新型非線性減震器實現(xiàn)原理與應(yīng)用前景分析

于 良

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

地震是一種極具破壞性的自然災(zāi)害，我國位于歐亞地震帶與太平洋地震帶之間，所發(fā)生的地震具有強度大、頻度高、震源淺、分布廣的特點，近年來，地震也在我們生活中頻繁出現(xiàn)，其破壞力和影響力有目共睹，令人記憶猶新的是2008年5月12日汶川地震[1]，地震波波及四川、甘肅、陜西三省，受災(zāi)面積40萬km2，如圖1所示，這些地震不僅造成了大量的人員傷亡，使建筑物遭到慘重破壞，交通、生產(chǎn)中斷、水、火、疾病等次生災(zāi)害的發(fā)生，給人類帶來了不可估量的財產(chǎn)損失與精神上的重創(chuàng)。因此減震控制理論的研究與應(yīng)用引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

1 隔震技術(shù)發(fā)展

結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是在基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)之間，或樓板內(nèi)部安裝隔震裝置，當(dāng)?shù)卣鸩▊魅牖A(chǔ)或上部結(jié)構(gòu)時，利用隔震裝置消耗地震能量，以避免地震能傳入主體結(jié)構(gòu)，減小主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)以及隔震部位的位移，有效降低地震對建筑物的損毀，隔震包括基礎(chǔ)隔震與層間隔震兩種。

基礎(chǔ)隔震起源于20世紀(jì)80年代，是目前地震工程領(lǐng)域應(yīng)用較多的技術(shù)之一，它通過在結(jié)構(gòu)底面與基礎(chǔ)面之間設(shè)置隔震消能裝置，該裝置提供較大的阻尼，使隔震體系具有較大的消能能力，同時降低主體結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)；其次它能夠讓主體結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面上柔性滑動，這樣可以延長結(jié)構(gòu)自振周期，遠(yuǎn)離場地卓越周期，與地面震動隔開，有效降低主體結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)，同時該裝置應(yīng)具有足夠的初始剛度，能夠抵御輕微地震作用或風(fēng)載作用，該體系具有足夠的彈性剛度以滿足正常使用功能，當(dāng)發(fā)生強震時，該裝置開始柔性滑動，體系進(jìn)入滑動消能階段，隔震裝置根據(jù)阻尼件不同可分為橡膠支座隔震、滑移支座隔震和滾動隔震[2]。

隔震裝置具備以上三種特性就可以有效減輕地震反應(yīng)，在安裝基礎(chǔ)隔震裝置后，通過振動臺試驗結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)地震加速度反應(yīng)減小1/3-1/10，這是傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)所達(dá)不到的,且減小程度足可以保護(hù)結(jié)構(gòu)物以及內(nèi)部設(shè)施免遭損毀;在強烈地震時,結(jié)構(gòu)仍然可以處于彈性工作狀態(tài),抗震思路清晰明了。但該種方法也有其自身缺點，施工復(fù)雜，不易維修，振動頻率單一，不能完全避免在使用過程中發(fā)生的共振破壞，在大震時隔震效果明顯，但在大風(fēng)和小震時裝置不易啟動。

層間隔震是一種新型的隔震技術(shù)，它是在基礎(chǔ)隔震的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前國內(nèi)外不少采用隔震技術(shù)的建筑均經(jīng)受住了地震的考驗，它是在樓板內(nèi)部或柱與樓板之間安裝隔震裝置，通過隔震裝置來分隔與耗散地震能量，有效減小能量的傳遞，從而達(dá)到減震目的。與基礎(chǔ)隔震相比，層間隔震裝置布置位置靈活，打破了高層限制，地震時不需為隔震層位移預(yù)留空間，也不需刻意增設(shè)厚度過大的梁板式樓蓋，施工簡單，造價低廉，維修護(hù)理便捷。

2 新型非線性減震器實現(xiàn)原理

新型非線性減震器是實現(xiàn)層間隔震技術(shù)的一種有效方法。它是利用靶能量傳遞的原理實現(xiàn)和拓展的。靶能量傳遞(Target Energy Transfer)它是由Kopidakis等人[3]發(fā)現(xiàn)的一種能量在非線性振子間傳遞的現(xiàn)象，它的特點是能量傳播歷時短，能量傳遞的過程單向不可逆，每次傳遞的能量總量十分精確。而非線性減震器NES(Nonlinear Energy Sink)具有可實現(xiàn)靶能量傳遞的特性，它是通過滑道、彈簧和連接到主結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)質(zhì)量塊組成，通過彈簧提供回復(fù)力。由于該裝置提供的回復(fù)力與質(zhì)量塊位移之間的關(guān)系是非線性的，使得非線性減震器具有較大吸振頻帶，最大限度達(dá)到減震器與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部共振，并在附屬結(jié)構(gòu)內(nèi)繼續(xù)消散不擴展返回到主體結(jié)構(gòu)，大幅度減小地震能量傳入主體結(jié)構(gòu)，從而減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

該裝置通過合理參數(shù)設(shè)計，附屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊質(zhì)量與主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)比，同時使質(zhì)量塊運動頻率無限接近主結(jié)構(gòu)頻率，實現(xiàn)內(nèi)部共振，從而有效耗散主體結(jié)構(gòu)能量。質(zhì)量塊在往復(fù)運動中通過豎向彈簧提供非線性回復(fù)力，如圖2所示。恢復(fù)力公式推導(dǎo)如下：

利用泰勒級數(shù)展開:

此裝置x相對于l很小，因此，忽略高階項，當(dāng)彈簧處于平衡位置時l=l0，得到回復(fù)力Fs為：

式中：Fs——沿x方向作用到質(zhì)量塊上的力;

l——彈簧被拉伸的長度;

x1——質(zhì)量塊相對于絕對坐標(biāo)系沿中垂方向的位移;

k2——減震器彈簧的線性剛度;

kn——減震器的非線性剛度。

國外學(xué)者Roberson[4]指出，在動力吸振器中引入非線性，可以有效的增加振動抑制的頻寬，提高動力吸振器的魯棒性。Starosvetsky等[5]研究了NES質(zhì)量大小對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，并對NES的各個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Wierschem[6]通過試驗得出了NES能夠顯著減小大型6層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對脈沖地面運動的響應(yīng)，并且NES減震系統(tǒng)已經(jīng)在更大的9層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗驗證，包括脈沖和爆炸激勵。國內(nèi)學(xué)者張也馳、孔憲仁等人[7，8]提出了非線性耦合振子間產(chǎn)生靶能量傳遞的初始條件，設(shè)計了可實現(xiàn)把能量傳遞的立方剛度的方法，并得出NES與主結(jié)構(gòu)的最優(yōu)質(zhì)量比，熊懷等人[9，10]研究了阻尼對耦合NES系統(tǒng)影響研究，得出NES具有吸振能力時線性振子阻尼的有效范圍。

3 結(jié)語

新型非線性減震器安裝位置靈活且不局限于建筑結(jié)構(gòu)類型，對于住宅建筑用途而言，為不影響美觀，可安裝在樓板底部，對于辦公、學(xué)校、商場等建筑用途而言，可安裝在梁底部，安裝簡單、牢固且無需安全防護(hù)措施，對于新建建筑，可在澆筑前，板底或梁底預(yù)留預(yù)埋件，在地面將其減震器組裝完好，待混凝土達(dá)到規(guī)范強度即可安裝，目前新型非線性減震器已在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)中進(jìn)行振動臺抗震試驗研究，且均達(dá)到良好的減震效果，應(yīng)用前景十分可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭 迅.汶川大地震震害特點與成因分析[J].地震工程與工程振動,2009,29(6):74-87.

[2] 張文芳,崔路苗.建筑結(jié)構(gòu)被動減震控制的研究與應(yīng)用[J].山西建筑,2006,32(22):1-3.

[3] Kopidakis G,Aubry S,Tsironis G P.Targeted energy transfer through discrete breathers in nonlinear systems[J].Physical Review Letters,2001,87(16):165-501.

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[6] Jingjing Wang,Nicholas E.Wierschem,Billie F.Spencer,et al.Track Nonlinear Energy Sink for Rapid Response Reduction in Building Structures[J].Journal of Engineering Mechanics,2014,141(1):104.

[7] 張也弛,孔憲仁.非線性耦合振子間產(chǎn)生靶能量傳遞的初始條件[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2012(7):21-26.

[8] 張也弛,孔憲仁,張紅亮.非線性耦合振子間的靶能量傳遞研究:保守系統(tǒng)中的完全能量傳遞[J].振動與沖擊,2012(1):150-155.

[9] 熊 懷,孔憲仁,劉 源.阻尼對耦合非線性能量阱系統(tǒng)影響研究[J].振動與沖擊,2015(11):116-121.

[10] 熊 懷,孔憲仁,劉 源.一類立方非線性吸振器的能量傳遞和耗散研究及參數(shù)設(shè)計[J].振動工程學(xué)報,2015,28(5):785-792.