MR阻尼器對(duì)鋼-混凝土結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

尹長海，黃思凝，呂 楊，周 洋，孫 梟

(1.中鐵一局集團(tuán)天津建設(shè)工程有限公司，天津 300384； 2.中國地震局建筑物破壞機(jī)理與防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201; 3.天津城建大學(xué)，天津 300384； 4.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制就是對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)一起抵御外部荷載的作用，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。基于MR阻尼器的半主動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效的控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，在理論分析的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究：李忠獻(xiàn)等[1]對(duì)一個(gè)首層安裝MRF-04K型MR阻尼器的1:3縮尺鋼框架模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，表明被動(dòng)控制和半主動(dòng)控制都能很好的降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)；鄔喆華等[2]采用磁流變阻尼器作為被動(dòng)控制器件，通過對(duì)施加不同電壓情況下斜拉索前三階模態(tài)振動(dòng)的等效阻尼比來研究磁流變阻尼器的減振效果，并與油阻尼器的減振效果進(jìn)行比較，結(jié)果表明磁流變阻尼器作為被動(dòng)控制器件時(shí)其制振效果優(yōu)于油阻尼器且控制的適用頻率范圍更廣，并且在供電失效時(shí)也能滿足拉索減振的要求；林偉等[3]通過對(duì)一個(gè)懸臂梁的磁流變阻尼器控制試驗(yàn)研究了一種基于信賴域方法的MR阻尼器瞬時(shí)最優(yōu)半主動(dòng)控制算法，結(jié)果表明所提出的控制算法較Passive-off，Passive-on及Clipped-optimal等控制算法的控制效果更好；Sun等[4]在阻尼器性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)一個(gè)3層的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)控制效果的研究，表明MR阻尼器能較好的減小結(jié)構(gòu)位移和加速度響應(yīng)；Guo等[5]對(duì)MR阻尼器在橋墩碰撞控制中的應(yīng)用進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，結(jié)果證明MR阻尼器能很好的控制結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)；Nagarajaiah等[6]對(duì)采用滑移隔震支座的1:20的模型橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用MR阻尼器對(duì)其在地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行控制，結(jié)果表明MR阻尼器能很大程度的減小滑移支座的位移；Christenson等[7]還對(duì)采用MR阻尼器控制的子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明沿結(jié)構(gòu)各層均布置阻尼器能大大的減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；徐曉龍等[8]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)第三階段結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的Benchmark問題進(jìn)行了研究；貝偉明和李宏男[9]開展了采用磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)地震模糊控制；徐家云等[10]驗(yàn)證了磁流變阻尼器對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)錨索振動(dòng)控制的有效性。上述試驗(yàn)都證明了MR阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)有很好的控制效果，但大部分試驗(yàn)是針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)彈性階段的激勵(lì)進(jìn)行的，而實(shí)際的安裝MR阻尼器的其他類型的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震下會(huì)進(jìn)入塑性響應(yīng)階段，并且在強(qiáng)地震作用下控制系統(tǒng)(半主動(dòng)控制算法)可能損壞失效，MR阻尼器的供電電源也可能破壞。

基于此，首先對(duì)課題組研制的一種新型MR阻尼器進(jìn)行動(dòng)力性能試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)按1:4縮尺的3層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型采用Passive-off和Passive-on兩種被動(dòng)控制方案研究了在大震下控制系統(tǒng)失效和電源損壞的情況下MR阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和損傷破壞的控制效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?:4縮尺的三層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底層層高為0.9 m，第二和第三層層高0.75 m，平面尺寸為1.2 m×1.555 m。剪力墻截面尺寸均為0.08 m×0.31 m，每層開洞，底層洞口大小為0.78 m×0.15 m，第二層和第三層洞口大小為0.63 m×0.15 m，即連梁高度均為0.12 m，凈跨度0.15 m，剪力墻各墻肢縱向四角配置4Φ8鋼筋，連梁四角縱向?yàn)?Φ8鋼筋，中部配置2Φ4鋼筋，箍筋均為直徑為4 mm間距50 mm的鐵絲，混凝土保護(hù)層厚度為10 mm。鋼框架跨度為1.245 m，鋼柱都采用熱軋H型鋼，各層鋼柱截面相同為HW100×100×6×8；框架梁和連梁均采用10號(hào)普通槽鋼，截面尺寸為[100×48×5.3×8.5，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235。鋼梁與混凝土剪力墻采用預(yù)埋焊釘鉸接連接，鋼梁與鋼柱采用剛性連接。結(jié)構(gòu)每層的附加質(zhì)量鋼框架部分為640 kg，剪力墻部分為480 kg，MR阻尼器以斜撐的形式添加在結(jié)構(gòu)底層，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型及阻尼器的安裝Fig.1 Structure model and location of MR dampers

混凝土澆筑時(shí)制作了5塊混凝土試塊，放置在與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)相同的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，并在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得混凝土抗壓強(qiáng)度為19.1 MPa，彈性模量為19 GPa。鋼筋屈服強(qiáng)度為230.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為352.3 MPa。

1.2 阻尼器性能試驗(yàn)

試驗(yàn)中共使用了兩個(gè)磁流變阻尼器，其中編號(hào)為MRJ-1B的阻尼器為一節(jié)段阻尼器，編號(hào)為MRJ-2B的阻尼器為三節(jié)段阻尼器，三節(jié)段阻尼器在試驗(yàn)時(shí)只使用其中一個(gè)節(jié)段以保證兩個(gè)阻尼器的出力能力相近，阻尼器實(shí)物如圖2所示。

圖2 MRJ阻尼器 圖3 阻尼器性能試驗(yàn)Fig.2 MRJ dampers Fig.3 Property test of MR damper

由于MR阻尼器已經(jīng)設(shè)計(jì)加工完成2年多的時(shí)間，為了驗(yàn)證阻尼器是否還具有出力能力，本文首先對(duì)阻尼器進(jìn)行了動(dòng)力性能測(cè)試。MR阻尼器的動(dòng)力性能測(cè)試采用MTS-810電液伺服加載試驗(yàn)機(jī)、Teststar數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和直流電源。加載方式為位移控制正弦波加載，加載頻率包括0.5 Hz和1 Hz，振幅包括5 mm、10 mm和15 mm，施加電流包括0A、0.5A、1.0A、2.0A和3A，每個(gè)阻尼器合計(jì)30個(gè)工況，如圖3所示。在0.5 Hz振幅5 mm的正弦波作用下兩個(gè)阻尼器力-位移曲線如圖4(a)和圖4(b)所示。由阻尼器性能試驗(yàn)得到，不通電流時(shí)MRJ-1B和MRJ-2B阻尼器的阻尼力隨正弦波振幅和頻率的增加而略有增大，約為0.48 kN和0.65 kN，施加3 A直流電流時(shí)MRJ-1B和MRJ-2B阻尼器的最大出力約為3 kN。對(duì)比文獻(xiàn)[11]可知，MRJ型磁流變阻尼器放置2年多以后其出力能力并沒有降低，因此具有較好的抗沉降性能。

圖4 頻率0.5 Hz振幅5 mm的正弦波激勵(lì)下Fig.4 Dynamic characteristic curve of the sine wave excitation with a frequency of 0.5Hz and amplitude of 5mm

1.3 試驗(yàn)測(cè)試及加載方案

為了研究采用MR阻尼器控制前后混合結(jié)構(gòu)在地震作用下的失效破壞過程，試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)各層布置了2個(gè)加速度傳感器和2個(gè)拉線式位移傳感器，加速度傳感器分別布置在鋼框架梁靠近鋼柱一端和剪力墻連梁處，拉線式位移計(jì)布置在各層剪力墻底部與上一層鋼柱節(jié)點(diǎn)之間，每榀布置一個(gè)。測(cè)試儀器具體布置如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Location of measure point

試驗(yàn)選用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條地震波，時(shí)間壓縮比為1∶3，沿剪力墻平面內(nèi)單向輸入，輸入加速度峰值為300 Gal、400 Gal、500 Gal和700 Gal，分別模擬在不同的強(qiáng)度和頻率特性的地震波作用下阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和損傷的控制效果。兩個(gè)阻尼器都以斜撐的形式安裝在結(jié)構(gòu)底層，試驗(yàn)過程中可以通過拔出連接阻尼器的銷釘考慮受控結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)，其中控制試驗(yàn)工況采用MR阻尼器被動(dòng)控制(passive off和passive on)，在地震波加速度幅值為0.7 g時(shí)，passive on工況阻尼器輸入電流為3 A，試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況表Table 1 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模型參數(shù)識(shí)別

模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)主要為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼，結(jié)構(gòu)每層的附加質(zhì)量為1.12 t，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)各層的質(zhì)量為1.52 t、1.51 t和1.48 t。圖6所示為模型結(jié)構(gòu)在頻率范圍1～50 Hz，幅值為0.1 g的隨機(jī)波激勵(lì)下結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線，圖7為其幅值特性曲線，從中可以得到結(jié)構(gòu)前兩階頻率為4.745 5 Hz和16.842 3 Hz。根據(jù)圖7，采用半功率點(diǎn)法[12]求得模型結(jié)構(gòu)前兩階阻尼比約為2.75%和1.50%。

圖6 隨機(jī)波激勵(lì)下結(jié)構(gòu)頂層加速度響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.6 Top acceleration time history of structure under the random wave excitation

圖7 模型結(jié)構(gòu)幅頻特性曲線Fig.7 Frequency curve of the model structure

2.2 控制效果

為了分析方便，本文只給出El Centro地震波各峰值加速度下，結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)頂層加速度的峰值和均方根值(RMS)以及控制效果，如表2所示。從表中可以看出，輸入電流恒定在0 A的被動(dòng)控制對(duì)結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移的控制效果在4%～29%之間，對(duì)結(jié)構(gòu)頂層加速度的控制效果在-6%～24%；輸入電流恒定在2 A(輸入地震動(dòng)幅值為0.3 g、0.4 g和0.5 g時(shí))和3 A(輸入地震動(dòng)幅值為0.7 g時(shí))的被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)底層位移的控制效果在17%～34%之間， 對(duì)結(jié)構(gòu)頂層加速度的控制效果在 -10%～10%。 輸入電流為0 A時(shí)結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移均方根控制效果在5%～43%，頂點(diǎn)加速度均方根控制效果在4%～43%；輸入電流為2 A(輸入地震動(dòng)幅值為0.3 g、0.4 g和0.5 g時(shí))和3 A(輸入地震動(dòng)幅值為0.7 g時(shí))的被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)底層位移均方根的控制效果在8%～39%之間，對(duì)結(jié)構(gòu)頂層加速度的控制效果在-24%～38%。分析可以看出兩種被動(dòng)控制對(duì)結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移都具有很好的控制效果，passive on時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移控制效果好于passive off；結(jié)構(gòu)頂層加速度個(gè)別工況存在放大的情況，這與被動(dòng)控制時(shí)未能優(yōu)化的提供控制力有關(guān)。從各工況下阻尼器最大控制力還可以看出，在輸入電流為0 A的passive off狀態(tài)，阻尼器MRJ-1B的最大控制力在0.44～0.96 kN之間，MRJ-2B的最大控制力在0.72～1.23 kN之間；在輸入電流為2 A或3 A的passive on狀態(tài)，阻尼器MRJ-1B的最大控制力在2.66～3.41 kN之間，MRJ-2B的最大控制力在1.63～3.94 kN之間，可見兩個(gè)阻尼器均發(fā)揮了較好的出力水平，并且MRJ-1B阻尼力可調(diào)系數(shù)更大一些，這與阻尼器MRJ-2B具有三節(jié)段活塞，粘滯阻尼力較大有關(guān)系，這也驗(yàn)證了課題組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調(diào)節(jié)系數(shù)。

圖8(a)、(b)所示分別為模型結(jié)構(gòu)在0.5 g的El Centro地震波作用下passive off被動(dòng)控制與無控和passive on與無控結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移時(shí)程曲線和相應(yīng)的阻尼器控制力時(shí)程。從圖中可以看出，兩種被動(dòng)控制方案均能較好的降低結(jié)構(gòu)層間位移響應(yīng)，特別是結(jié)構(gòu)層間位移較大的時(shí)刻控制效果更明顯，層間位移較小時(shí)控制效果較差，并且阻尼器出力很小(如圖8(b)6 s時(shí)刻以后)，這主要是因?yàn)樽枘崞靼惭b時(shí)采用銷釘鉸接連接，銷釘外壁與連桿沒能完全接觸留有一定空隙引起的；從阻尼器出力時(shí)程可以看出，兩種被動(dòng)控制阻尼器出力水平都已經(jīng)接近阻尼器設(shè)計(jì)出力水平。

圖8 在0.5 g的El Centro地震波作用下結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移及阻尼器出力時(shí)程曲線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波作用下結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移和頂點(diǎn)加速度響應(yīng)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 結(jié)構(gòu)能量分析

結(jié)構(gòu)消耗地震動(dòng)能量的能力與結(jié)構(gòu)抗震性能相關(guān)，結(jié)構(gòu)耗能的多少直接反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展程度(損傷程度)，表3給出了各工況下結(jié)構(gòu)各層總耗能值。從表中可以看出，除個(gè)別工況外，添加MR阻尼器以后結(jié)構(gòu)所消耗的地震能量明顯減小。在本文試驗(yàn)工況的安排下(先完成了無控狀態(tài)下各幅值地震動(dòng)的所有試驗(yàn)工況，隨后從小震開始重新進(jìn)行0A和2A各幅值地震動(dòng)的試驗(yàn)工況)，假設(shè)相同地震動(dòng)輸入的能量相等，那么MR阻尼器耗散了很大一部分地震能量，并且passive on狀態(tài)耗散的能量較passive off 狀態(tài)更大。

圖9～圖12為結(jié)構(gòu)底層剪力與底層層間位移關(guān)系曲線。從圖中無控狀態(tài)的滯回曲線可以看出，隨著地震動(dòng)峰值加速度的增加，結(jié)構(gòu)剛度逐漸下降，并且0.5 g的Taft波作用后結(jié)構(gòu)頻率趨于穩(wěn)定，此時(shí)混凝土裂縫開展很大，結(jié)構(gòu)主要由鋼框架承擔(dān)水平地震作用。由于施加阻尼器時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于較嚴(yán)重的破壞狀態(tài)，因此各工況下受控結(jié)構(gòu)的滯回曲線都較飽滿，表現(xiàn)出較好的耗能能力，但結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn)，受控結(jié)構(gòu)的總內(nèi)能較相同輸入下的無控結(jié)構(gòu)要小很多，可見MR阻尼器能很好的耗散地震能量。

表3 各工況下結(jié)構(gòu)各層總內(nèi)能Table 3 The internal energy dissipated by each story of each test conditions kJ

圖9 在0.3 g的Taft地震波激勵(lì)下基底力-位移曲線Fig.9 Base shear-displacement curve of structure under 0.3 g Taft earthquake motion

圖10 在0.4 g的Taft地震波激勵(lì)下基底力-位移曲線Fig.10 Base shear-displacement curve of structure under 0.4 g Taft earthquake motion

圖11 加速度幅值為0.5 g的Taft地震波激勵(lì)下基底力-位移曲線Fig.11 Base shear-displacement curve of structure under 0.5 g Taft earthquake motion

圖12 在0.7 g的Taft地震波激勵(lì)下基底力-位移曲線Fig.12 Base shear-displacement curve of structure under 0.7 g Taft earthquake motion

3 結(jié)論

本文對(duì)兩個(gè)放置了2年多的新型磁流變阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，證明了課題組研制的新型磁流變阻尼器具有很好的抗沉降性。通過采用兩種被動(dòng)控制下的一個(gè)1:4的三層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)比分析了無控結(jié)構(gòu)與采用passive off 和passive on兩種被動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明采用passive off的被動(dòng)控制策略，結(jié)構(gòu)底層相對(duì)位移峰值和均方根值分別減小了4%～29%和5%～43%，相應(yīng)采用passive on時(shí)的控制效果為17%～34%和8%～39%，而結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值和均方根值部分工況存在放大現(xiàn)象。此外，結(jié)構(gòu)內(nèi)能分析表明，磁流變阻尼器能耗散很大一部分地震能量，減小了結(jié)構(gòu)通過塑性變形耗能的比例，因此MR阻尼器可以用于強(qiáng)震下鋼-混凝土結(jié)構(gòu)的損傷控制中。