碰撞减震器性能初探

陈永辉 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230022）

1 引言

为了抵抗地震对结构物的破坏，已研究了多种减震、隔震方法，但各种减隔震方法都有其固有的缺陷。如基础滑动隔震措施，存在着滑移量大及对高耸结构来说有倾覆可能的缺点，因此，在进一步研究已有减隔震方法的同时，探索新的减隔震方法是很有必要的。

碰撞减震器的工作机理是通过结构物的振动，带动其内部可动体的运动，通过可动体反复地撞击结构物，达到减小结构物振幅的目的。这种减震器减震的主要途径是通过结构物和可动体之间的动量交换来实现的。

2 碰撞减震器理论分析

图1 碰撞减震器示意

采用待定参数法求解体系的稳态运动，来分析碰撞减震器的参数m、碰撞间隙d对碰撞减震器工作性能的影响。

在求解的过程中，碰块和结构碰撞后的速度，可根据动量守恒定理及恢复系数的定义，由碰块和结构碰撞前的速度求得，碰块和结构碰撞的判断条件由下式确定。X为结构体的位移、Y为滑动体的位移。

首先提出了碰撞减震器的一般解法，继而对一种简单常见且又效果极佳的情况—（激励）一周内两次等间隔碰撞的情况进行了深入细致的讨论，推导了碰撞位置任意及碰撞位置为平衡位置时，体系的运动方程，并讨论了由平衡位置处的碰撞来选择碰撞间隙d的减震效果。做出了几组参数的幅频曲线，并和无碰撞减震器的情况进行了对比。分析了质量比、恢复系数、碰撞间隙对体系幅频曲线的影响，提出了选择质量比、恢复系数及碰撞间隙的以下3点建议。

①质量比u=0.05～0.10；

③恢复系数e在0.4附近。

其次，用数值方法模拟了碰撞减震器从静止到稳态的运动。研究表明，碰撞减震器的减震效果是显著的。

图2 钢碰块的理论与试验幅频曲线

图3 铜碰块的理论与试验幅频曲线

图4 双碰块减震机构

图5 加弹簧约束的碰撞减震器

最后，根据上面的分析及参数选择的几点建议，做了一个模型，进行了动力模型试验，分别就自由振动及强迫振动的情况进行了测试。体系的自由振动时程是先按直线衰减，当振动的幅值显著减小后，再按指数衰减；体系的强迫振动表明：第一、在绝大多数的激振频率下，体系的运动基本上是（激励）一周内两次等间隙碰撞；第二、采用碰撞减震器后，振幅有显著的减小。最后，通过理论和试验曲线的比较，验证了理论分析的正确性，见图2、3。

以上的研究都是针对“简单碰撞减震器”进行的，它存在着过大的撞击力及碰撞距离d难以改变的缺陷。针对此矛盾，我们提出了2种改进方法—同层双碰块减震机构（图4）和加弹簧约束的碰撞减震器（图5），并进行了模拟分析，同时和无碰撞减震器的结构振动情况进行了对比，说明这两种碰撞减震器的减震性能是不错的。

几组参数对地震响应的最大位移比 表1

3 地震反应计算

选择了美国加利福利亚的Elecentro地震波（1940年 NS）、Parkfield地震波（1966年N65E）及我国唐山地震迁安波（1976年NS）分别对不同结构进行了计算，并和无碰撞减震器结构的地震反应曲线进行了比较，说明碰撞减震器对地震波也是具有一定的减震效果的，见下表1。

4 结束语

本文是以弹性结构体系为对象进行研究的，但完全可以认为对于弹塑性结构体系，采用碰撞减震措施，会取得更好的效果。

我们做的只是理论上的探讨，具体地要在工程上实现还是有很多问题有待解决。应该指出碰撞减震的研究还有许多的工作要做，如：同层多碰撞减震器的理论分析；多层结构装有碰撞减震器（全部或几层）；碰撞减震器加约束；碰撞减震的弹塑性研究；结构参数的最优化选择；碰撞的稳定性分析等等，都是有待进一步的研究。

碰撞减震器是在结参数难以改变的情况下，一种被动的减震方法，将这种减震方法和其它的减（隔）震方法联合使用，应该会在减震隔震方面带来更好的效果。

设计碰撞减震器时，最好能掌握建筑场地的卓越周期，把周期的长短作为选择碰撞减震器参数的一个主要指标。