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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)阻尼為目的，是一種附加質(zhì)量式的被動阻尼器。該阻尼器在主體結(jié)構(gòu)的某些有限封閉空間內(nèi)填充微小顆粒，通過顆粒之間的撞擊和摩擦，消耗系統(tǒng)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(huán)境等優(yōu)點[1]。

作為一種被動式振動控制技術(shù)，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(xiàn)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(jù)試驗結(jié)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(zhì)量比、顆粒數(shù)量、顆粒材料以及顆粒形狀等參數(shù)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(nèi)壁被覆以20 mm厚橡膠板作為緩沖層，試驗結(jié)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(shù)值模擬的角度來揭示顆粒阻尼器的吸能減振規(guī)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(shè)計制作了鋁質(zhì)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(zhì)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(jié)果表明，本文設(shè)計的顆粒阻尼器減振效果明顯。改變阻尼顆粒的大小與質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為單層鋁框架結(jié)構(gòu)，上部為50 cm×10 cm×10 mm的鋁板，兩側(cè)為75 cm×10 cm×3 mm的鋁板?？蚣艿目傎|(zhì)量為1.90 kg(含阻尼盒)?？蚣芘c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(nèi)腔長×寬×高為100 mm×95 mm×55 mm。阻尼盒通過螺栓固定在結(jié)構(gòu)頂端。在結(jié)構(gòu)頂端，沿結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(shù)見表1。

表1 顆粒材料參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 自振頻率分析

1)未加阻尼顆粒的框架。當結(jié)構(gòu)未配有任何阻尼顆粒時，對結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采用傅立葉變換(見圖2)，得到結(jié)構(gòu)的平均自振頻率。由圖2可知，未加阻尼顆粒狀態(tài)下結(jié)構(gòu)平均自振頻率為3.601 Hz。

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

表2 三種等效質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)自振頻率

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

表3 三種尺寸鋼珠不同質(zhì)量下結(jié)構(gòu)自振頻率

由圖3可知，在同一質(zhì)量下，裝有直徑6 mm阻尼顆粒的結(jié)構(gòu)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(zhì)量的增大，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頂端添加等效質(zhì)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(jù)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)量的增大，減振率先增大后減??；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?nèi)酢?/p>

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(zhì)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(zhì)量塊，安裝了阻尼顆粒的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在汶川波(如圖6所示)振動下，根據(jù)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(jié)構(gòu)，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(zhì)量增大而增大，且直徑2 mm和4 mm的鋼珠減振效果優(yōu)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(zhì)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(guī)則的地震波，顆粒阻尼器也展現(xiàn)了良好的減振效果。

4 結(jié)語

本文以鋁制框架結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)果表明：

1)阻尼顆粒的質(zhì)量和直徑對結(jié)構(gòu)的自振頻率有一定影響。

2)顆粒阻尼器能顯著降低結(jié)構(gòu)的位移。不同質(zhì)量和不同直徑的顆粒阻尼器對減小結(jié)構(gòu)位移效果不同，存在最優(yōu)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(jié)構(gòu)位移和加速度均有所下降。