MR阻尼器对钢-混凝土结构被动控制的振动台试验研究

尹长海，黄思凝，吕 杨，周 洋，孙 枭

(1.中铁一局集团天津建设工程有限公司，天津 300384； 2.中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201; 3.天津城建大学，天津 300384； 4.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

结构振动控制就是对结构施加控制系统，由控制系统和结构一起抵御外部荷载的作用，进而减小结构的动力响应。基于MR阻尼器的半主动控制系统可以有效的控制结构的地震反应，在理论分析的基础上，国内外学者还进行了大量的试验研究：李忠献等[1]对一个首层安装MRF-04K型MR阻尼器的1:3缩尺钢框架模型进行了振动台试验研究，表明被动控制和半主动控制都能很好的降低结构动力响应；邬喆华等[2]采用磁流变阻尼器作为被动控制器件，通过对施加不同电压情况下斜拉索前三阶模态振动的等效阻尼比来研究磁流变阻尼器的减振效果，并与油阻尼器的减振效果进行比较，结果表明磁流变阻尼器作为被动控制器件时其制振效果优于油阻尼器且控制的适用频率范围更广，并且在供电失效时也能满足拉索减振的要求；林伟等[3]通过对一个悬臂梁的磁流变阻尼器控制试验研究了一种基于信赖域方法的MR阻尼器瞬时最优半主动控制算法，结果表明所提出的控制算法较Passive-off，Passive-on及Clipped-optimal等控制算法的控制效果更好；Sun等[4]在阻尼器性能试验的基础上对一个3层的框架结构进行了结构动力响应控制效果的研究，表明MR阻尼器能较好的减小结构位移和加速度响应；Guo等[5]对MR阻尼器在桥墩碰撞控制中的应用进行了振动台试验研究，结果证明MR阻尼器能很好的控制结构碰撞响应；Nagarajaiah等[6]对采用滑移隔震支座的1:20的模型桥结构应用MR阻尼器对其在地震激励下的动力响应进行控制，结果表明MR阻尼器能很大程度的减小滑移支座的位移；Christenson等[7]还对采用MR阻尼器控制的子结构试验进行了研究，结果表明沿结构各层均布置阻尼器能大大的减小结构的动力响应；徐晓龙等[8]采用模糊神经网络控制器对第三阶段结构振动控制的Benchmark问题进行了研究；贝伟明和李宏男[9]开展了采用磁流变阻尼器的结构地震模糊控制；徐家云等[10]验证了磁流变阻尼器对桥梁结构锚索振动控制的有效性。上述试验都证明了MR阻尼器对结构振动有很好的控制效果，但大部分试验是针对钢结构弹性阶段的激励进行的，而实际的安装MR阻尼器的其他类型的结构在强地震下会进入塑性响应阶段，并且在强地震作用下控制系统(半主动控制算法)可能损坏失效，MR阻尼器的供电电源也可能破坏。

基于此，首先对课题组研制的一种新型MR阻尼器进行动力性能试验，并设计了一个按1:4缩尺的3层钢-混凝土结构模型的模拟地震振动台试验，模型采用Passive-off和Passive-on两种被动控制方案研究了在大震下控制系统失效和电源损坏的情况下MR阻尼器对结构动力响应和损伤破坏的控制效果。

1 试验概况

1.1 模型设计与制作

试验模型为1:4缩尺的三层钢-混凝土混合结构，结构底层层高为0.9 m，第二和第三层层高0.75 m，平面尺寸为1.2 m×1.555 m。剪力墙截面尺寸均为0.08 m×0.31 m，每层开洞，底层洞口大小为0.78 m×0.15 m，第二层和第三层洞口大小为0.63 m×0.15 m，即连梁高度均为0.12 m，净跨度0.15 m，剪力墙各墙肢纵向四角配置4Φ8钢筋，连梁四角纵向为4Φ8钢筋，中部配置2Φ4钢筋，箍筋均为直径为4 mm间距50 mm的铁丝，混凝土保护层厚度为10 mm。钢框架跨度为1.245 m，钢柱都采用热轧H型钢，各层钢柱截面相同为HW100×100×6×8；框架梁和连梁均采用10号普通槽钢，截面尺寸为[100×48×5.3×8.5，钢材强度等级为Q235。钢梁与混凝土剪力墙采用预埋焊钉铰接连接，钢梁与钢柱采用刚性连接。结构每层的附加质量钢框架部分为640 kg，剪力墙部分为480 kg，MR阻尼器以斜撑的形式添加在结构底层，试验模型如图1所示。

图1 结构模型及阻尼器的安装Fig.1 Structure model and location of MR dampers

混凝土浇筑时制作了5块混凝土试块，放置在与试验结构相同的环境下养护，并在振动台试验时对试块进行抗压强度试验，测得混凝土抗压强度为19.1 MPa，弹性模量为19 GPa。钢筋屈服强度为230.5 MPa，抗拉强度为352.3 MPa。

1.2 阻尼器性能试验

试验中共使用了两个磁流变阻尼器，其中编号为MRJ-1B的阻尼器为一节段阻尼器，编号为MRJ-2B的阻尼器为三节段阻尼器，三节段阻尼器在试验时只使用其中一个节段以保证两个阻尼器的出力能力相近，阻尼器实物如图2所示。

图2 MRJ阻尼器 图3 阻尼器性能试验Fig.2 MRJ dampers Fig.3 Property test of MR damper

由于MR阻尼器已经设计加工完成2年多的时间，为了验证阻尼器是否还具有出力能力，本文首先对阻尼器进行了动力性能测试。MR阻尼器的动力性能测试采用MTS-810电液伺服加载试验机、Teststar数据采集系统和直流电源。加载方式为位移控制正弦波加载，加载频率包括0.5 Hz和1 Hz，振幅包括5 mm、10 mm和15 mm，施加电流包括0A、0.5A、1.0A、2.0A和3A，每个阻尼器合计30个工况，如图3所示。在0.5 Hz振幅5 mm的正弦波作用下两个阻尼器力-位移曲线如图4(a)和图4(b)所示。由阻尼器性能试验得到，不通电流时MRJ-1B和MRJ-2B阻尼器的阻尼力随正弦波振幅和频率的增加而略有增大，约为0.48 kN和0.65 kN，施加3 A直流电流时MRJ-1B和MRJ-2B阻尼器的最大出力约为3 kN。对比文献[11]可知，MRJ型磁流变阻尼器放置2年多以后其出力能力并没有降低，因此具有较好的抗沉降性能。

图4 频率0.5 Hz振幅5 mm的正弦波激励下Fig.4 Dynamic characteristic curve of the sine wave excitation with a frequency of 0.5Hz and amplitude of 5mm

1.3 试验测试及加载方案

为了研究采用MR阻尼器控制前后混合结构在地震作用下的失效破坏过程，试验在结构各层布置了2个加速度传感器和2个拉线式位移传感器，加速度传感器分别布置在钢框架梁靠近钢柱一端和剪力墙连梁处，拉线式位移计布置在各层剪力墙底部与上一层钢柱节点之间，每榀布置一个。测试仪器具体布置如图5所示。

图5 测点布置图Fig.5 Location of measure point

试验选用Tianjin波南北向水平分量，El Centro波南北向水平分量和Taft波南北向水平分量共3条地震波，时间压缩比为1∶3，沿剪力墙平面内单向输入，输入加速度峰值为300 Gal、400 Gal、500 Gal和700 Gal，分别模拟在不同的强度和频率特性的地震波作用下阻尼器对结构动力响应和损伤的控制效果。两个阻尼器都以斜撑的形式安装在结构底层，试验过程中可以通过拔出连接阻尼器的销钉考虑受控结构和无控结构振动试验，其中控制试验工况采用MR阻尼器被动控制(passive off和passive on)，在地震波加速度幅值为0.7 g时，passive on工况阻尼器输入电流为3 A，试验工况如表1所示。

表1 试验工况表Table 1 Test conditions

2 试验结果及分析

2.1 模型参数识别

模型结构的动力参数主要为结构的质量、刚度和阻尼，结构每层的附加质量为1.12 t，计算得到结构各层的质量为1.52 t、1.51 t和1.48 t。图6所示为模型结构在频率范围1～50 Hz，幅值为0.1 g的随机波激励下结构顶层的加速度响应时程曲线，图7为其幅值特性曲线，从中可以得到结构前两阶频率为4.745 5 Hz和16.842 3 Hz。根据图7，采用半功率点法[12]求得模型结构前两阶阻尼比约为2.75%和1.50%。

图6 随机波激励下结构顶层加速度响应时程曲线Fig.6 Top acceleration time history of structure under the random wave excitation

图7 模型结构幅频特性曲线Fig.7 Frequency curve of the model structure

2.2 控制效果

为了分析方便，本文只给出El Centro地震波各峰值加速度下，结构底层相对位移和结构顶层加速度的峰值和均方根值(RMS)以及控制效果，如表2所示。从表中可以看出，输入电流恒定在0 A的被动控制对结构底层相对位移的控制效果在4%～29%之间，对结构顶层加速度的控制效果在-6%～24%；输入电流恒定在2 A(输入地震动幅值为0.3 g、0.4 g和0.5 g时)和3 A(输入地震动幅值为0.7 g时)的被动控制结构底层位移的控制效果在17%～34%之间， 对结构顶层加速度的控制效果在 -10%～10%。 输入电流为0 A时结构底层相对位移均方根控制效果在5%～43%，顶点加速度均方根控制效果在4%～43%；输入电流为2 A(输入地震动幅值为0.3 g、0.4 g和0.5 g时)和3 A(输入地震动幅值为0.7 g时)的被动控制结构底层位移均方根的控制效果在8%～39%之间，对结构顶层加速度的控制效果在-24%～38%。分析可以看出两种被动控制对结构底层相对位移都具有很好的控制效果，passive on时对结构底层相对位移控制效果好于passive off；结构顶层加速度个别工况存在放大的情况，这与被动控制时未能优化的提供控制力有关。从各工况下阻尼器最大控制力还可以看出，在输入电流为0 A的passive off状态，阻尼器MRJ-1B的最大控制力在0.44～0.96 kN之间，MRJ-2B的最大控制力在0.72～1.23 kN之间；在输入电流为2 A或3 A的passive on状态，阻尼器MRJ-1B的最大控制力在2.66～3.41 kN之间，MRJ-2B的最大控制力在1.63～3.94 kN之间，可见两个阻尼器均发挥了较好的出力水平，并且MRJ-1B阻尼力可调系数更大一些，这与阻尼器MRJ-2B具有三节段活塞，粘滞阻尼力较大有关系，这也验证了课题组新研制的阻尼器具有很好的抗沉降性能、出力能力和阻尼力可调节系数。

图8(a)、(b)所示分别为模型结构在0.5 g的El Centro地震波作用下passive off被动控制与无控和passive on与无控结构底层相对位移时程曲线和相应的阻尼器控制力时程。从图中可以看出，两种被动控制方案均能较好的降低结构层间位移响应，特别是结构层间位移较大的时刻控制效果更明显，层间位移较小时控制效果较差，并且阻尼器出力很小(如图8(b)6 s时刻以后)，这主要是因为阻尼器安装时采用销钉铰接连接，销钉外壁与连杆没能完全接触留有一定空隙引起的；从阻尼器出力时程可以看出，两种被动控制阻尼器出力水平都已经接近阻尼器设计出力水平。

图8 在0.5 g的El Centro地震波作用下结构底层相对位移及阻尼器出力时程曲线Fig.8 Relative displacement of the base floor and MR damper output force time history under 0.5 g El Centro earthquake motion

表2 El Centro波作用下结构底层相对位移和顶点加速度响应及控制效果Table 2 Relative displacement of the base floor and acceleration at the top of structure and the control effectiveness under the El Centro earthquake motion

2.3 结构能量分析

结构消耗地震动能量的能力与结构抗震性能相关，结构耗能的多少直接反应了结构的塑性发展程度(损伤程度)，表3给出了各工况下结构各层总耗能值。从表中可以看出，除个别工况外，添加MR阻尼器以后结构所消耗的地震能量明显减小。在本文试验工况的安排下(先完成了无控状态下各幅值地震动的所有试验工况，随后从小震开始重新进行0A和2A各幅值地震动的试验工况)，假设相同地震动输入的能量相等，那么MR阻尼器耗散了很大一部分地震能量，并且passive on状态耗散的能量较passive off 状态更大。

图9～图12为结构底层剪力与底层层间位移关系曲线。从图中无控状态的滞回曲线可以看出，随着地震动峰值加速度的增加，结构刚度逐渐下降，并且0.5 g的Taft波作用后结构频率趋于稳定，此时混凝土裂缝开展很大，结构主要由钢框架承担水平地震作用。由于施加阻尼器时结构已经处于较严重的破坏状态，因此各工况下受控结构的滞回曲线都较饱满，表现出较好的耗能能力，但结合表3可以发现，受控结构的总内能较相同输入下的无控结构要小很多，可见MR阻尼器能很好的耗散地震能量。

表3 各工况下结构各层总内能Table 3 The internal energy dissipated by each story of each test conditions kJ

图9 在0.3 g的Taft地震波激励下基底力-位移曲线Fig.9 Base shear-displacement curve of structure under 0.3 g Taft earthquake motion

图10 在0.4 g的Taft地震波激励下基底力-位移曲线Fig.10 Base shear-displacement curve of structure under 0.4 g Taft earthquake motion

图11 加速度幅值为0.5 g的Taft地震波激励下基底力-位移曲线Fig.11 Base shear-displacement curve of structure under 0.5 g Taft earthquake motion

图12 在0.7 g的Taft地震波激励下基底力-位移曲线Fig.12 Base shear-displacement curve of structure under 0.7 g Taft earthquake motion

3 结论

本文对两个放置了2年多的新型磁流变阻尼器进行了力学性能试验，证明了课题组研制的新型磁流变阻尼器具有很好的抗沉降性。通过采用两种被动控制下的一个1:4的三层钢-混凝土结构模型的模拟地震振动台试验，对比分析了无控结构与采用passive off 和passive on两种被动控制的结构动力响应，结果表明采用passive off的被动控制策略，结构底层相对位移峰值和均方根值分别减小了4%～29%和5%～43%，相应采用passive on时的控制效果为17%～34%和8%～39%，而结构顶层加速度峰值和均方根值部分工况存在放大现象。此外，结构内能分析表明，磁流变阻尼器能耗散很大一部分地震能量，减小了结构通过塑性变形耗能的比例，因此MR阻尼器可以用于强震下钢-混凝土结构的损伤控制中。