碰撞減震器性能初探

陳永輝 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

為了抵抗地震對(duì)結(jié)構(gòu)物的破壞，已研究了多種減震、隔震方法，但各種減隔震方法都有其固有的缺陷。如基礎(chǔ)滑動(dòng)隔震措施，存在著滑移量大及對(duì)高聳結(jié)構(gòu)來(lái)說有傾覆可能的缺點(diǎn)，因此，在進(jìn)一步研究已有減隔震方法的同時(shí)，探索新的減隔震方法是很有必要的。

碰撞減震器的工作機(jī)理是通過結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)，帶動(dòng)其內(nèi)部可動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)，通過可動(dòng)體反復(fù)地撞擊結(jié)構(gòu)物，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)物振幅的目的。這種減震器減震的主要途徑是通過結(jié)構(gòu)物和可動(dòng)體之間的動(dòng)量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 碰撞減震器理論分析

圖1 碰撞減震器示意

采用待定參數(shù)法求解體系的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，來(lái)分析碰撞減震器的參數(shù)m、碰撞間隙d對(duì)碰撞減震器工作性能的影響。

在求解的過程中，碰塊和結(jié)構(gòu)碰撞后的速度，可根據(jù)動(dòng)量守恒定理及恢復(fù)系數(shù)的定義，由碰塊和結(jié)構(gòu)碰撞前的速度求得，碰塊和結(jié)構(gòu)碰撞的判斷條件由下式確定。X為結(jié)構(gòu)體的位移、Y為滑動(dòng)體的位移。

首先提出了碰撞減震器的一般解法，繼而對(duì)一種簡(jiǎn)單常見且又效果極佳的情況—（激勵(lì)）一周內(nèi)兩次等間隔碰撞的情況進(jìn)行了深入細(xì)致的討論，推導(dǎo)了碰撞位置任意及碰撞位置為平衡位置時(shí)，體系的運(yùn)動(dòng)方程，并討論了由平衡位置處的碰撞來(lái)選擇碰撞間隙d的減震效果。做出了幾組參數(shù)的幅頻曲線，并和無(wú)碰撞減震器的情況進(jìn)行了對(duì)比。分析了質(zhì)量比、恢復(fù)系數(shù)、碰撞間隙對(duì)體系幅頻曲線的影響，提出了選擇質(zhì)量比、恢復(fù)系數(shù)及碰撞間隙的以下3點(diǎn)建議。

①質(zhì)量比u=0.05～0.10；

③恢復(fù)系數(shù)e在0.4附近。

其次，用數(shù)值方法模擬了碰撞減震器從靜止到穩(wěn)態(tài)的運(yùn)動(dòng)。研究表明，碰撞減震器的減震效果是顯著的。

圖2 鋼碰塊的理論與試驗(yàn)幅頻曲線

圖3 銅碰塊的理論與試驗(yàn)幅頻曲線

圖4 雙碰塊減震機(jī)構(gòu)

圖5 加彈簧約束的碰撞減震器

最后，根據(jù)上面的分析及參數(shù)選擇的幾點(diǎn)建議，做了一個(gè)模型，進(jìn)行了動(dòng)力模型試驗(yàn)，分別就自由振動(dòng)及強(qiáng)迫振動(dòng)的情況進(jìn)行了測(cè)試。體系的自由振動(dòng)時(shí)程是先按直線衰減，當(dāng)振動(dòng)的幅值顯著減小后，再按指數(shù)衰減；體系的強(qiáng)迫振動(dòng)表明：第一、在絕大多數(shù)的激振頻率下，體系的運(yùn)動(dòng)基本上是（激勵(lì)）一周內(nèi)兩次等間隙碰撞；第二、采用碰撞減震器后，振幅有顯著的減小。最后，通過理論和試驗(yàn)曲線的比較，驗(yàn)證了理論分析的正確性，見圖2、3。

以上的研究都是針對(duì)“簡(jiǎn)單碰撞減震器”進(jìn)行的，它存在著過大的撞擊力及碰撞距離d難以改變的缺陷。針對(duì)此矛盾，我們提出了2種改進(jìn)方法—同層雙碰塊減震機(jī)構(gòu)（圖4）和加彈簧約束的碰撞減震器（圖5），并進(jìn)行了模擬分析，同時(shí)和無(wú)碰撞減震器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況進(jìn)行了對(duì)比，說明這兩種碰撞減震器的減震性能是不錯(cuò)的。

幾組參數(shù)對(duì)地震響應(yīng)的最大位移比 表1

3 地震反應(yīng)計(jì)算

選擇了美國(guó)加利福利亞的Elecentro地震波（1940年 NS）、Parkfield地震波（1966年N65E）及我國(guó)唐山地震遷安波（1976年NS）分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，并和無(wú)碰撞減震器結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)曲線進(jìn)行了比較，說明碰撞減震器對(duì)地震波也是具有一定的減震效果的，見下表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是以彈性結(jié)構(gòu)體系為對(duì)象進(jìn)行研究的，但完全可以認(rèn)為對(duì)于彈塑性結(jié)構(gòu)體系，采用碰撞減震措施，會(huì)取得更好的效果。

我們做的只是理論上的探討，具體地要在工程上實(shí)現(xiàn)還是有很多問題有待解決。應(yīng)該指出碰撞減震的研究還有許多的工作要做，如：同層多碰撞減震器的理論分析；多層結(jié)構(gòu)裝有碰撞減震器（全部或幾層）；碰撞減震器加約束；碰撞減震的彈塑性研究；結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)化選擇；碰撞的穩(wěn)定性分析等等，都是有待進(jìn)一步的研究。

碰撞減震器是在結(jié)參數(shù)難以改變的情況下，一種被動(dòng)的減震方法，將這種減震方法和其它的減（隔）震方法聯(lián)合使用，應(yīng)該會(huì)在減震隔震方面帶來(lái)更好的效果。

設(shè)計(jì)碰撞減震器時(shí)，最好能掌握建筑場(chǎng)地的卓越周期，把周期的長(zhǎng)短作為選擇碰撞減震器參數(shù)的一個(gè)主要指標(biāo)。