時，調(diào)節(jié)振蕩器振動頻率大小(折線圖x軸上數(shù)據(jù))，得到的振幅(y軸)做的數(shù)據(jù)比較，y軸的數(shù)據(jù)(即擺幅)越小,說明減震的效果越好。當未連接螺旋伸縮桿，即單擺作為單獨工作的阻尼器時，測得一組擺幅數(shù)據(jù)L1，為圖表中始終位于最上方的折線。表中最下方折線為阻尼器整體工作時測得的擺幅L2。而關于伸縮桿單獨作用時的擺幅L3，難以用直觀方法測得，我們通過公式L3=25-(L2-L1)計算間接得出，式中25為最大擺幅。

通過對折線圖的觀察，我們可以非常清楚地了解阻尼器各個組成部分的減震效果，也發(fā)現(xiàn)，雖然單擺和螺旋伸縮桿都具有一定的減震效果，但當調(diào)諧質(zhì)量阻尼與螺旋阻尼合為一體，共同作用時，減震效果將大大提高。

2)測量螺旋伸縮桿阻尼效果。

調(diào)節(jié)單擺頻率(即改變擺長)使振蕩器始終保持與單擺處于共振狀態(tài)，此時，單擺對結(jié)構(gòu)不起減震作用，由此測定不同頻率下，螺旋伸縮桿減震效果。將單擺擺長按照1.7 cm間距從51 cm遞增，將振蕩器頻率調(diào)節(jié)至與計算得出的理論單擺頻率一致，記錄有無阻尼器時的擺幅S1,S2，計算差值d，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同頻率單擺的阻尼效果

表1中d為阻尼效果體現(xiàn)指標，它圍繞10呈上下波動狀態(tài)，得出推斷，在單擺與外荷載形成共振時，阻尼效果受頻率影響較小，即不論頻率大小，伸縮桿始終具有一定效果的阻尼作用。

4 實際應用與安裝

調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼,在實際工程應用時,在高層建筑的減震效果尤為顯著,一幢建筑在中高層位置的平面中部位置,安裝一套完整的單擺+螺旋阻尼的裝置,就可以起到很好的抗震效果,與其他類別的阻尼器相比,調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼的安裝更為方便。

5 應用前景

在臺北101大樓、上海中心大廈、哈利法塔(Burj Khalifa Tower)等超高層建筑物中，都使用了類似的阻尼器。隨著相關規(guī)范的不斷完善，在房屋設計與建造時，關于阻尼器的使用，也得到了越來越多的重視，這使得阻尼器應用市場不斷擴張。而本文研究的調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼，同時具有抗震性能好，安裝相對容易、可多次抗震等優(yōu)勢，在眾多阻尼器中，更具市場競爭力和推廣價值。

6 結(jié)語

通過兩組不同變量控制的實驗及數(shù)據(jù)分析，可以得出調(diào)諧質(zhì)量螺旋阻尼在減震方面具有重要作用的結(jié)論。同時該阻尼器的抗震性能良好、效果顯著，故其具有廣泛的應用前景。

注：特別感謝江蘇科技大學李振偉、王清華、倪妮、劉林同學對本實驗做出的貢獻。

[1] 楊德健,王笑楠,宋佳楠.超高層建筑風振控制方案的對比分析[J].建筑科學,2017,33(3):113-118.

[2] [日]社團法人,日本隔震結(jié)構(gòu)協(xié)會.被動減震結(jié)構(gòu)設計施工手冊[M].蔣 通,譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：177-178.