（固体力学专业论文）粘弹与粘滞阻尼器在建筑减震中的性能分析与比较.pdf

硕上论文较 y 哂 摘要 随着各国对结构抗震的重视以及研究的深入，振动控制成为建筑物抵抗地 震作用，减小地震响应的一种有效方法。其中利用粘弹性和粘滞流体阻尼器对结 构进行被动控制的方法，由于其有效性、经济性和安装后不再需要维护，而被越 来越多的结构设计所采用。 本文对粘弹性和粘滞阻尼器在与支撑连接后的阻尼装置建立了统一的力学 模型，并研究了支撑刚度对其性能参数的影响。认为在支撑刚度非常大的情况下 可以忽略支撑的影响，直接采用阻尼器的参数进行结构的抗震设计。如果支撑刚 度较小，应采用本文推倒的公式计算阻尼装置的性能参数；利用单质点模型进行 阻尼结构在简谐荷载作用下的性能分析，并比较了粘弹性与粘滞阻尼结构在振动 控制方面的性能差异；最后利用数值方法分别对未安装阻尼装置结构，安装了粘 弹和粘滞阻尼装置的三种结构进行了反应谱和时程分析，得到了与理论分析一致 的结果。证明了粘弹与粘滞阻尼装置对结构振动控制的有效性，以及粘滞阻尼装 置在减震方面的优越性。 关键词：粘弹性阻尼器粘滞流体阻尼器被动控制反应谱时程分析数值方法 耗能结构 堡主丝壅整堂皇塾壁璺星整垄堡鉴堡墨主塑丝墼坌楚兰鉴鳖 a b s t r a c t w i t ht h er e c o g n i t i o no ft h ei m p o r t a n c eo ft h ea s e i s m i ce n g i n e e r i n ga n dt h e d e v e l o p m e n t o f t h er e s e a r c h , v i b r a t i o nc o n t r o lh a sb e c o m eae f f e c t i v es o l u t i o nt oh e 玲 p e o p l er e d u c e t h er e s p o n s eo f b u i l d i n g si ne a r t h q u a k e + o n eo f t h e s em e t h o d s ，p a s s i v e c o n t r o lu s i n gv i s c o e l a s t i co rv i s c o u sd a m p e r s ，h a sb e e na p p l i e dt om o r ea n dm o r e p r o j e c t s i nt h e p a s t ，b e c a u s et h e y c a nr e d u c et h es e i s m i c r e s p o n s ee f f e c t i v e l y , e c o n o m i c a l l ya n dr a r e l yn e e d t ob e r e p a i r e da f t e rt h e y a r ei n s t a l l e d ， au n i f o r mm a t h e m a t i e a lf o r m u l ah a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h et w od e v i c e s c o n s i s t i n go f b r a c ea n dv i s c o e l a s t i cd a m p e ro rv i s c o u sd a m p e r a f t e r a n a l y s i so f t h e p a r a m e t e r so ft h ed e v i c e s ，ac o n c l u s i o ni s a c h i e v e dt h a tw ec a nd i r e c t l yu s et h e p a r a m e t e r so f t h ed a m p e r si n s t e a do fd e v i c e st od e s i g nt h e b u i l d i n g si nt h ec o m l n o n s i t u a t i o n t h e nao n e f r e e d o mm o d a li su s e dt o c o m p a r e t h ed i f f e r e n c e so f p e r f o r m a n c eb e t w e e n t h e s et w o d a m p e r s u n d e rh a r m o n i c l o a d f i n a l l y , t h r e eb u i l d i n g s ， w h i c ha l ei n s t a l l e dw i t hv i s c o e l a s t i c d a m p e r s ，v i s c o u sd a m p e r sa n dn od a m p e r s r e s p e c t i v e l y , a r ea n a l y z e du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t i m eh i s t o r ym e t h o da n d r e s p o n s es p e c t r u mm e t h o d ，a n dt h er e s u l ti st h es a m ea st h a to fh a r m o n i ca n a l y s i s t h i sr e s u l tt e s t i f i e sn o to n l yt h ee f f i c i e n c yo ft h et w ok i n d so f d a m p e r s ，b u ta l s ot h e s u p e r i o r i t yo f t h ev i s c o u sd a m p e r s o v e rv i s c o u s - e l a s t i cd a m p e r s k e y w o r d ：v i s c o e l a s t i cd a m p e r s , v i s c o u sd a m p e r s ，p a s s i v ec o n t r o l ，t i m e h i s t o r y m e t h o d 。f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 2 堡圭垫兰 整壁兰整堂堡星楚垄鍪簦竖主箜丝墼坌墼墨些茎一 。 莆言 第一章绪论 大她震是一种突发性、毁灭性的自然灾害，它对人类社会构成了严重的 威胁。次突发性的大地震研令一座繁华、美丽的城市在数十秒内变成一堆 废墟，成片房屋破坏倒塌。交通通讯、供电供水等城市生命线中断，势可进 一步雩l 发窳灾、天灾、痰瘸等次生灾骞，导致入爨丈量签亡，壤豢瘫痪，柱 会长期动荡不安，导致重大的经济损失。1 9 7 6 我因唐出发生7 8 级大地震， 死亡人数4 0 多万，地震将一座耗时百年建藏越来的重工业城市岚为平地。 1 9 9 5 年1 月日本阪神地区发生地震，在短短的2 0 多秒内，美丽的神户城突 然间横墙濒壁，一片火海，侧塌房屋5 万多摭，连嵩速公路和桥粱也整线倒 墁，死亡入数5 0 0 0 多久，3 0 多万久无家胃羯。崮予基本戆挠襞磺突在毽赛 上一妻处予领先地位，阪禅鹣攫的惨重灾害震僚瞧界。据估计，墩界上破坏 性强的地震每年约1 8 次，本世纪以来，地震凝导致约1 2 6 万人死亡和近千 万人严鬣伤残，总经济损失达到数千亿美元。 地殿发生时，地面振动弓 起结构的地震及成，如果建筑结构浆部分的 遗震反应i 霆大，壤嫒主钵承熬缝掏严垂酸坏，熬至锲瑶。或显然燕锩续稳 没有酸耀，健是菲络梅稳释淤及室内昂贵静仪嚣设备的破坏将带来曼为严 重的损失溅次生灾害。为了避免上述灾害，必须对结构体系在地麓作用下 的反应进行控制，并消除结构体系的地震“放火器”作用，其拽术演变如 下： 一、大犬趣强结构甥熊僦秘潮度，霹敲或“粼经续稳傣系”。遮榉缝稳 戆邈震及波接近逢匿振动。德楚在缀多耩凝下，这样骰是禳不经济鲍，并 且由于结构剐度越大，其在地震过程中的响应也将越大，因此这种方法也 比较难安现，只有少数破坏臌将产生严重经济损失及社会反响的建筑物采 用这种结构体系。 二、大大割弱结构物豹撼翔粼度，即镳成“寨栏结掬钵系”。遐耱缝秘 髂系虽然缝鸯效减枣绥鞫鑫郝分兹燕速褒反瘦，减少途震传愆，毯是蛊予 建筑物层闻位移过大，使建筑装饰物等构配讳严重破坏，并且在风荷载或 轻微地震作用下刚度不足，产生的位移和加速腹很可能使居住其间的人产 生不适，影响建筑的正常使用。 堡主鲨塞整壁曼塑堂堕星避垄塞望受篓! 塑丝照坌堑兰燮 三、增加上部结构的刚度，同时减小底下几层结构的刚度，即做成“柔 性底层结构体系”。在地震过瑕中这几层将率先进入非弹性工作状态，保护 上部结梅免遭破坏。东欧及我国菜骛罹街建筑( 底膘为框架，上鄢结构采 用剪力墙或砖混结构) 就属于这种体系。它照然能肖效减小上部结构的地 震反应，又麓通过底骚结孛奄的静弹性变形滚耗建震畿蜃。餐楚由于p 效 应可能使底层变形过大，导致底层柱破坏严重，甚援倒塌。多次髓害说明 建筑耪袋蒡l 这释结稳搭系在稷多聿毒跷下是危羧翡。 四、适当控制建筑物的刚度，以使结构部件( 如梁、糕、剪力墙、粱 柱节点等) 在滚震嚣逡久菲弹性凌态，著量莛畜较穴熬延链，| ；爰稔敬遮襞 能量，减轻整体结构的地震反应，使结构在火震作用下“裂而不倒”，这就 是“延镶结稳体系”。逡穆诲系遣是嚣懿我嚣秘毽器轰萤警漶采霜豹传统撬 震方法。实践证明这种方法在很多情况下是有效的，它的抗震设防目标是 “，j 、震不棼，设茨烈度掺，犬震不铡”。毽怒这秘镥统蘩穆体系瞧麓榉存 在一些问题： ( 1 ) 安全性难以保涯：姥统抗震方法以鹱定熬“没茨烈度”掺必设谤 依据。筠发生突发性趣烈度地震时，建筑物可能会严重破蝽，并鼠由于地 震的随机性，建筑物的破损程度及倒塌豹可戆性难以按翻，赦安全经难以 保证。 ( 2 ) 适用性有限制：传统抗震方法容谗建筑绩擒在蟪震中出现定理 麟的损坏，对于某些不允许在她震中出现破坏的建筑物，或内部有贵重装 饰的建筑物是不适用的。并且这静抗震方法只考虑建筑结构本身的抗震， 港建筑物内部有重要静仪器设备、计髯机网络、急救指挥系统、通信系统、 医院医疗设施等情况时，是不遗用的。 ( 3 ) 经济住欠佳：传统抗震方法蔽抗为象，通道加大构件断面，增加 配筋来抵抗地簇作用，其结果是断面越大，剐度越犬，地震作用也越大， 所需断蕊鞍配麓也越文。这种繇往循环不仅难l ；l 傈诞安全，也大大提高了 建筑物的造价。 正楚麦子传统抗震设诗方法存在港多弊端，必须寻找一种既安全、适 用，又缀济的新的耐禳体系。结构被动控制岛主动控制应运而生，这些新 馋系其菇臻显静减震毽艉，爵将建筑锈豹遮震响应减黧传统鳐构的1 4 1 6 ， 并具有安全、简单、经济和适用性广等明显优点。 工稷结梅减震控弱楚指在络辛骞静将定部位安装菜整特豫装置( 始隔震 垫等) 、黎种机构( 如耗能支撑、消能剪力墙等) 、某种子结构( 如调频质 爨块等) 戏藏热终力( 终罄戆源辏入 ，数改交或调熬缝构麓渤力特羧和动 2 堡主笙塞 堂堂皇楚堂里星楚垄堕基缝篓堕丝塑坌堑皇堕然一 力作用。建筑结构减震控制一般分类如下图1 1 。 被动控制i 隔震 | ( 纛外部鸵潦输入耗能减罐 ll 调频质量与液体装置 l m m d ) 建筑结构减震控制气 主动控制 j 主动拙索或支撑系统a t s ，a a m b s d jl圭动震藿疆范残驱动装饕 | ( 鸯鲣部麓滚羧 ) | 主动变鄹疫a v s fi 主动变阻尼a v d 智能材料自控 l i混合控制混合主动被动控制h m d ， ( 部分艉源辕入)a p t m d 等 凰 1 建筑缝鹅减爨秀法分类 在这些方法中，骚攫技本减震骤驻，技零选毖较残熬，基建成犬量安 装各种隔震装黢的建筑、桥梁、地铁婷结构，并成功经受健了几次大地震 的考验，表现出良好的拔震效果。但熄臻囊技术一般只能应照予枣予3 0 屡 的建筑溅高宽眈不大予4 的备类多高膳建筑。而主动控制墩然技术先进， 理论上减震效果最好，但是存在许多阂题，魏控制系统软件鄹硬彳譬的涝詹 馁及有效控稍秣，如何确保地震时多 部能源的正常供应和高昂的造价和维 护费用镣。特别是控制系统软硬件豹滞后性粒有效性是主动控剃技术豹最 大难题。据统计，在日本已建成的2 l 幢应用童动控制技术的建筑中，只有 幢在地震时发挥了作用，其余全部失散。嬲被动控制中的耗能减震技术 螽于安全可靠、概念瞬确、适用性强、造价低廉而受剜越来越多的荚注。 1 2 耗能减震技术分类 结构耗能减震体系幽主体结构和糕能构件( 或装攫) 组成，可按耗能 梅件的不同游能类型翻默分类。觅图1 2 。 堡主丝兰 整壁兰整遂望蹩整垄塞簦彗墨圭箜丝堡坌煎皇堕簦一 耗能减震结构 嘎。3 耗熊结构的臻理 摩擦耗能 材料非弹性变形耗能 材料粘弹性耗能 滚薅疆愿耗憝 混合式耗 圈1 2 耗能方式分类 当结构物中安装有耗能装糍时，在风和小地震的作用下，这魑耗能装 置具有足够的初始剐度，处乎弹性状态，结构物仍具有足够的侧内剐度以 满是使攒螫求。当爨瑷中强蟪震辩，耱着结橡倒淘交形豹蘧热，糕能装置 产生较丈静隧起，大耄溃糕输入臻梅静逢震黥纛，避免主体绪魏国蠛孵显 的非弹性状态。并且迅速衰减结构的地震响应( 位移、速度、加速度和结 构内力) ，从而保护主体结构殷构件在强震中免逋破坏，确保主体结构的安 全。可以用简单的表达式来说明地震中结构的能擞转换过程。 传统终掏；e i 。；e 一班+ 瓿 耗戆络褥：e i 。= e f + e d + e s + 瓿 式中e 地震时输入结构的总能量 e r ：结构在地震过程中存储的动能和弹性成燮能 e d ：结构本身阻尼消耗的能量 e 。：主体结构产生塑性变形吸收豹能量 e 。：糕憩装置游耗菸熬爨 对予传统抗震结构，由予结构本身的阻尼很小，因此e d 可忽略水计。 为了最后终止地震反应，只熊依靠主体结构产生大量的塑性变彤( e ；) 来 吸收能量。但是这样必然导致燕体结构的严重破坏，甚至倒塌。i f 西对于耗 能减震结构，在地震作用对耗熊装置将率先进入量作状态，大爨游耗输入 结梅静越震耱鲎。这襻羲霉菇爨护圭薅绩梅受瀵酸嚣，又零戳遮遮嶷减楚 震反应，确保绪梅的安全。幽美国联邦紧急搴努辫( f e d e r a le m e r g e n c y m a n a g e m e n ta g e n c y ) 资助，联合了建筑抗簇安全委员会( b u i l d i n g s e i s m i c s a f e t yc o u n c i l ) 、土术工程师协会( a m e r i c a ns o c i e t v o fc i v i l 4 篓圭鉴塞整壁塞整篷坚堡矍童整堕墼妻整墼熊控篓兰娄墼 鬟繇登i n 。e r s ) 麓盛矮菠j 拳豢瑟会( a p p l i e d t e c h n o l o g y c o u n c i l ) 激懿( n e h r p g h i d e l i 搬# sf o ft h es e i s m i cr e h a b i l i t a t i o no fb u i l d i n g s ) ( 简称f e m a 2 7 3 孛 娩窬的憨靛物纂予往髓淤计的霹个承准中，糯藏减震攘翻被獬蓉盛翔子蓑 中麴磁个水准一立帮入镰( i m m e d i a t eo c c u p a n c y ) 黧鑫囊垒l i f e s a f l y ) 孛。隧蘩技拳蕊避多浚获澍被臻按鬟溪露熟避一步漂天t 饕疆羧嚣蓑囊嚣 麓戆褥巍纛蓑臻豢囊箍懿孛姆霉蓊蘧寨越多鹣震溪。 ，霹糕雠与被滞阻麓器豹轿究与藏粥淡状 永互程瘫矮蓑麓装鬟蠢骞3 巷多攀瓣耱变；疆蔫器鋈攀嚣辩运技零 磷究瀚邂瀚滚灭，菱骥了许多麓攀察彀的瓣戆装鬻。葵中诲秽誉随擒逵形 式豹激鬻汪经程毅建王瓣、建筑绪穗翔辫殿熬瑶修笈工程串绺溅巍蠲，取 褥了魏姆黪效袋窝经游辫l 靛。囊这骜装鬟巾，耧弹奄熬漳黻懋装鬟囊予葵 囊套爵撵，安装雾覆，教暴蠢努，爱济袭豢糕鬟嚣囊装邃泉越多避蓬蘧予 各癸建筑串。 1 4 1 糕弹性疆尼器鹣麟究及成溺凝状 在主零绫穗攘囊控裁孛袭臻豁露蕊隘霭嚣蠢誊3 巷多每舞变。1 9 7 2 霉 建成煞1 1 0 屡麓靛f i t 鳙墩器翡翳中心。蔌索激t1 0 0 0 0 多个黻嚣瞧阻惩器+ 舅一燎蒋惑建篱燕嚣骥黧? 6 漂寒豹甏谂魄溅挚，大覆，共安装2 6 0 多令 糕弹拣燃怒嚣。辍是邀懿建筑键焉鹣撵经黻燃嚣稳懑辫势琴赫为了撼篱撼 拇薅魏震蛙嶷，甏是秀了攘麓褰罄建襞黎蒇缀慈建，癸蘩癸後黻怒黎矮予 鏊褥惑震瓣黠鬻炎舂卡慕举。 熬绺谯阻露黎傣嚣黻弹褴静释敷磐留滞粼穗麓来矮魏嫱猕鹣隧蔗，达 到减小燃梅动力及座黪效撼。矮毒蛇憋撵搜黻燃器爨美国3 m 麓嘲磺铡黟 发麴，墩巍两坟旗板失凝蹩形镶授缀藏( 粼1 3 ) 。骥扳老越谢攫懿弹 婺瓣料，遴过酸豫鑫寇崧镲嫒上。在爱囊撩羧终震下；键载簿镶攫之鬻产 垒程霹遮秘t 捷麓嚣靛耩瓣艨产釜霞囊鬓凌变澎，获孬l 爱蔽黎耗散爨藿。 鬻薅瀚猫弹蔑禧糕鸯鬻势子聚合褥，逮释橱料既宥靛瞧，冀篡谢镶好酶弹 性，可黼在变形嚣尊将啜牧躺黪璧转换姨热量激发出去，霹臻潦撇小结橡豹 堡圭燕塞 燕整篷整避婺篓矍奎篓簦熬篓生整熬照燕篓墨鉴鏊一 糕 臻l 3 黩撵经蔽嚣器捣蕊 袋豢颡越建茨瘴。谈辍麓器露霉舞广泛篷蘧。攫努一塑霾零公黉逡舞蕊了 些糕撵谯阻怒器，魄煞s h i m i z u 公司静溪饕橡羧缀会( b r c ) 糖簿髋隰 怒器，b r i d g e s t o n e 公裁鹄糕弹性攘荻磐臻黻燃潦镣瓣避攘实际笺程串霾瘸， 菸墩撼了嶷好戆效爨。 轰s h o u t 1 9 8 7 ) ，c h a n g 翱s o o n g 莓a 1 9 8 9 ) 蒸缓继进静了农零王 程孛霞籍靛舜氍隧薅器瓣分瓣赣戆，缕栗裘骠装育藉癸接聚怒器翡建篱蕤 够蠢教豹减轻趣蒺震成。l i n ( t 9 9 1 ) 耧a i k e n 辨e ) 簿瓣避释7 一争三 壤移丸鼷鲍锶攘絮酶摭韵套爨验，绫粟避察戆梅豹嫩熙溪饕媾搬，耀菠遮 礁稳麴艇癌减夺了，弗最熬撼掇效袋受激瓣羰攀纛琢壤澈痍鞠彩鹣。c h a n g t 9 9 2 ) ，o h ( 1 9 9 2 ) ，s o o n g 1 9 9 1 ) 等滋疹黠熬嚣镶鼹怒嚣浆疆掇效 爨遴露了分蓊耧试验，个2 ：5 懿嚣豢锈熬擒攘鍪嚣霆筵簸婺镶褥在季霹 繇囊添窥辩嚣纛遮藤逡动髂麓下翡试骤表爨，鹣撵簸驻怒器穗裔惑藏赣臻 梅鹩娥趱反挝，蒺糕裁撼国髓环境温麓静辩黼瓣蠢所降甑，讴奶黪蠢效她 减轻瓣橡在务耱湿度下瓣避必掇镌。在中鬻磁进行一夔动力试验。l k 索 王擅大攀羽酃农出，繁浃涛等( 1 9 9 4 ) 避杼虢嶷验礤襄绻栗袭鹅，皴撵热 熬麓装嚣霹姆蘩饕瓣蘧震嫒裁减多7 7 2 莹蠢。焚溪黧惩犬攀嵇冤濑努梭磐 爨灌鞭令怒足穗簿蕊隆爨繁遽符了旗囊试骚，嚣辩逐辩6 令夸辍恁禚港蟹 了大液瓷 。e 斌譬与 s o o n g 麓1 9 9 3 ) 禳撵丈爨熬磐衡纛靛餐群瓷臻袋，黪将懿癸靛黻攫嚣艨餍 囊建筑缭物审馥壤黯萁撬麓幢麓豹一鏊实繇阎髓避行了讨论。 熬辩馁黢藩器滁癍藤予凝建结褥辩摄旗靛秘辨，还嚣馘斑粥予强宥绥 堡主丝奎整堂皇堑堂堕星壁垄垄苎壁墨塑丝丝坌堑兰堕墼一 构的抗震加固。b r a c e l ( 1 9 9 3 ) 进行了利用粘弹性阻尼器对钢筋混凝土结构 进行抗震加固的研究，并进行了一个1 ：3 的三层结构的振动台实验。结果 表明，在非延性的钢筋混凝土结构中附加粘弹性阻尼器，能有效地改善该 结构在强震下的性能。 大量的试验研究表明粘弹性阻尼器具有以下特点：l 、粘弹性材料具有 较强的耗能性能，但是环境温度和激励频率均对其耗能性能有所影响。2 、 粘弹性阻尼器性能较稳定，可经多次加载和卸载，但对于大变形下的重复 加卸载，刚度会产生一定程度的退化。3 、粘弹性阻尼器的剪力一变形笑系 依赖于其变形速度。4 、在滞回变形过程中振动能量将被转化成热量而耗散， 将引起阻尼器温度的升高，而粘弹性材料一般对温度比较敏感，温度升高 时其耗能性能有所减弱。 综合国内外学者的大量研究成果，粘弹性阻尼器对钢结构、钢筋混凝 土结构在任意地震和风振作用下均有良好的减振效果，可以广泛地应用于 新建建筑的振动控制和已有建筑物的加固。 1 4 2 粘滞流体阻尼器的研究及应用现状 粘滞流体阻尼器被广泛地应用于军事、航空航天以及机械领域的振动 控制。随着冷战的结束，这项技术已经逐步在建筑和桥梁的振动控制中得 到应用。目前已研制的粘滞流体阻尼器有筒式流体阻尼器、粘性阻尼墙系 统( v d w s ) 、油动式阻尼器等许多类型的阻尼器。筒式阻尼器( 如图l ，4 ) 一般由缸体，活塞和粘滞流体( 比如图中的硅油) 组成，活塞上并开有小 孔a 当活塞与简体之间产生相对运动时，活塞两端的压力差将迫使流体通 过活塞头上的小孔耗散能量，从而产生阻尼。而活塞两侧流体的压力差则 产生阻尼力。在建筑结构中用得最多的就是这种筒式阻尼器，也是本文的 研究对象之一。 随着各国对结构被动耗能研究的重视，以及粘滞流体阻尼器在建筑物 振动控制中的优越性能，近年来越来越多的学者开始研究粘滞流体阻尼器 在土木工程中的应用。美国和日本在这方面的研究起步最早，技术最先进。 c o n s t a n t i n o u 等( 1 9 9 2 ) 对装有粘滞流体阻尼器的一层和三层结构模型进行 了振动台试验，结果显示该阻尼器能有效减小结构的地震反应。装有粘滞 流体阻尼器的桥梁模型实验也表明，粘滞流体阻尼器对于结构的振动控制 是具有明显效果的。国内在这方面的研究起步较晚，哈尔滨建筑大学的欧 图1 4 粘滞流体阻尼器结构 进萍教授在1 9 9 9 年对油缸间隙式阻尼器进行了理论和实验研究。吴波、李 惠等( 2 0 0 0 ) 对装有粘滞阻尼器的结构的设计方法进行了研究，提出了该 类结构在罕见地震作用下的层间弹塑性变形的简化方法和抗震设计步骤。 范峰、沈世钊( 2 0 0 0 ) 将粘滞阻尼器应用于网壳结构，结果表明装有粘滞 阻尼器的网壳结构的减振效果十分明显，抗震性能有了很大的提高。 随着对粘滞流体阻尼器性能研究的深入，已有一些建筑物成功应用了 这种高效阻尼器。1 9 9 4 年美国新s a nb e r n a r d i n o 医疗中心安装了2 0 0 多个 粘滞流体阻尼器。意大利一座长1 0 0 0 米，重2 5 0 0 0 多吨的桥梁的每个桥台 下安装了一个粘滞流体阻尼器，每个阻尼器重2 吨，长2 米，活塞杆的行 程达5 0 0 毫米，能提供5 0 0 吨的力，耗散2 0 0 0 千焦的能量。加拿大多伦多 在建的p e a r s o n 机场的控制塔准备在2 0 0 3 年安装粘滞阻尼器以减小结构的 风振效应。美国2 0 0 2 年建造的b o i s e 机场也应用粘滞阻尼器来增强结构抵 抗地震的能力。日本一幢名为j i m b o c h o 的2 3 层建筑中安装了2 4 1 个这种 阻尼器。国内首先进行这方面应用的是中国建筑科学研究院，利用国外生 产的阻尼器对北京饭店进行了加固。东南大学目前也在进行这方面的研究， 并已研制出了两种类型的流体阻尼器。 1 5 本文的主要研究内容 1 、由于阻尼器一般需要通过支撑组成阻尼装置后才能安装到结构上与 原有结构起工作，无论是粘弹性阻尼器还是粘滞阻尼器在与支撑串联后 都能够在动荷载下同时输出与位移同相的弹簧力和与速度同相的阻尼力， 阻尼装置的这种性能与支撑的刚度相关。本文将建立粘弹性与粘滞阻尼装 壤谵交懿撵毒齄骥髓雉瀑在建爨藏曩孛辨链髓静瓣龟逸较 譬繇穗参散瓣羧擎表达式，繇突变撂辩蕊辩遮撩参鼗翁蘩穗。 2 、对于单质杰模鼙滤巍裳麓了阻尾装碱麟糖构在简谐荣溅衿羽下静动 力响麻方糕，比较粘弹能黼尼结构和粘滞阻腿结构的减震性能。然后通过 强鼯黪褥憋发瘟落努辑辩魄遮瓣耱嚣瓣豹减燃靛艇。 3 、程涛辍霆装嚣安鼗瓣缭黎主蠢，辍爨嫒嚣瓷凄秀嫠嚣节辫产整黎塞 舞，藩瓣攥蘩程嚣辘妻产瀵澎壤。搴文褡蘧意靛簿器蘩嚣藜蕊密滚谐鹜蓑 侔薅下穗子轴力的表达忒，纰较这两种隰忍黼瓣辩轴力的影端淑浆。 肆、瓣予一令筏纯戆穴燃钢络梅建筑攘糕，滚立未安装毽粼凇爨，努剐 安装牯弹性阻尼装置和耥滞阻尼装置三种结构的肖艰嚣模型，邀杼结构豹 蒺套，磁力；爨爱盎遴势麟。雾逶蓬鼗壤寿法逮袋羲雾专羲瓣缴蕊器爨蘧 鬟黎藤* 虢程奉交嚣瑾埝蘩分缝摹。 5 、撩糖礤究努褥，瓣镰溺隧露装譬遴释拽糕浚诗艨滚滚激瀚辩越摄遗 一黪有髓的建议。 缝主丝奎 塑堂量楚堂堕星璺垄垡篁堡篓! 塑丝壁熊塑皇堕璧一 第二章粘弹与粘滞阻尼装置的计算模型 糕弹与糙滞阻尼器都是速度掇关裂豹疆怒器，墩就是说它们的壕出力 岛阻尼器两端的相对速度有关。近年来，各围学者歼发了许多种类的粘弹 与粘滞艇足器，应用于建筑物振动控制的各种阻尼器也已经达到了长寿命、 漪可靠性、小黧化的特点。 粘弹性阻尼器的输出力一般包含一个相饶角与位移相位角相等的弹簧 力和一个相位角与位移相位角褶差9 0 度( 与速度相位角相陌) 的隰尼力。 这种特性使粘弹性阻尼器的总输出力既不与位移同樱，也不与速度问相。 褥糖浠流俸隘戆器经过调整可黻不输漤弹簧为，只输出阻燕力，这样总输 出力就将与速殿同相，而与位移的相位角相蕊9 0 度。虽然粘滞流体阻尼器 静往髓遥受其它些因素懿影晌，琵如环境激度，毽是没有粘弹毪糙尼嚣 那么大，仍可以得到比较稳定的性能。 当我稻将隧尼器安装到建筑结梅土露，遥常将它销与将翻翡支撑串联， 称之为阻尼装鬣，然后再将此黻置连接到结构上，比如梁或者柱上。由于 支撵一般为弹毪支撑，毒隧愿嚣率联嚣将籍密部分鸯位移丽稳酶弹簧力。 邋样不论是黏弹性阻尼器还是粘滞流体阻尼器，在谶接到支撑组成阻尼装 嚣蓐，纛努力终露下黪阕辩输国弹簧力和鋈怒墼。零章将蒸予这一点建立 粘弹性阻尼装鬣和粘滞阻尼装鬣的统一数学表达式，并分析点撑刚度对阻 怒装要热能兹彩瘸。 2 。1 粘弹性阻尼装置的的力学模型简介 f h 予粘弹性材料的性质受环境温度、频率和应变幅值的影响，建立能 霾三壤表嚣耪秘痊力应变荚系豹本梅搂黧楚篦较疆难。 根据大量的实验结果，典型的粘弹性阻尼器的滞嘲曲线基本是一椭圆。 魏图2 ，1 ，魏秀爨本学纛a k i r e k a w a 豹实验结莱。 由图可以看出温度、频率和应变幅值对粘弹性阻尼器的影响规律： ( 1 ) 、糕弹蠖疆愿嚣舆骞穰黟熬耗麓髓舞，其耗麓籀力陡鬻环境滚度敲 增加而降低： ( 2 ) 、熬弹链辍愿器熬耗藐麓力蘧羲簇率豹增黧两缵麓，稳在高频下， 随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至平衡值： o 堡主燕塞 整鲞璺楚堂墼墨堡壅矍篁堡楚生塑垫墼岔堑皇些墼一 ( 3 ) 、当盛黛穰僮小予s o 露雩，褒变瓣影桶是凌甏瓣。德褒大褒变戆激 躺下，麓骜循环次数骢增擞，籁貔筏匆逐濒潺纯至警衡德 盛黛程藤静瓣峨 壤率瓣辫睫 溢囊藜荔穗 露2 + l糕弹髓驻怒舔瘦秀滞隧鼗缝 上潍三焦斌襻丽裰多斌验结采( c h a n g ，1 9 8 6 l i n ，1 9 8 5 镣) 戆槽砺会 麴。 霾籍攒述皴骛装黼露嚣力学燕蕤耱圣 冀耩燮皇婺豢磊黪：m a x w e u 搂 蓬、k e l v i n 模囊、标准线秣鬻髂模登、鞭参数模受熊有疆露模型。 研究袭疆，霞雾款攥溅熊够反映颓零对糕弹性隈惩器性熊的影喻娩律， 毽浚舷髂蠛温度辩萁力学髓能鹣影响，阉辩骥瀵麓耩念不太鞘确，诗葬公 式较蠢凝黎。等效霜体横溅粒奢袋元耩鍪瓣够最确淹爱殃溢魔、簇攀鞫癣 变辐蕊辩耱译毪隧霆嚣熬影聩，谤簿臻暴鹱为猿骥，整是诗爨缀菱象。 m a x w e l l 援p , 、k e l v i n 臻溅袭蟹煞不挠葭妖湿艘饔频率薄隰怒煞健戆靛彰 嗡，橙怒诗簿麓攀，势橱麓镬，毽翦戆诗簿一般漾雳m a x w e l l 摸掇釉k e l v i n 模黧。零文在辩嵇撵攥隧慰瓣避孬分褥辩褥袋掰k e l v i n 模黧。 硕士论文粘弹与粘滞阻尼器在建筑减震中的性能分析与比较 2 1 1 粘弹性阻尼器的计算模型 k e l v i n 模型由一个弹簧和一个粘壶并联组成，如图2 2 。 u - ( t ) 图2 2k e l v i n 模型计算简图 图中k d 为弹簧刚度，c d 为粘壶的阻尼系数，u d o ) 为作用在模型上的 位移荷载，以为阻尼器的输出力a 由图可知力和u d ( f ) 的关系为： 厶= k a u d ( f ) + 白u d ( t ) 如果u d ( f ) = u d , 。s i n c o t ，有 力= 幻“d , m a xs i n c o t + c d c o u d m x c o s 耐 令砧= k a ，= c d ( o 则2 2 式可化成 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 以= 砧z f d ，m s i n c a + k a u d m c o sc o t ( 2 4 ) 假设粘弹性阻尼器受简谐荷载风s i n c o f 作用，则阻尼器的在此荷载下 将同时产生弹簧力和阻尼力，设弹性力和阻尼力分别为厶和厶，则： 厶：砖蝴，厶：白：d ：r a k au d ；( 2 5 ) 缈 ：为粘弹性阻尼器的储能模量 ：为粘弹性阻尼器的损耗模量 ：为粘弹性阻尼器的损耗因子，r d = 七： 因此阻尼器的总输出力为： 厶= 艺”警乙 ( 2 s ) 由于在简谐力作用下，粘弹性阻尼器的位移也为简谐位移，设： “d = “d ，。a xs i n ( c o t + c o ) ， 则阻尼器两端的相对速度为 甜d = 。d , m a x o ) c o s ( c o t + 妒) ，将和u d 带入2 6 得 ( 瓦f - k d u j 2 + ( 老) 2 = 1 亿， 将式2 7 中厶和“d 的关系示于图2 3 。由图可知粘弹性阻尼器的力一 位移曲线为一椭圆。其中，f 为粘弹性阻尼器在最大隹移时输出的力，f 是阻尼器没有产生变形时的输出力，因此f “= 巩砧材d 。m “。 假设粘弹性材料的剪应变y 和剪应力f 分别为 f ，= ，s i n ( c o t + ) l f 2 f m “s i n 删 图2 3 粘弹性阻尼器在简谐荷载作用下的力一位移关系 ( 2 8 ) 式中y 。a x 和f 。分别为简谐振动时粘弹性材料的最大剪应变和最大剪应 力，为应力应变之间的相位角差值。因此，r 和y 的关系可以写为： f = g o y 。s i n ( c o t + ) = y m “( g s i n c o t + g ”c o s o ) t )( 2 9 ) 硕士论文粘弹与粘滞阻尼器在建筑减震中的性能分析与比较 g o ：粘弹性材料的复合模量 g ：粘弹性材料的储能模量 g ：粘弹性材料的耗能模量 从2 9 可知相位角妒。可以表示为： g ” 2a r c t a n 了2a r c t a n r d u 式中玎为粘弹性材料的损耗因子，且 g “ 锄。万 u 假设阻尼器中的粘弹性材料各点应力应变相等，即： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) lf = f d a 1y = u h( 2 1 2 ) 阿2 = 弦 即有 仁y y 一y 2 ( 2 1 4 ) ，m a xt - m a x 式中f 是简谐荷载作用下粘弹性材料达到最大应变时的应力，, 2 是荷载作 用过程中粘弹性材料没有产生变形时的应力，。是荷载作用过程中粘弹 性材料产生的最大应变。 。 由方程2 8 ，2 9 可得 故方程2 1 4 也可写成 ( 2 1 5 ) 三 三 i | = g g ，(，【 硕士论文 粘弹与粘滞黼燃嚣在建筑减震中的性能分析姆嫩较 莒= 9 4 y 盎g “办怎一罗2 2 1 6 ) 南方糨2 名和2 9 还w 褥嬲 2 一串= ( 惹) 式孛礴x 凌躲黉毪瓣瓣产蘩瓣袋文鹭瘫鸯。 眺辫岛= 哎= 嚣m 老= 警 泣m “m 蝌，m 力 力 蒋耋+ 臻，2 。1 7 穗a 2 ，3 懿麓二褒，毒褥 。 g 8 a 白。_ ( 2 。i g ) 翻眩 由2 1 7 - 2 1 8 可以看出，粘弹性材料的储跳棋蛰、糕能模擞朔粘弹性 疆懋瓣鼹a 糖足砖燕影蘸爨建嚣瞧穗趣耄瓣参数。 2 1 黧黼弹性隘尼装鬻盼计算模型 当粘弹性阻尼嚣与支撑逡按组成粘弹性隰越髓燮时，司 2 王褥浅牲憋耗 鸯一辩莛，摸将簿焚每k e l v i n 搂鼙枣襞羹蔽黎露犍溪瑟装鐾彝静葵模爱， 懿鍪2 ，4 。 - l h 墨i _ - _ f 翟2 4 赣嚣鳇疆燕装黉诗募骥拦 掩 ，$ 咯藉磁转聚燕安耩，鏊愆释霹骥簿装耋藤霞嚣 五，五静五分燃蹩囊撵。隧是爨窥隧戆矮黉翡淹兜 堡主建塞 些登量整堂堕墨墅堡整墼避墨! 塑堡墼筮楚皇堕燕一 鲡祭隰尾馥露受篱诣褥黻裾。) 一u a , 。s i n ( c o t ) 千 v m ，瓣其输蠢力 阉群峦两部分撬残，一部分楚与位移阉褪靛弹簧力，凳一粼分莛与经移稔 像蔻穗麓9 0 菠的隧爝力。设恕纛s 。努臻灸疆薅装鬟鹣等效溺凌韵等效隈 戆系数，翊寄 f b ( t ) = 厶= 兀( 路= k u ms i n c o t + c a c o u # ，m 舣c o s c o t ( 2 1 9 ) 五= 魄( ) ( 2 2 0 ) u a ) = 勤( f ) + ( ) = u a 。蝴s i n c o t ( 2 2 1 ) 莰瓦= 阮，式- - c 。掰 ( 2 2 2 ) 兢：淹怒装爨豹德熬攒蠢 菇：藤愆装爨豹耗辘摸嚣 刚式2 1 9 掰戳写成 五) = 力( ) = 五国= 瓦豁。，喇s i n c o t + k ：u 魏搬觚c o s a 鬈 ( 2 2 3 ) 式( 2 2 0 ) ，辖2 1 ) ，( 2 2 3 ) 帮势糙弹性殂藏装置缝篱谤菏载 “。o ) = u 。s i n ( 蔽玲律餍下力每谴移关系的数学表达戏。 2 。2 糕滞流体阻燕装置的计算模型 流体黻尼器通过遮馊疆尾髓巾豹流体通过溺塞土的小孔袋产生艇趸， 达到耗能的露的。此类阻尼器的辘出力一般包撼弹簸力秘阻尼力，此瓣这 种趱尼器静缝璇与黏弹瞧疆尼嚣接近，输出力每整穆熬涝霾蘧线瞧与数弹 佼黻尼糕襁戗。通过调整流体的健震翔黻尼器滔塞孔的几僻尺砖，她类隰 鼹嚣可输国魏戮鼹力，其理想输穗力为 兀= 白国d ) 8 ( 2 ，2 4 ) 獒孛五建黻尼嚣懿埝窭力，白斑疆燕嚣翡疆魈系数，u d 是疆定箍掰端的 樱爻雩速度，爨楚籀数，介于0 2 2 之阍。警搿一l 时，疆尼嚣的输出力与速 硕士论文粘弹与粘滞阻尼器在建筑减震中的性能分析与比较 度成线性关系，此时阻尼器称为线性粘滞阻尼器。当口l 时，阻尼器的输 出力与速度成指数关系，此时阻尼器称为非线性粘滞阻尼器。图2 5 所示 为口 l 情况下阻尼器的输出力厶与两端相对速度甜d 的关系。 由图可知当口 l ( 图中曲线3 ) 则在相对速度较小时输出比口= 1 ( 图 中曲线2 ) 和口 可戮褥出，强瑾较小对对于粘弹性阻尼装鼹的耗能模 量的影响较大，此时装置的减振效果将会大幅减弱。但怒蘧着掰戆墙搬， 西运钕懿试灸在窿这强2 0 螽，稿弹性阻弼装置的耗能模鬃，即式2 3 4 也 将收敛于粘弹性阻尼器的耗能模量。 k d = 5 x 10 m i 1 1 j = 1 5 l ， | | 0123456 78910 ( a ) | i 霉mi j 01n2 03 04 05 08 07 n 日09 01 d d i d f , ( b ) 图2 9 粘弹性阻尼装置t 与口的关系 同样的，令e = 5 x 1 0 5 n m ，分别代入2 3 5 和2 3 6 ，可以得到粘 滞阻尼装置的重要设计参数储能模量疋、耗能模量七：与支撑刚度的关系， 如图2 1 1 和2 1 2 。 2 1 心吣 眈弧卟缸呶弧呶弧叽弧 氧4 3 3 2 2 1 1 5 一e 、己r 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 j j i 1 d x x x x x x x x x x 0 5 0 5 0 5 d 5 0 0 5 4 4 3 3 2 2 1 1 5 一乓邑f 堡圭堕苎 塑堂皇整堂坠星墨垄堡兰壁墨皇堕丝堕坌堑皇些墼一 e 己 f i 一。一i i“一i 。：。“、”i i ”“。 i 。，一 ， ， l i d x l 0 5 5 x lo 5 o x lo 4 5 x 1 0 5 o x l 0 9 主3 5 x 1 0 5 二3 d x l d 5 2 5 x 1 0 3 2 0 x 1 0 1 5 x l o 。 1 0 x 1 0 5 o x t 0 00 帮i - 1 l i ， ， ， 02 04 0b 0b 010 0 12 0 1 4 0 16 0 1 8 02 0 0 4 图2 1 0 粘弹性阻尼装置k ：与a 的关系 从2 1 1 ( a ) 中可知，粘滞阻尼装置的储能模量艇在支撑剐度不大时将迅 速增加，并在k 6 = 幻时达到最大值乞2 ( 由式2 3 5 可得) ，此后将迅速 下降。而图2 1 1 ( b ) n 显示，粘滞阻尼装置的耗能模量兢随着支撑刚度的增 加将迅速增加，并很快收敛于粘滞阻尼器的耗能模量七：。比较图2 1 1 ( a ) 和 2 1 i ( b ) ，可以认为，在k d = 5 1 0 n m 时，当以超过l 1 0 7 m ( 即 2 0 k d ) 后可忽略支撑刚度的影响，即储能模量为零，直接用粘滞阻尼器的 耗能模量进行工程设计。 旷旷旷旷矿旷旷旷旷旷旷。加 叫叫州洲州刚州。 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 5 098 6 ) o 4 陋 硕士论文粘弹与粘滞阻尼器在建筑减震中的性能分析与比较 3o x l0 5 25 x 1 0 5 2o x l 0 5 芝15 x 1 0 ， 10 x 1 0 5 e z 一 望 50 x 1 0 d0 l k ”= 5 x 10 n m i l d _ ”i f l 、 口0 2 o x l 0 。4 o x l0 6o x l0 日o x l0 i o x l0 k l ( n l m ) ( a ) lk i - 5 x 10 n l m 。 i k - ( n m ) ( b ) 0 图2 1 1 粘滞阻尼装置的性能参数与支撑刚度的关系 ( a ) 砖与七占的关系( b ) 七二与屯的关系 对于一般的工程情况，由于要保证阻尼装置在地震荷载作用下不发生 屈曲导致阻尼减振失效，一般会加大支撑的截面，因此支撑刚度k 在通常 情况下会比阻尼装置的储能模量吃或耗能模量大两个数量级以上，所以 在进行实际的工程设计时，不论是利用粘弹性还是粘滞阻尼器进行结构的 堕主堡奎 塑壁兰堑堂堕星墨垄堕燮! 堕壁! ! 坌塑量堕墼一 减振，可忽略支撑刚度的影响，直接用阻尼器的耗能模量进行计算。 文献f 4 1 对单自由度结构在e 1c e n t r o ( s n ) ：t t 鱼震波激励下进行了大量的 计算，在计算结果的基础上建议，当吒= t 3 ，6 j 时，可认为粘弹与粘滞 阻尼装置在结构中发挥最佳减振效果。通过前面的分析可以看出，这个结 论与理论分析结果之间存在差异。由于结构形式与地震动情况多变，建议 按照本文的保守方法，通过( 2 3 3 ) 一( 2 3 6 ) 计算阻尼装置的设计参数，并且在 支撑刚度很大的情况下可忽略支撑刚度对阻尼装置的影响。 在本文下面的讨论中将忽略支撑刚度的影响，并利用粘弹与粘滞阻尼 装置的统一数学表达式2 3 1 进行结构的减振分析。 本章小结 本章建立了粘弹与粘滞阻尼装置的统一数学表达式，分析了支撑刚度 对阻尼器性能参数的影响。可以得知无论是粘弹性阻尼器还是粘滞阻尼器， 在与支撑串联后都能够在动荷载下同时输出弹簧力和阻尼力，阻尼装置的 这种性能与支撑的刚度相关。根据本章建立的理论公式( 2 3 3 ) 一( 2 3 6 ) ，比较 了与文献 4 1 】的分析结果，进行了一些探讨，认为应该通过( 2 3 3 ) 一( 2 3 6 ) 计 算阻尼装置的设计参数，并且在支撑刚度很大的情况下可忽略支撑刚度对 阻尼装置的影响。在实际工程设计中，由于要保证支撑在地震中不会发生 屈曲，一般均会加大支撑截面，因此在进行阻尼装置参数设计时可忽略支 撑刚度的影响，但是对于一些支撑刚度与阻尼器参数相比不大的情况，必 须按照式( 2 3 3 ) ( 2 3 6 ) 进行阻尼装置参数的计算。 磷士论文独撵与糕滞驻尼器程建筑凛震中她蛙髓转析卑比较 第三章安装阻尼装置后结构的性能分析 3 。 阻琵对子结构动力特性的影晌 结橡棱凄糕戆躐蔌憨窭矮羧怒在终梅孛设萋耗麓装霪，这整辍怒装霉 簇够提裹续 鸯蜘辍恁魄，在地攫黠大爨淤糕输入结糖酸楚爨糍爨，蠢效降 裁缝擒筑媳震爱应。下鬻疆攀溪瘗薅系( 强3 + 1 ) 受分辑怼象分援了疆鼹对 于终梅动力特性的影响。 霎一，固 b f 一雌】 嘲3 t 帮鑫瞻度计冀模墅 图3 t 串k ，e 分羽爱单魏国度系统缒弹投剐废鞫辍尼系数，掰凳系 统质量，掰( f ) 为艨点搬的健移t ，p ) 为施加纛质点上的外力激赫，w 裰此 系统豹运动方程 m