基于阻尼耗能技术的土木结构振动控制

城市建筑Ｉ建筑论坛Ｉ　ＵＲＢＡＮＩＳＭ　ＡＮＤ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　ｌ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＡＬ　ＦＯＲＵＭ　基于阻尼耗能技术的土木结构振动控制　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄａｍｐｉｎｇ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈ　ｎｏｌｏｇｙ　●赵云辉●ＺｈａｏＹｕｎｈｕ　【摘要】本文对近几十年来基于阻尼耗能技术的振动控制　低，耗能能力比较弱。故地震能将会引起结构的较　会造成阻尼器智慧曲线的变形，从而影响其耗能性　技术，诸如粘滞阻尼器、金属阻尼器和颗粒阻尼技术等进　行了回顾与总结。　［关键词】阻尼耗能振动控制粘滞阻尼器颗粒阻尼　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｖｉｅｗ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｙ　ｏｎ　ｉｖｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｍｍＩｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｅｎｅｒｇｙ　ｄｉ－　ｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｄｅｃａｄＩｅｓ．ｓｕｃｈ　８Ｓ　ｉｖｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐ－　ｅｒｓ，ｍｅｔａｌ　ｄａｍｐｅｒ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　ｆＫｅｙｗｏｒｄｓ】ｄａｍｐｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｅｒ，ｐａ・　ｒｔｉｃｌｅ　ｄａｍｐｉｎｇ　引言　在科研和工程中，新的减震技术和方法在不断　提出。但在各种振动控制形式中，基于阻尼耗能技　术的振动控制，因其效果显著、结构简单、使用方　便等一系列优点广泛应用于国民经济建设的各个领　域。正因为阻尼技术有着如此广泛的应用价值，对　它的研究、开发和利用也越来越受到人们的重视。　一、阻尼耗能技术介绍　任何一个工程结构系统在受￣Ｕ＃Ｉ－界的干扰或激　励时都会产生响应，这是因为激励使系统获得了能　量的输入。同时，系统又能将输入的能量通过某种　机理转变为热能或其他能量形式而消耗掉，使输入　能量和耗损能量保持平衡。这种系统耗损能量的能　力称为阻尼。对于稳态过程，对系统必须持续不断　地输入能量。只有与阻尼耗能相平衡，才能维持系　统的持续稳定振动。　阻尼耗能技术是以阻尼耗能机理为理论基础，　阻尼的产生机理按物理现象的不同可以分为工程材　料的材料阻尼、流体的粘滞阻尼、碰撞阻尼等，这　主要是通过将机械能转化为可以耗损的热能来实现　的。目前，阻尼耗能技术的主要应用形式包括结构　自身材料阻尼和外加阻尼器耗能两种。而外加的阻　尼器有粘滞阻尼器、智能阻尼器、金属阻尼器，以　及近年提出的颗粒阻尼器。　二、阻尼耗能技术研究和应用进展　１．结构自身阻尼耗能　在地震作用下，建筑桥梁结构动力学方程为：　ＭＸ＋ＣＸ￣ＫＸ＝一ＭＸｇ　Ｍ，ｃ，Ｋ分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵，ｘ、　ｘ和ｘ则分别是结构的位移、速度和加速度向量，ｘｇ　为地震作用于结构上的加速度向量。地震施加于结　构上的能量将由阻尼项消耗或变为结构的变形能，　但由于结构上构成结构自身的材料阻尼特性较弱。　如普通混凝土结构或钢结构，其阻尼系数一般比较　大变形，从而造成结构的破坏失效。　２．外加阻尼器耗能　（１）粘滞阻尼器　液体粘滞阻尼器最早应用在军火工业。随着美　国桥梁工程领域对粘滞阻尼器的应用，其逐渐进入　土木工程师的视野，被逐步应用到桥梁工程、高层　建筑和机器基础等工程中。使用粘滞阻尼器吸收或　消耗地震或风振的能量，具有很好的经济效益和控　制效果。　在桥梁、高层建筑以及建筑物的抗震加固领域，　国内外已有较多成功的粘滞阻尼器的工程应用实　例。例如南京长江三桥、吉林省龙岩松花江上７孔　连续梁桥、重庆菜园坝长江桥、武汉阳逻长江大桥　等都正在安装不同的阻尼器产品。又例如在北京银　泰中心，它东西长２４７ｍ，南北宽１４６ｍ　由３栋塔　楼组成。在其电梯井简四周设置了液体粘滞阻尼器，　并根据结构设计，共采用了１６４个粘滞阻尼器。还　有美国波士顿的ｌ１　１　Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ大楼，为３８层高　层钢结构。大楼阻尼器设置以层间布置为主，它一　定程度上保证了阻尼器从下到上的均匀性。其中一　半阻尼器按对角布置，另一半采用效率较高的套索　布置形式，将阻尼器的效率提高到２倍以上，对结　构抗风起到了很好的作用。　（２）金属阻尼器　目前，实际应用中比较常用的金属阻尼器主要　有三类，即铅阻尼器、软钢阻尼器以及形状记忆合　金。由于铅阻尼器恢复性比较差且对环境容易造成　污染，工程中应用受到限制；形状记忆合金则因为　价格高体积小，在土木中应用不经济。相比之下，　软钢阻尼器取材方便、造价较低，对环境以及温度　的适应性较强等多种优点，在新建建筑物和加固改　造工程当中具有很好的应用前景。软钢阻尼器利用　软钢的良好屈服特性，即塑性段的滞回性能。　繁　霉｛　墓　霉　图１双ｘ形软钢阻尼器（图中单位为ｍｍ）　但是在某些方面软钢阻尼器也存在着不可避免　的缺陷，主要表现在其可恢复性较差、滞回性能则　受形状影响比较明显。例如加工过程中产生的误差　２０１　能。如此一来，就对软钢阻尼器的形式及构造有严　格的要求。如图１所示，即为目前常用的双ｘ形软　钢阻尼器。　’　（３）颗粒阻尼技术　Ｈ．Ｖ．Ｐａｎｏｓｓｉａｎ博士１９９ｉ年提出一项阻尼新　技术——颗粒阻尼技术。原理是将微小颗粒按照一　定填充率填充到振动结构内部或附属的空腔内，结　构振动引起颗粒之间以及颗粒与空腔壁之间的非弹　性碰撞和摩擦。以此消耗能量，产生阻尼效应，从　而达到抑制结构振动的目的。颗粒阻尼不仅结构简　单、效果明显，还适用于高温、辐射、腐蚀等恶劣　环境，这些优点吸引了很多学者和工程人员开始对　颗粒阻尼进行各方面的深入研究。早期的研究主要　集中于飞机机翼和发动机涡轮叶片等航空机械领　域，国内闰维明等人逐渐将其引入到土木领域，并　进行了实验和理论分析。根据研究结果，闫维明提　出了颗粒阻尼技术应用于建筑物振动控制的安装位　置。　１）建筑隔墙位置　隔墙是较为理想的颗粒阻尼技术应用位置，譬　如对于轻质砌块隔墙，可以在其砌筑过程中安装。　２）地暖的水管之间位置　地暖是目前冬季需要采暖的城市正在推广使用　的地面采暖方式，热水管及其面层的空间高度基本　在１００ｍｍ左右，水管之间有３００￣４００ｍｍ的空间填　充。素混凝土．颗粒阻尼器可以布置在水管之间，　顶部与水管一样做面层。　３）梁式楼梯的楼梯板下位置　梁式楼梯因为梯梁的高度影响了一部分高度的　使用空间，在梯板下梁侧安装颗粒阻尼，既不占用　使用空间，隐蔽性又较好。　４）屋顶架空保温隔热层　保温隔热层是所有位置中最理想的颗粒阻尼安　装位置，不管屋面是上人屋面还是不上人屋面，颗　粒阻尼均可布置在保温材料（水泥蛭石、膨胀珍珠　岩或者焦渣）中。在上述位置上安放颗粒阻尼，不　仅不占用建筑物的使用空间，而且可以克服普通阻　尼器的不足，在一定程度上实现分布式阻尼。　颗粒阻尼对结构的控制效果受多个参数的影　响，诸如结构振动幅度、颗粒阻尼在结构上的分布　位置、颗粒填充率、颗粒总量、以及颗粒本身特性　如尺寸、材料、和形状等。颗粒阻尼具有很强的非　线性对颗粒阻尼的数值计算不仅包括计算其内部颗　粒之间复杂的相互作用，还要计算颗粒的复杂运动　状态以及颗粒的各种耗能特性。目前，对颗粒阻尼　的研究工作还处于发展和完善阶段。　（下转第２１Ｏ页）　５候车室　三、地下换乘空间功能的明确性、针对性、安全性　１．换乘空间的交通流线组织　换乘距离的长短是决定换乘便捷性的主要方　比　是的少直全　信　乘识　面，换乘距离长则会出现换乘时间长的问题。　换乘流线交叉处是最容易出现交通问题的地　可要有境　电　缂螂轫　刳　睨　舰艇　债中　体瓤　点。人流、车流都集中在这一点，从而影响换乘的　顺畅。　２．换乘空间的导向　空间导向就是人们如何确定他们身处何方，以　及如何到达一个特定的场所的过程，建立一个具有　良好导向性的空间的就是便于人们的定向与寻路。　首先是标识，学生通过标识有“学生专用”的楼梯、　自动扶梯进入到地下室，地下室安装有标识指示灯　指引方向，将学生指引到“候车室”。这整个过程中．　换乘空间的形态、光线的强弱、颜色明亮、材质舒　一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一～一一一一一～一一一一～一～一一一一　取，保证良好的结构振动控制效果。我国也缺乏大　型的阻尼器生产企业，与国外的差距还很大。无论　设计、旃工还是检测，都需要我们进・步的努力，　适等部将使换乘空问的导向性更明确。　３．换乘空间的步行系统和服务设施　学生步行系统的连续性不能被城市道路切断，　因此我们在设计“学生专用楼梯”时，必须将其设　（上接第２０１页）　三、结语　［２］彭程，陈永祁．液体粘滞阻尼器和ＴＭＤ应用于高　层结构的抗风效果对比［Ｊ］．工程抗震与加固＿改　造，２０１３．　对庞大的士木工程结构而言，依靠自身的阻尼　耗能特性抵抗外来地震作用并不可靠。随着新型阻　尼耗能技术的不断提出．利用结构添ＪＪｌｊ外部元件或　内部添加元件的方式实现结构振动控制方式都体现　了较好的控制效果．但都有其各自的适用范围。应　当根据实际需要和振动控制方式的特性进行合理选　这样才能将阻尼器更好地应用于实际　ｌ’：程。　参考文献　［１］严斌．大跨度斜拉桥非线性粘滞阻尼器参数研究　［３］闫维明，张向东，黄韵文等．基于颗粒阻尼技术的　结构减振控制［Ｊ】．北京工业大学学报．２０１２．　（作者单位：广州龙穴置业有限公司）　［Ｊ］．铁道标准设计，２０１３．　２ｌ０