尹長海，黃思凝，呂 楊，周 洋，孫 梟

(1.中鐵一局集團天津建設(shè)工程有限公司，天津 300384； 2.中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室，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)振動控制就是對結(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，進而減小結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。基于MR阻尼器的半主動控制系統(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)者還進行了大量的試驗研究：李忠獻等[1]對一個首層安裝MRF-04K型MR阻尼器的1:3縮尺鋼框架模型進行了振動臺試驗研究，表明被動控制和半主動控制都能很好的降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)；鄔喆華等[2]采用磁流變阻尼器作為被動控制器件，通過對施加不同電壓情況下斜拉索前三階模態(tài)振動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行比較，結(jié)果表明磁流變阻尼器作為被動控制器件時其制振效果優(yōu)于油阻尼器且控制的適用頻率范圍更廣，并且在供電失效時也能滿足拉索減振的要求；林偉等[3]通過對一個懸臂梁的磁流變阻尼器控制試驗研究了一種基于信賴域方法的MR阻尼器瞬時最優(yōu)半主動控制算法，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]在阻尼器性能試驗的基礎(chǔ)上對一個3層的框架結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)動力響應(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MR阻尼器在橋墩碰撞控制中的應(yīng)用進行了振動臺試驗研究，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阻尼器對其在地震激勵下的動力響應(yīng)進行控制，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]還對采用MR阻尼器控制的子結(jié)構(gòu)試驗進行了研究，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)的動力響應(yīng)；徐曉龍等[8]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對第三階段結(jié)構(gòu)振動控制的Benchmark問題進行了研究；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]驗證了磁流變阻尼器對橋梁結(jié)構(gòu)錨索振動控制的有效性。上述試驗都證明了MR阻尼器對結(jié)構(gòu)振動有很好的控制效果，但大部分試驗是針對鋼結(jié)構(gòu)彈性階段的激勵進行的，而實際的安裝MR阻尼器的其他類型的結(jié)構(gòu)在強地震下會進入塑性響應(yīng)階段，并且在強地震作用下控制系統(tǒng)(半主動控制算法)可能損壞失效，MR阻尼器的供電電源也可能破壞。

基于此，首先對課題組研制的一種新型MR阻尼器進行動力性能試驗，并設(shè)計了一個按1:4縮尺的3層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)模型的模擬地震振動臺試驗，模型采用Passive-off和Passive-on兩種被動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阻尼器對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和損傷破壞的控制效果。

1 試驗概況

1.1 模型設(shè)計與制作

試驗?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，連梁四角縱向為4Φ8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號普通槽鋼，截面尺寸為[100×48×5.3×8.5，鋼材強度等級為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?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

混凝土澆筑時制作了5塊混凝土試塊，放置在與試驗結(jié)構(gòu)相同的環(huán)境下養(yǎng)護，并在振動臺試驗時對試塊進行抗壓強度試驗，測得混凝土抗壓強度為19.1 MPa，彈性模量為19 GPa。鋼筋屈服強度為230.5 MPa，抗拉強度為352.3 MPa。

1.2 阻尼器性能試驗

試驗中共使用了兩個磁流變阻尼器，其中編號為MRJ-1B的阻尼器為一節(jié)段阻尼器，編號為MRJ-2B的阻尼器為三節(jié)段阻尼器，三節(jié)段阻尼器在試驗時只使用其中一個節(jié)段以保證兩個阻尼器的出力能力相近，阻尼器實物如圖2所示。

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

由于MR阻尼器已經(jīng)設(shè)計加工完成2年多的時間，為了驗證阻尼器是否還具有出力能力，本文首先對阻尼器進行了動力性能測試。MR阻尼器的動力性能測試采用MTS-810電液伺服加載試驗機、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，每個阻尼器合計30個工況，如圖3所示。在0.5 Hz振幅5 mm的正弦波作用下兩個阻尼器力-位移曲線如圖4(a)和圖4(b)所示。由阻尼器性能試驗得到，不通電流時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MRJ-1B和MRJ-2B阻尼器的最大出力約為3 kN。對比文獻[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 試驗測試及加載方案

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，試驗在結(jié)構(gòu)各層布置了2個加速度傳感器和2個拉線式位移傳感器，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，拉線式位移計布置在各層剪力墻底部與上一層鋼柱節(jié)點之間，每榀布置一個。測試儀器具體布置如圖5所示。

圖5 測點布置圖Fig.5 Location of measure point

試驗選用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度和頻率特性的地震波作用下阻尼器對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和損傷的控制效果。兩個阻尼器都以斜撐的形式安裝在結(jié)構(gòu)底層，試驗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)振動試驗，其中控制試驗工況采用MR阻尼器被動控制(passive off和passive on)，在地震波加速度幅值為0.7 g時，passive on工況阻尼器輸入電流為3 A，試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況表Table 1 Test conditions

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 模型參數(shù)識別

模型結(jié)構(gòu)的動力參數(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的隨機波激勵下結(jié)構(gòu)頂層的加速度響應(yīng)時程曲線，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 隨機波激勵下結(jié)構(gòu)頂層加速度響應(yīng)時程曲線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的被動控制對結(jié)構(gòu)底層相對位移的控制效果在4%～29%之間，對結(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(輸入地震動幅值為0.3 g、0.4 g和0.5 g時)和3 A(輸入地震動幅值為0.7 g時)的被動控制結(jié)構(gòu)底層位移的控制效果在17%～34%之間， 對結(jié)構(gòu)頂層加速度的控制效果在 -10%～10%。 輸入電流為0 A時結(jié)構(gòu)底層相對位移均方根控制效果在5%～43%，頂點加速度均方根控制效果在4%～43%；輸入電流為2 A(輸入地震動幅值為0.3 g、0.4 g和0.5 g時)和3 A(輸入地震動幅值為0.7 g時)的被動控制結(jié)構(gòu)底層位移均方根的控制效果在8%～39%之間，對結(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控制對結(jié)構(gòu)底層相對位移都具有很好的控制效果，passive on時對結(jié)構(gòu)底層相對位移控制效果好于passive off；結(jié)構(gòu)頂層加速度個別工況存在放大的情況，這與被動控制時未能優(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被動控制與無控和passive on與無控結(jié)構(gòu)底層相對位移時程曲線和相應(yīng)的阻尼器控制力時程。從圖中可以看出，兩種被動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)層間位移較大的時刻控制效果更明顯，層間位移較小時控制效果較差，并且阻尼器出力很小(如圖8(b)6 s時刻以后)，這主要是因為阻尼器安裝時采用銷釘鉸接連接，銷釘外壁與連桿沒能完全接觸留有一定空隙引起的；從阻尼器出力時程可以看出，兩種被動控制阻尼器出力水平都已經(jīng)接近阻尼器設(shè)計出力水平。

圖8 在0.5 g的El Centro地震波作用下結(jié)構(gòu)底層相對位移及阻尼器出力時程曲線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)底層相對位移和頂點加速度響應(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。在本文試驗工況的安排下(先完成了無控狀態(tài)下各幅值地震動的所有試驗工況，隨后從小震開始重新進行0A和2A各幅值地震動的試驗工況)，假設(shè)相同地震動輸入的能量相等，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。由于施加阻尼器時結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于較嚴重的破壞狀態(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

本文對兩個放置了2年多的新型磁流變阻尼器進行了力學(xué)性能試驗，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。通過采用兩種被動控制下的一個1:4的三層鋼-混凝土結(jié)構(gòu)模型的模擬地震振動臺試驗，對比分析了無控結(jié)構(gòu)與采用passive off 和passive on兩種被動控制的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，結(jié)果表明采用passive off的被動控制策略，結(jié)構(gòu)底層相對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阻尼器可以用于強震下鋼-混凝土結(jié)構(gòu)的損傷控制中。