摩擦阻尼器對(duì)塔器風(fēng)致振動(dòng)的減振試驗(yàn)研究

(天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350)

0 引言

塔器作為化工生產(chǎn)中重要的設(shè)備，其長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行對(duì)于化工單元生產(chǎn)操作意義重大。為了適應(yīng)高產(chǎn)能、高參數(shù)和大型化的發(fā)展需求，高度在30 m以上、高徑比大于15的塔器廣泛應(yīng)用在實(shí)際工程中[1]。這類“細(xì)長(zhǎng)型”塔器由于其高徑比大、結(jié)構(gòu)相對(duì)較柔，呈現(xiàn)出固有頻率低、阻尼比小的特點(diǎn)，在風(fēng)載荷的作用下易產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)設(shè)備造成損傷，從而影響化工生產(chǎn)的正常運(yùn)行[2-3]。目前對(duì)于塔器防振的措施中，通過減小高徑比、改變結(jié)構(gòu)材料來減小塔器自振周期，但受到工藝操作參數(shù)的限制，在設(shè)計(jì)過程中無法有效進(jìn)行控制；受到塔器工藝條件以及表面保溫層、接管等結(jié)構(gòu)的限制，并非所有塔器都可安裝擾流器來減小塔器風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。

消能減震技術(shù)[4-6]作為一種被動(dòng)控制方法，是通過在結(jié)構(gòu)中增設(shè)耗能裝置從而減輕結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)。這種技術(shù)以概念簡(jiǎn)單、效果顯著、可靠安全、適于不同烈度、不同抗震要求的建筑物等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛關(guān)注，因此在工程建筑領(lǐng)域取得很大發(fā)展和成果。近年來，也有部分學(xué)者嘗試將消能減震技術(shù)應(yīng)用于塔器減振中。朱曉升等[7]將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)加設(shè)在高聳塔器塔頂上，利用數(shù)值模擬方法對(duì)加設(shè)TMD前后塔器的風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，通過對(duì)TMD的參數(shù)優(yōu)化，塔頂振幅大幅減小，但實(shí)際工程中TMD的安裝和檢修難以實(shí)現(xiàn)。譚蔚等[8]將橡膠阻尼器置于底部框架塔不同高度處，施加階躍性載荷，并測(cè)量框架塔動(dòng)力學(xué)參數(shù)及關(guān)鍵部位應(yīng)力幅值，試驗(yàn)結(jié)果表明，安裝橡膠阻尼器可有效提高固有頻率和阻尼比、減小框架塔底部應(yīng)力以及裙座支撐處筒體應(yīng)力。但橡膠阻尼器易受溫度、日光等因素的影響，造成性能下降、老化，使用壽命較短，需要定期檢查更換，不利于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行。

本文將摩擦阻尼器應(yīng)用于塔器減振中，從阻尼器布置形式、阻尼器起滑力、阻尼器和塔器連接間隙對(duì)增設(shè)摩擦阻尼器的塔器的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與單塔和在相同位置加有限位支撐的塔器的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。該研究可為塔器防振設(shè)計(jì)提供新思路，為摩擦阻尼器在塔器減振的工程應(yīng)用中提供理論依據(jù)和工程參考。

1 摩擦阻尼器耗能原理

摩擦阻尼器主要通過阻尼器結(jié)構(gòu)間的相對(duì)滑動(dòng)從而消耗輸入的總能量，減少結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和耗能機(jī)制的不同，可分為耗能節(jié)點(diǎn)、板式摩擦阻尼器、筒式摩擦阻尼器以及復(fù)合型摩擦阻尼器。摩擦阻尼器可以提供較大的附加阻尼和附加剛度，具有良好、可靠的耗能能力，表現(xiàn)出良好庫倫特性，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、安裝維護(hù)方便、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較好的工程應(yīng)用前景[9-11]。

由于摩擦阻尼器是通過結(jié)構(gòu)的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦耗能，因此，對(duì)于相對(duì)速度并不敏感，表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性性質(zhì)，屬于位移相關(guān)性阻尼器。故常用理想剛塑性模型建立摩擦阻尼器的滯回模型，如圖1所示。其表達(dá)式為：

F=Fdsgn(x(t))

(1)

式中F——摩擦力，N；

Fd——起滑力，N；

x(t)——起滑位移，m。

圖1 剛塑性模型示意

在理想剛塑性模型中，摩擦阻尼器在一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量Wd為：

Wd=4Fdx0

(2)

式中Wd——一個(gè)周期內(nèi)摩擦阻尼器消耗的能量,J；

x0——最大滑動(dòng)摩擦位移,m。

對(duì)于安裝有摩擦阻尼器的支撐，被稱為摩擦耗能支撐，可采用彈性恢復(fù)力模型作為其滯回模型，如圖2所示。根據(jù)其作用機(jī)理可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于小幅振動(dòng)時(shí)，摩擦阻尼器不產(chǎn)生滑動(dòng)，主體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，摩擦耗能支撐僅提供剛度支撐；而當(dāng)結(jié)構(gòu)處于大幅振動(dòng)時(shí)，摩擦耗能支撐在主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服之前，按預(yù)定滑動(dòng)荷載產(chǎn)生滑移，依靠摩擦耗散能量。其摩擦力的表達(dá)式為：

(3)

圖2 彈性恢復(fù)力模型示意

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 摩擦阻尼器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了小試試驗(yàn)塔器用摩擦阻尼器，如圖3所示。摩擦阻尼器由靜摩擦片、墊片、動(dòng)摩擦片、螺栓和螺母組成。靜摩擦片和動(dòng)摩擦片之間設(shè)置有聚四氟乙烯墊片，用以調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)，通過改變螺栓螺母的預(yù)緊力調(diào)節(jié)摩擦阻尼器的起滑力。摩擦阻尼器尺寸參數(shù)如表1所示。

圖3 摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)示意

表1試驗(yàn)用摩擦阻尼器尺寸參數(shù)

參數(shù)靜摩擦片尺寸/mm墊片厚度/mm動(dòng)摩擦片長(zhǎng)度/mm動(dòng)摩擦片寬度/mm螺栓規(guī)格/mm數(shù)值24×20×215512M4

2.2 塔器模型

依據(jù)彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以某化工塔為原型進(jìn)行等比例縮放，建立小試模型，如圖4所示。小試模型塔體高1.2 m，由M8螺紋桿、塔盤(直徑50 mm，厚度10 mm)和連接件構(gòu)成；模型周圍設(shè)置有框架，用以固定摩擦阻尼器或限位支撐?？蚣芨?.6 m，由M4螺紋桿、鋁制框架及相關(guān)連接件構(gòu)成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缛绫?所示。

圖4 小試模型實(shí)物圖

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/p>

摩擦阻尼器或限位支撐設(shè)置在0.6 m高度位置，即最上層框架處。摩擦阻尼器和塔體的連接位置設(shè)置萬向節(jié)，保證摩擦阻尼器僅受到軸向力，從而保證摩擦阻尼器得以正常工作，如圖4(d)所示。使用螺紋桿提供限位支撐，通過螺母固定，其連接結(jié)構(gòu)如圖4(e)所示。

2.3 試驗(yàn)測(cè)試儀器

采用JZ-50激振器、FY300信號(hào)發(fā)生器及功率放大器組成激勵(lì)系統(tǒng)對(duì)塔器進(jìn)行激振。使用CMOS激光位移傳感器對(duì)塔器振動(dòng)過程中的位移值進(jìn)行測(cè)量，并由AD數(shù)據(jù)采集設(shè)備和配套的數(shù)據(jù)采集記錄軟件將數(shù)據(jù)記錄到計(jì)算機(jī)中。利用力傳感器測(cè)量塔頂?shù)募ふ窳Υ笮　?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 摩擦阻尼器性能測(cè)試

改變螺栓預(yù)緊力，對(duì)摩擦阻尼器進(jìn)行單向循環(huán)拉壓試驗(yàn)，得到不同起滑力Fd下摩擦阻尼器的摩擦力-位移滯回曲線，其結(jié)果如圖5所示。

(a)Fd=0.8 N (b)Fd=4 N

(c)Fd=10 N (d)Fd=14 N

圖5 不同起滑力Fd下阻尼器滯回曲線

對(duì)比不同起滑力Fd下摩擦阻尼器的摩擦力-位移滯回曲線，可以看出，F(xiàn)d在0～10 N的范圍以內(nèi)，滯回曲線符合干摩擦阻尼器的滯回曲線特征，且多次循環(huán)拉伸，滯回環(huán)基本重合，較為飽滿，表明摩擦阻尼器的摩擦力輸出性能較為穩(wěn)定且具有較好的耗能能力。當(dāng)起滑力Fd=14 N時(shí)，由于螺栓預(yù)緊力過大，導(dǎo)致摩擦片在相對(duì)滑動(dòng)的過程中存在粘黏，使得阻尼輸出力在滑動(dòng)過程中存在劇烈的抖動(dòng)，無法保持平穩(wěn)地輸出。故在后續(xù)試驗(yàn)研究中，摩擦阻尼器的起滑力Fd均保持在0～10 N的范圍。

3.2 塔器模態(tài)參數(shù)測(cè)量

施加沖擊載荷，使塔器結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由振動(dòng)，得到結(jié)構(gòu)的自由衰減曲線，如圖6所示。測(cè)得單塔和在0.6 m高度處安裝限位支撐的塔器的固有頻率分別為1.172，4.081 Hz；利用對(duì)數(shù)衰減法計(jì)算塔器的阻尼比，得到單塔和安裝限位支撐的塔器的阻尼比分別為0.009 38，0.021 90。

圖6 自由衰減曲線

3.3 塔器橫風(fēng)向振動(dòng)試驗(yàn)研究

根據(jù)NB/T 47041—2014《塔式容器》，塔器結(jié)構(gòu)在橫風(fēng)向載荷的作用下，穩(wěn)定時(shí)呈現(xiàn)近似于正弦振動(dòng)，利用簡(jiǎn)諧力模型模擬橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器，使激振器在塔器塔頂加載正弦激振，模擬塔器橫風(fēng)向振動(dòng)。分別從阻尼器布置形式、阻尼器和塔器連接間隙、阻尼器起滑力3個(gè)方面，對(duì)塔器橫風(fēng)向振動(dòng)的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.3.1 阻尼器布置形式

阻尼器可以布置在平行于載荷方向和垂直于載荷方向，為此，對(duì)不同方向布置的摩擦阻尼器對(duì)塔器減振作用效果進(jìn)行研究。

以起滑力Fd=1 N為例，對(duì)平行于載荷方向和垂直于載荷方向布置摩擦阻尼器的塔器，測(cè)試在不同激振力幅值下的橫風(fēng)向振動(dòng)，得到的結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯捎诖怪庇谳d荷方向的塔器的振幅很小，因此垂直于載荷方向布阻尼器雖然會(huì)隨著塔器的振動(dòng)而產(chǎn)生橫向擺動(dòng)，但是摩擦片之間的相對(duì)位移很小，幾乎不會(huì)產(chǎn)生摩擦耗能作用。且由于阻尼器垂直于載荷方向，無法在載荷方向上為塔器提供剛度支撐，故相對(duì)于單塔的塔頂振幅幾乎沒有減小，在圖7中兩條曲線基本重合在一起。

圖7 阻尼器布置對(duì)振幅的影響曲線

對(duì)于平行于載荷方向布置的摩擦阻尼器，當(dāng)激振力幅值較小時(shí)，摩擦阻尼器僅對(duì)塔器提供剛度支撐作用。而隨著激振力幅值的增加，摩擦阻尼器開始產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，阻尼器的摩擦耗能作用消耗了一部分激振力輸入到塔器結(jié)構(gòu)的能量，使得塔頂?shù)恼穹蠓s小，故振幅曲線存在一個(gè)較為明顯的拐點(diǎn)。在未到達(dá)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激振力幅值時(shí)，塔頂位移相對(duì)于單塔僅下降了8%左右。而當(dāng)摩擦阻尼器開始產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)后，相對(duì)于單塔的振幅減小了20%。由于在實(shí)際工程中，塔器受到風(fēng)載荷的方向并不固定，故需要在安裝高度處的水平面內(nèi)互相垂直的兩個(gè)方向上分別布置1～2組摩擦阻尼器，以保證風(fēng)載荷為任意水平方向時(shí)摩擦阻尼器均可對(duì)塔器產(chǎn)生耗能作用，達(dá)到減振的目的。

3.3.2 阻尼器和塔器連接處間隙

在傳統(tǒng)的利用限位支撐裝置限制塔器位移的結(jié)構(gòu)中，為便于安裝，在限位裝置和塔器之間常常會(huì)留有一定的間隙，故在本節(jié)通過調(diào)節(jié)摩擦阻尼器和塔器連接處的螺栓調(diào)節(jié)間隙，并與未設(shè)置間隙的塔器的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，研究間隙對(duì)摩擦阻尼器減振效果的影響。間隙設(shè)置如圖8所示。

圖8 連接處間隙

以摩擦阻尼器起滑力Fd=1 N為例，設(shè)置0.5 mm和1 mm兩組間隙進(jìn)行試驗(yàn)，并與未設(shè)置間隙的塔器的振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果見圖9。當(dāng)設(shè)置間隙后，在塔器受到激振力的作用而振動(dòng)的過程中，由于間隙的存在，摩擦阻尼器并不完全隨著塔器的振動(dòng)而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，而是存在一段空置階段，在該階段摩擦阻尼器既不提供剛度支撐，也不進(jìn)行摩擦耗能。間隙的存在使得摩擦阻尼器的摩擦耗能作用相對(duì)于無間隙結(jié)構(gòu)而存在一定的削弱，故從圖9可看出，0.5 mm和1 mm兩組間隙下塔器的塔頂振幅均大于無間隙時(shí)塔器的塔頂振幅，0.5 mm間隙的塔頂振幅增大了4%左右，1 mm間隙的塔頂振幅增大了12%左右。

此外，在試驗(yàn)過程中，對(duì)于在摩擦阻尼器和塔器的連接處設(shè)置有間隙的塔器，當(dāng)激振力幅值較大時(shí)，在間隙處會(huì)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的碰撞，且經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的碰撞后會(huì)導(dǎo)致螺栓松動(dòng)、甚至脫落的現(xiàn)象。故在實(shí)際工程中，對(duì)于摩擦阻尼器的安裝，應(yīng)當(dāng)盡量減小與塔器連接處的間隙。

圖9 間隙對(duì)塔器振幅的影響曲線

3.3.3 阻尼器起滑力

調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力，改變摩擦阻尼器起滑力，對(duì)不同起滑力下摩擦阻尼器對(duì)塔器減振作用效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖10示出不同起滑力Fd下塔頂振幅相對(duì)于單塔振幅降比。圖中不同參數(shù)下的摩擦阻尼器均開始產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)、進(jìn)行摩擦耗能?？梢钥闯觯S著起滑力Fd增大，不同激振力幅值FA對(duì)應(yīng)塔頂振幅下降的百分比均呈逐漸降低的趨勢(shì)。表明在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，摩擦阻尼器對(duì)塔器的減振效果隨著起滑力的增加逐漸減弱。還可以看出，在相同位置和激振力作用下，設(shè)置摩擦阻尼器時(shí)，塔器振幅降低比例明顯大于設(shè)置限位支撐。以激振力幅值FA=0.009 6 N為例，在本文試驗(yàn)范圍0.75 N≤Fd≤3.1 N內(nèi)，相對(duì)于單塔振幅，在摩擦阻尼器的作用下塔頂振幅降低了14.24%～23.44%，而在相同位置處設(shè)置限位支撐時(shí)振幅僅降低了8.45%?？梢娔Σ磷枘崞骶哂辛己玫暮哪茏饔茫梢源蠓档退鞯恼穹?。

對(duì)比不同激振力幅值FA的曲線可以看出，激振力幅值FA越大，輸入塔器結(jié)構(gòu)的能量增加，塔器振動(dòng)響應(yīng)加大，由于摩擦阻尼器屬于位移阻尼器，其耗能與位移呈正比，故會(huì)使得摩擦耗能增加，從而導(dǎo)致在相同起滑力Fd的摩擦阻尼器作用下的激振力幅值FA增加，摩擦阻尼器對(duì)塔器的減振效果也隨之增加。故在實(shí)際工程中，應(yīng)用摩擦阻尼器后，當(dāng)塔器受到風(fēng)致振動(dòng)時(shí)，風(fēng)載荷越大，摩擦阻尼器對(duì)塔器的減振效果越明顯，有利于塔器的防振。

圖10 不同起滑力Fd下塔頂振幅降比圖

4 結(jié)論

本文將摩擦阻尼器應(yīng)用于塔器的防振措施之中，并對(duì)加設(shè)有摩擦阻尼器的塔器的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。從阻尼器布置形式、阻尼器起滑力、阻尼器和塔器連接間隙3個(gè)方面對(duì)塔器橫風(fēng)向振動(dòng)的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，為摩擦阻尼器在實(shí)際塔器減振工程中的應(yīng)用提供參考。得出主要結(jié)論如下。

(1)摩擦阻尼器對(duì)塔器的減振效果主要依靠平行于塔器振動(dòng)方向的摩擦阻尼器。垂直于塔器振動(dòng)方向的摩擦阻尼器對(duì)塔器的振幅影響很小，與平行于塔器振動(dòng)方向的摩擦阻尼器的作用效果相比基本可以忽略?？紤]到實(shí)際工程中風(fēng)載荷方向并不固定，故需要在安裝高度處的水平面內(nèi)互相垂直的兩個(gè)方向上分別布置1～2組摩擦阻尼器，使得塔器受到任意方向的風(fēng)載荷的作用均可達(dá)到減振的目的。

(2)阻尼器與塔器連接處的間隙會(huì)減弱摩擦阻尼器的減振效果，且不利于摩擦阻尼器的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因此，在安裝摩擦阻尼器時(shí)應(yīng)注意盡量減小與塔器連接處的間隙。

(3)摩擦阻尼器對(duì)塔器的減振效果明顯優(yōu)于在相同位置處設(shè)置限位支撐。在本文試驗(yàn)范圍內(nèi)，摩擦阻尼器可以使得塔器塔頂振幅降低最大達(dá)23.44%，大幅降低塔頂?shù)恼穹?，且激振力幅值越大，摩擦阻尼器?duì)塔器的減振效果也隨之增加。