颗粒阻尼器减振性能的振动台试验研究★

倪云琪 陈旭东,2

(1.苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011; 2.江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州 215011)

1 阻尼器背景

颗粒阻尼器以增加结构阻尼为目的，是一种附加质量式的被动阻尼器。该阻尼器在主体结构的某些有限封闭空间内填充微小颗粒，通过颗粒之间的撞击和摩擦，消耗系统振动能量，具有耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感以及适用于恶劣工作环境等优点[1]。

作为一种被动式振动控制技术，颗粒阻尼器最初源于20世纪60年代提出的单颗粒冲击阻尼器[2]。在土木工程方面，Naeim[3]介绍了一座加装了颗粒阻尼器的高楼在2010年智利Maule地震中所表现出的良好的减振效果。

近年来，专家学者开展了颗粒阻尼器减振性能的试验研究。Friend和Kinra[4]使用铅丸作为颗粒材料，将阻尼器安装到铝制的悬臂梁上，进行自由振动，并根据试验结果，提出了颗粒碰撞阻尼的初步分析模型。Marhadi和Kinra[5]扩展了上述研究，分析了质量比、颗粒数量、颗粒材料以及颗粒形状等参数对悬臂梁自由振动减振效果的影响。以上研究是基于单自由度体系的。同济大学的鲁正、吕西林等[6]将装有钢球的颗粒阻尼器置于三层钢框架之上，并进行了大型振动台试验，研究了各种地震激励下阻尼器的减振效果。在他们的进一步研究[7]中，阻尼器内壁被覆以20 mm厚橡胶板作为缓冲层，试验结果表明加装缓冲层的颗粒阻尼器比未加装的有更好的减振效果。

除了试验研究，不少学者还从数值模拟的角度来揭示颗粒阻尼器的吸能减振规律。由于问题的高度离散性，大部分研究人员选择离散元来进行模拟[8]。

本文基于振动台试验，设计制作了铝质框架、阻尼盒，采用钢珠为阻尼颗粒，研究了不同粒径、不同填充质量颗粒阻尼器的减振效果，并与等效配重试验进行了对比。结果表明，本文设计的颗粒阻尼器减振效果明显。改变阻尼颗粒的大小与质量，可得到不同的阻尼效果。

2 试验装置及方案

2.1 试验装置

本试验在江苏省结构工程重点实验室的小型振动台上进行。该振动台尺寸为1.0 m×0.8 m，水平一维振动，单向最大位移10 cm，加速度峰值通过位移反向控制，约为0.3g。研究所采用的结构为单层铝框架结构，上部为50 cm×10 cm×10 mm的铝板，两侧为75 cm×10 cm×3 mm的铝板。框架的总质量为1.90 kg(含阻尼盒)。框架与角铝、振动台通过螺栓固定。试验所采用的颗粒阻尼盒为铝合金制造，内腔长×宽×高为100 mm×95 mm×55 mm。阻尼盒通过螺栓固定在结构顶端。在结构顶端，沿结构振动方向布置2个激光位移靶标和2个加速度传感器，以测量结构顶端的位移和加速度。在振动台台面布置1个激光位移靶标，记录台面的位移，作为基准。试验各部件详见图1。

2.2 试验方案

试验所采用的颗粒材料为钢珠，选用3种不同的粒径，填充质量分别为100 g,200 g,300 g。对振动台分别施加简谐波和地震波，研究颗粒粒径和质量对颗粒阻尼器减振性能的影响，并与等效配重试验进行对比。选用的颗粒参数见表1。

表1 颗粒材料参数

3 结果与分析

3.1 自振频率分析

1)未加阻尼颗粒的框架。当结构未配有任何阻尼颗粒时，对结构顶端施加水平扰动，使之自由振动，记录位移变化。多次试验，对数据采用傅立叶变换(见图2)，得到结构的平均自振频率。由图2可知，未加阻尼颗粒状态下结构平均自振频率为3.601 Hz。

2)添加等效质量块的框架。选取100 g，200 g和300 g三种等效质量块，装入阻尼盒，测得结构的平均自振频率如表2所示。由表2可知，随着质量的增加，结构自振频率逐渐减小。

表2 三种等效质量块结构自振频率

3)添加阻尼颗粒的结构。添加阻尼颗粒后，结构的自振频率如表3所示。由于随着钢珠直径增大，其质量不一定正好为整数，取误差最小的实测质量。

表3 三种尺寸钢珠不同质量下结构自振频率

由图3可知，在同一质量下，装有直径6 mm阻尼颗粒的结构自振频率最大，4 mm珠子其次，2 mm珠子最小。同时，随着阻尼颗粒质量的增大，结构自振频率减小。

3.2 简谐振动分析

为分析颗粒阻尼器减振效果，定义减振率:

(1)

式(1)中，Deq，Ddamper分别为结构顶端添加等效质量块和阻尼颗粒时，在频率f=2.5 Hz，振幅A=10 mm，8个周期简谐波振动下的位移。根据式(1)，得到不同阻尼颗粒的减振率如表4所示，减振率趋势对比如图4所示。

表4 不同种类颗粒阻尼减振率对比(一)

由表4可知，配置颗粒阻尼器的构件最大位移有明显的减小效果。当盒子中装有100 g的直径6 mm钢珠时，结构减振率最大，其减振效果最好。由图4可知，钢珠直径为2 mm时，随着质量的增大，减振率先增大后减小；直径为4 mm时，减振率先减小后增大；直径为6 mm时，减振率一直减小，减振效果逐渐变弱。

在f=2.5 Hz，振幅A=10 mm，8个周期简谐振动下，阻尼盒中装有100 g等效固定质量块和100 g直径6 mm阻尼颗粒时，框架顶部位移对比如图5所示。

由图5可知，相比于等效质量块，安装了阻尼颗粒的结构，其最大顶端位移减小，且幅值迅速衰减。

3.3 地震波振动分析

结构在汶川波(如图6所示)振动下，根据式(1)得到不同阻尼颗粒减振率如表5所示，减振趋势对比如图7所示。

由表5可知，在汶川波作用下，配置颗粒阻尼的结构，顶端最大位移有明显的减小。当阻尼盒中装有300 g直径4 mm的钢珠颗粒时，减振率最大。由图7可知，减振率随质量增大而增大，且直径2 mm和4 mm的钢珠减振效果优于直径6 mm钢珠。

表5 不同种类颗粒阻尼减振率对比(二)

在汶川波下，阻尼盒中装有300 g的等效质量块和300 g直径4 mm钢珠时，框架顶部位移对比见图8，加速度对比见图9。由图8，图9可知，对于不规则的地震波，颗粒阻尼器也展现了良好的减振效果。

4 结语

本文以铝制框架结构为研究对象，通过振动台试验，研究了简谐波和地震波作用下颗粒粒径、颗粒质量对颗粒阻尼器减振性能的影响，并与等效配重试验进行了对比。试验结果表明：

1)阻尼颗粒的质量和直径对结构的自振频率有一定影响。

2)颗粒阻尼器能显著降低结构的位移。不同质量和不同直径的颗粒阻尼器对减小结构位移效果不同，存在最优效果的颗粒阻尼。

3)在地震波作用下，颗粒阻尼器减振效果良好，结构位移和加速度均有所下降。