碰撞调谐质量阻尼器对门式刚架振动控制的实验研究

（中国地震局地震研究所，地震预警湖北省重点实验室,湖北武汉市，430071）

（武汉地震工程研究院有限公司,湖北武汉，430071）

叶德惠 谭 杰

1 引言

自然环境充满了各种各样的振动源，建筑物、桥梁、塔架等柔性结构在某些振动激励下会产生人们不愿看到的大幅度结构响应。大幅度结构响应会降低结构舒适性，引起关键构件的疲劳，甚至危及结构的安全，为人民的生命财产安全带来威胁[1-3]。

通过在建筑结构物的某些部位设置由质量块、弹性元件和阻尼器组成的调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper）可以减小地震和风振反应，这一点已为人们普遍接受。

虽然TMD有许多的优点，但是TMD通常只能吸收能量，需要与其他耗能装置结合耗能。基于碰撞可以耗能这一事实，将碰撞耗能引入TMD装置就可以得到碰撞调谐质量阻尼器（PTMD）。本文首先介绍PTMD的力学模型，然后在前人研究的基础上，依据PTMD力学模型设计制作了一个可用于水平方向减振的PTMD装置，进而将该PTMD应用于对一个门式框架进行减振效果实验分析。

2 PTMD装置减振机理

在最初的双边PTMD设计，是在传统TMD装置的基础上，加入了碰撞耗能部分。在质量块与粘弹性限位装置碰撞前，装置与TMD减振方式相同，在发生碰撞后，PTMD通过碰撞有效地消耗能量，高效地抑制结构振动。PTMD的设计参数包括质量大小、连接刚度、阻尼、粘弹性层厚度及质量块与限位装置的间隙等。

在原有的双边PTMD基础上，Wang等人提出了一种单边PTMD，如图1所示。在单边PTMD中，调谐质量设置在平衡位置，与限位边界接触，但主结构由于外部激励而开始移动时，调谐质量将与边界发生碰撞并耗散能量。单边PTMD不需要设计质量单元与边界直接的间隙，因此简化了设计。并且单边PTMD中的碰撞发生在碰撞速度最高的位置，这意味着碰撞机制的高效性。此外，调谐质量只向一侧移动，从而节省了一半的工作空间，提高了应用范围。

图1 单边碰撞调谐阻尼器示意图

3 实验设计

本文设计了相应的门式框架结构进行自由振动试验和受迫振动实验。该门式框架的尺寸为层高250mm，柱为100mm×1mm，主结构质量块尺寸为300mm×120mm×30mm。采用激光位移传感器测量结构顶层的位移，如图2所示。安装好试验模型后，首先进行扫频实验。通过调节电动机的激励电压可以控制激励荷载的频率。实验结果表明，当激励频率为3.13Hz时，门式刚架位移达到最大。则结构的基础频率为3.13Hz。

图2 实验装置图

根据公式（1）来设计PTMD调谐频率:

PTMD的控制频率fop=1.56Hz。fd为结构基础频率分别研究在自由振动和受迫振动下，该设计的PTMD装置对结构的减振效果。试验现场图如图2。

4 实验结果分析

4.1 自由振动

在自由振动下对结构响应进行考查，结构的初始位移为10mm，图3为结构在无控制情况下和PTMD控制情况下的位移时程曲线。

图3 自由振动时程曲线

从图3的结果可以看出，在PTMD控制下，结构的位移快速衰减。结构位移从10mm减小到2mm的所耗费的时间从57.4s缩短为1.19s。结构阻尼比从0.29%提高到4.4%。

4.2 受迫振动

在受迫振动情况下对结构响应进行考查，激励频率为2.4～4.4Hz，实验结果展示在图4中。在结构基础频率激励时，结构最大位移达到18.43mm。在PTMD控制下的结构最大位移为3.26mm，幅值减振率达到了82.3%。

图4 受迫振动下结构最大位移频谱曲线

5 结语

本文根据PTMD的物理模型，设计并制造了的单摆式PTMD装置。将装置安装于门式框架结构中并在不同激励下进行了试验研究，得到了以下结论:

（1）单边PTMD的控制频率很有效，能显著降低结构的最大位移，有效的提高了结构的阻尼比，提高结构的安全性。

（2）在扫频实验中，结构的最大位移减小幅度达到82.3%，显示了PTMD的有效性，并且在远离结构基础频率处，结构的响应也可以控制在非常小的水平。

本文的研究成果可以为今后PTMD的进一步应用提供试验支持，但在试验中也发现，PTMD的控制效果将随着装置的参数设置而发生较大变化，而不同设计参数的影响及阻尼器的优化设计等问题还需要在今后研究中加以完善。