新型非線性減震器實現原理與應用前景分析

于 良

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

地震是一種極具破壞性的自然災害，我國位于歐亞地震帶與太平洋地震帶之間，所發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，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、生產中斷、水、火、疾病等次生災害的發生，給人類帶來了不可估量的財產損失與精神上的重創。因此減震控制理論的研究與應用引起國內外學者廣泛關注。

1 隔震技術發展

結構隔震技術是在基礎與主體結構之間，或樓板內部安裝隔震裝置，當地震波傳入基礎或上部結構時，利用隔震裝置消耗地震能量，以避免地震能傳入主體結構，減小主體結構地震反應以及隔震部位的位移，有效降低地震對建筑物的損毀，隔震包括基礎隔震與層間隔震兩種。

基礎隔震起源于20世紀80年代，是目前地震工程領域應用較多的技術之一，它通過在結構底面與基礎面之間設置隔震消能裝置，該裝置提供較大的阻尼，使隔震體系具有較大的消能能力，同時降低主體結構位移反應；其次它能夠讓主體結構在基礎面上柔性滑動，這樣可以延長結構自振周期，遠離場地卓越周期，與地面震動隔開，有效降低主體結構加速度反應，同時該裝置應具有足夠的初始剛度，能夠抵御輕微地震作用或風載作用，該體系具有足夠的彈性剛度以滿足正常使用功能，當發生強震時，該裝置開始柔性滑動，體系進入滑動消能階段，隔震裝置根據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，在安裝基礎隔震裝置后，通過振動臺試驗結果表明:結構地震加速度反應減小1/3-1/10，這是傳統的抗震結構所達不到的,且減小程度足可以保護結構物以及內部設施免遭損毀;在強烈地震時,結構仍然可以處于彈性工作狀態,抗震思路清晰明了。但該種方法也有其自身缺點，施工復雜，不易維修，振動頻率單一，不能完全避免在使用過程中發生的共振破壞，在大震時隔震效果明顯，但在大風和小震時裝置不易啟動。

層間隔震是一種新型的隔震技術，它是在基礎隔震的基礎上發展起來的，目前國內外不少采用隔震技術的建筑均經受住了地震的考驗，它是在樓板內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，從而達到減震目的。與基礎隔震相比，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留空間，也不需刻意增設厚度過大的梁板式樓蓋，施工簡單，造價低廉，維修護理便捷。

2 新型非線性減震器實現原理

新型非線性減震器是實現層間隔震技術的一種有效方法。它是利用靶能量傳遞的原理實現和拓展的。靶能量傳遞(Target Energy Transfer)它是由Kopidakis等人[3]發現的一種能量在非線性振子間傳遞的現象，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)具有可實現靶能量傳遞的特性，它是通過滑道、彈簧和連接到主結構的輕質質量塊組成，通過彈簧提供回復力。由于該裝置提供的回復力與質量塊位移之間的關系是非線性的，使得非線性減震器具有較大吸振頻帶，最大限度達到減震器與主體結構內部共振，并在附屬結構內繼續消散不擴展返回到主體結構，大幅度減小地震能量傳入主體結構，從而減小結構地震反應。

該裝置通過合理參數設計，附屬結構質量塊質量與主體結構質量達到最優比，同時使質量塊運動頻率無限接近主結構頻率，實現內部共振，從而有效耗散主體結構能量。質量塊在往復運動中通過豎向彈簧提供非線性回復力，如圖2所示。恢復力公式推導如下：

利用泰勒級數展開:

此裝置x相對于l很小，因此，忽略高階項，當彈簧處于平衡位置時l=l0，得到回復力Fs為：

式中：Fs——沿x方向作用到質量塊上的力;

l——彈簧被拉伸的長度;

x1——質量塊相對于絕對坐標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質量大小對系統響應的影響，并對NES的各個參數進行了優化。Wierschem[6]通過試驗得出了NES能夠顯著減小大型6層基礎結構對脈沖地面運動的響應，并且NES減震系統已經在更大的9層結構進行了試驗驗證，包括脈沖和爆炸激勵。國內學者張也馳、孔憲仁等人[7，8]提出了非線性耦合振子間產生靶能量傳遞的初始條件，設計了可實現把能量傳遞的立方剛度的方法，并得出NES與主結構的最優質量比，熊懷等人[9，10]研究了阻尼對耦合NES系統影響研究，得出NES具有吸振能力時線性振子阻尼的有效范圍。

3 結語

新型非線性減震器安裝位置靈活且不局限于建筑結構類型，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措施，對于新建建筑，可在澆筑前，板底或梁底預留預埋件，在地面將其減震器組裝完好，待混凝土達到規范強度即可安裝，目前新型非線性減震器已在鋼筋混凝土框架結構與鋼結構中進行振動臺抗震試驗研究，且均達到良好的減震效果，應用前景十分可觀。

參考文獻：

[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.建筑結構被動減震控制的研究與應用[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.

[4] Roberson R E.Synthesis of a nonlinear dynamic vibration absorber[J].Journal of the Franklin Institute,1952,254(3):205-220.

[5] Y.Starosvetsky,O.V.Gendelman. Vibration absorption in systems with a nonlinear energy sink:Nonlinear damping[J].Journal of Sound and Vibration,2009,324(3/4/5):916-939.

[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生靶能量傳遞的初始條件[J].哈爾濱工業大學學報,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設計[J].振動工程學報,2015,28(5):785-792.