1. 引言
低频隔振系统一般指固有频率在2 Hz以下,主要实现方式有气浮振动控制系统 [1] [2] 、准零刚度振动控制系统 [3] [4] [5] 等,在超精密工程微振动控制等领域中发挥了重要作用。
低频隔振系统的振动控制效果较好,但由于体系较柔,当面临地震作用时,将产生较大的水平变形,会造成隔振基台大变形甩出、隔振器破坏以及隔振基台上的精密装备损坏,需要采取措施控制其地震作用变形。
![](//html.hanspub.org/file/2-2820142x7_hanspub.png?20230404103534535)
Figure 1. Numerical model of vibration isolation platform
图1. 隔振基台数值计算模型
2. 低频隔振基台
如图1所示的钢筋混凝土隔振基台,考虑了基于质刚重合的自由度解耦,台板尺寸为1 m × 1 m × 0.1 m,下挂尺寸为0.5 m × 0.5 m × 0.2 m,体系的竖向设计频率为1.0 Hz,水平刚度为竖向的0.7倍。ANSYS环境下,基台用solid65单元模拟,隔振器采用combin14单元模拟 [6] 。图2给出了体系的水平及竖向模态。
(a) 沿x向平动(0.84 Hz)
(b) 沿y向平动(0.84 Hz)
(c) 沿z向平动(1.0 Hz)
Figure 2. Horizontal and vertical modes of vibration isolation platform
图2. 隔振基台水平及竖向模态
考虑如图3所示的三向地震加速度输入,图4给出了台面中部某点在地震作用下的水平变位(不考虑体系阻尼比),可见台面最大水平变形达到了4 cm。
3. 体系阻尼比对地震水平变形影响研究
实际工程中,对于气浮振动控制等低频隔振系统,一般具有较大的阻尼比,图5给出了体系阻尼比ζ = 0,ζ = 0.1及ζ = 0.2下体系的地震水平变形,可见阻尼比的增加不能显著降低水平向变形,即使阻尼比增加到0.2,其x、y向最大水平变形也达到了3.5 cm、3 cm。
4. 附加双向水平粘滞阻尼器
粘滞阻尼器在桥梁 [7] [8] 、建筑结构 [9] [10] 振动控制中已经广泛应用,在工业装备 [11] 中也进行了应用,为此,考虑将粘滞阻尼器引入,开展变形控制研究,附加双向水平粘滞阻尼器的隔振基台如图6所示,为不影响隔振基台的竖向隔振性能,实际工程中,粘滞阻尼器与隔振基台可采用滑轨式连接等方式,具体不在本研究中阐述。
典型的速度型粘滞阻尼器力学模型如下:
(1)
其中,F为阻尼力,C为阻尼系数,v为相对速度,n为速度指数,其范围一般为0.1~2.0。
ANSYS中的combin37单元可以通过较为繁琐的参数设置后,模拟式(1)力学模型的速度型粘滞阻尼器 [3] [4] 。combin37单元为非线性一维单元,由2个单元活动节点和可选的2个控制节点组成,整个单元的复杂非线性行为主要由控制节点产生,如果不设置控制节点,该单元与一般的弹簧阻尼器单元相同,combin37的力学原理如图7所示。
![](//html.hanspub.org/file/2-2820142x13_hanspub.png?20230404103534535)
Figure 4. Seismic horizontal deformation of a point in the middle of the platform
图4. 台面中部某点的地震水平双向变形
(a) x向
(b) y向
Figure 5. Impact on seismic horizontal deformation with the change of damping ratio
图5. 体系阻尼比变化对地震水平变形影响
![](//html.hanspub.org/file/2-2820142x17_hanspub.png?20230404103534535)
![](//html.hanspub.org/file/2-2820142x16_hanspub.png?20230404103534535)
![](//html.hanspub.org/file/2-2820142x18_hanspub.png?20230404103534535)
Figure 6. Vibration isolation platform with bidirectional horizontal viscous dampers
图6. 附加双向水平粘滞阻尼器的隔振基台
为了实现粘滞阻尼器特性,该单元选项定义如下:
KEYOPT(1) = 2;
KEYOPT(2) = 1;
KEYOPT(3) = 1或2 (1代表施加x方向阻尼器,2代表施加y方向阻尼器);
KEYOPT(4) = 1;
KEYOPT(5) = 1;
KEYOPT(6) = 2;
KEYOPT(9) = 0。
本研究中在隔振基台x和y方向分别施加一个粘滞阻尼器,其阻尼系数为1 × 105 N/(s·m),指数常数为0.4。图8给出了粘滞阻尼器的位移——阻尼力滞回曲线。由图9可见,附加粘滞阻尼器后,可以有效降低隔振基台的地震水平变形。
![](//html.hanspub.org/file/2-2820142x19_hanspub.png?20230404103534535)
Figure 7. Mechanical schematic diagram of combin37 element
图7. combin37力学原理图
(a) x向
(b) y向
Figure 8. Displacement-damping force hysteresis curve of viscous damper
图8. 粘滞阻尼器的位移——阻尼力滞回曲线
(a) x向
(b) y向
Figure 9. Seismic horizontal deformation with bidirectional viscous dampers
图9. 引入粘滞阻尼器后的地震水平变形
5. 小结
本研究对低频隔振基台的地震变形进行了研究,并对比研究了不同体系阻尼比对地震变形的影响,结果显示体系阻尼比的大幅增加,不能有效降低地震水平变形。在增加体系阻尼比的基础上,进一步考虑附加双向水平粘滞阻尼器,可以显著降低地震水平变形,阻尼器出力曲线也较为饱满,能够良好地发挥控制变形的作用。
本研究对于丰富低频隔振系统的地震变形控制措施具有一定意义,可指导实际工程应用。
基金项目
国机集团科学技术研究院有限公司青年基金项目“高层建筑实验室集群多源振害控制及运维监测关键技术研究与应用”;中国机械工业集团青年基金重点项目“大科学工程群微纳级环境振动控制关键技术研究与应用”;中国机械工业集团重大技术开发专项“建筑与装备工程振震双控关键技术研发及应用示范”。