新型滚球式碰撞调制质量阻尼器——装置构成及其减震性能研究

Fabricated structure and structural control technique are two important strategies to promote construction industrialization and high performance structure proposed by the China’s thirteenth five-year plan. The present research focus on the tuned rotary mass damper (TRMD) mounted in a voided biaxial slab with high prefabrication rate, trying to propose a novel architectural-friendly distributed nonlinear mass damper system to dissipate seismic energy caused by high intensity ground motion. Specifically, first, the research proposes to install the TRMDs in the prefabricated hollow modules without architectural function loss, to solve the conflict between the exclusive space requirement of dampers and the architectural function demands. Further, by introducing a muffled impact mechanism into the TRMD, a novel nonlinear pounding TRMD (PTRMD) could be developed oriented to dissipate energy of structures subject to high level earthquake excitations. Seismic reduction efficiency, robustness and parameter optimization studies could be conducted to investigate control performance of the PTRMD. Finally, seismic reduction performance of multiple PTRMDs (MPTRMDs) mounted in hollow modules of translational-torsionally coupled structures subject to bidirectional earthquake excitation could be theoretically and experimentally studied, to investigate the efficiency, robustness and parameter optimization of this distributed mass damper system. To summarize, with a fully exploitation of the unused hidden space in the buildings, the proposed PTRMD and its multiple counterpart, not only possesses the advantages such as low fabrication and maintenance cost and high reliability, but also provides a promising solution for the application of mass dampers in reducing disastrous seismic structural response.

推广装配式结构和实施结构减震控制技术是国家“十三五”计划提出的发展建筑工业化和高性能结构体系的重要途径。本研究关注滚球式被动控制装置，以工厂预制率高的空腔楼盖结构体系为载体，首次提出一种不影响结构使用功能、可用于结构灾害性减震控制的分布式质量阻尼控制体系。首先，提出在空腔楼盖大量不具有建筑使用功能的预制模块中放置质量阻尼装置，解决控制装置设置与建筑功能相冲突的矛盾。其次，在紧凑的滚球式调制质量阻尼器中引入缓冲碰撞机制，从理论和试验两方面研究这种新型非线性碰撞调制质量阻尼器的减震性能、鲁棒性及参数优化等问题。最后，研究在地震作用下，分布式碰撞调制质量阻尼系统对非规则结构的平——扭耦合控制性能、鲁棒性和参数优化。基于空腔楼盖的碰撞调制质量阻尼装置充分利用了建筑中隐藏的闲置空间，具有造价低、可靠性高、维护方便等优点，为质量阻尼在建筑结构灾害性减震控制中的应用提供了更具前景的解决方案。

本研究提出了一种可以置入空腔楼板内部空间的新型滚动式带碰撞调谐质量阻尼器耗能减振装置(PTRMD)。该装置由质量碰撞体（小球）、弧形轨道以及轨道上的粘弹性限位装置构成。具有制作方便、布置灵活、鲁棒性强等优点，且不额外占用建筑的使用空间，不影响结构使用功能，能有效解决控制装置设置与建筑功能相冲突的矛盾。对所提装置进行了系统深入的研究，建立了设有PTRMD的受控系统的动力方程，给出了方程的求解方法，在此基础上对其减振机理和参数优化问题进行了分析。结果表明PTRMD可以有效地减小结构的动力响应，能通过小球在弧形轨道中滚动吸能，并利用碰撞耗散系统能量，具有很强的耗能能力；建立了设有PTRMD的多自由度受控系统的动力方程，同时对受控结构在频率失谐时的鲁棒性进行了分析；对装置中小球与轨道间的摩擦影响进行了研究，推导了考虑非线性摩擦力项的受控体系运动方程，探讨了不同激励类型、激励强度及挡板间距下的最优摩擦系数；对多重PTRMD装置（MPTRMD）进行了研究，建立了设有MPTRMD的多自由度受控系统的动力方程；对分布式滚动质量阻尼器（DTRMD）系统进行了研究，建立了布置有DTRMD系统的单层结构平扭耦合运动方程，研究了不同偏心距下不同布置原则对控制效果的影响；此外，在上述PTRMD理论研究基础上，开展了多种PTRMD阻尼器的试验研究。分别设计并制作了TRMD以及PTRMD的试验装置，分析了TRMD及PTRMD对单自由度及多自由度结构的控制效果。试验结果表明采用PTRMD作为减震装置，能够显著降低模型结构在不同激励下的位移响应幅值、位移响应均方根和加速度响应幅值、加速度响应均方根，耗能能力强。课题研究期间，发表学术论文26篇，其中SCI收录论文5篇，EI收录论文5篇，核心期刊论文19篇；申报发明专利4项；培养博士研究生2名，硕士研究生10名。