阻尼器在消能减震结构中的应用

阻尼器在消能减震结构中的应用

摘要:当前科学技术突飞猛进,越来越多的抗震、减震结构中都运用了消能减震技术。笔者对阻尼器在建筑土木中的应用情况进行了阐述,其中包括阻尼器本身的耗能原理、类型以及结构组成,另外还有此领域所取得的丰硕成果以及发展动向。

关键词:消能减震阻尼器应用

现阶段,消能减震对于结构抗震来说是至关重要的,其对结构的动力特性进行了改变,在地震荷载的作用下,有效对结构的动力进行控制。从古至今,遍布全国各地的建筑结构广泛的采用了减震技术,这些建筑结构经历了多次地震的洗礼和考验,直到现在依然完好无损。这一切足以见识减震技术的有效性,这些需要我们继续进行深入的研究分析。用“以柔克刚”将“以硬制强”予以取代,把“消能减震”取代“增强结构”,结构在面对大地震的时候能够做到“大震不倒”,同时增大阻尼可对结构的在遭遇地震时的加速度和位移进行有效地控制。

当前,将阻尼器安装在建筑结构中进行减震耗能,这是迄今为止较为普遍的耗能减震的方式之一。例如,北京饭店以及中国革命历史博物馆的抗震加固工作中就运用了阻尼器,此后消能减震技术在我国进行入了一个全新的发展时期。

1 结构的消能减震装置

经历了长时期的发展,消能减震器的类型越来越多,通常包括位移相关型、速度相关型以及其他类型。金属阻尼器以及摩擦阻尼器都算作位移相关型,只有位移达到一定的界限后其作用才能发挥;粘弹性阻尼器算作速度相关型,其性能受速度影响较大。

1.1 粘弹性阻尼器

通过粘弹性材料和约束钢板的安装组合就形成了粘弹性阻尼器。早在20世纪60年代纽约的世界贸易中心大楼为减少风荷载震动就安装了数以万计的粘弹性阻尼器。粘弹性阻尼器可以将交变应力所产生的能量进行储存或者以热能的形式进行消耗（见图1）。

粘弹性具有很强的消耗能力,而且非常之敏感,制作和安装工艺简单方便,同时也比较的可靠、稳定和耐用。但是周围环境的温度和湿度会对粘弹性阻尼器耗能能力产生较大明显,如果应变量超过一定限度粘弹性材料就会产生较多热量造成非线性形变,其耗能能力难免受到影响。

1.2 粘滞阻尼器

军事以及航空领域经常会用到粘滞阻尼器,但目前也应用于建筑振动控制之中,其原理是通过活塞杆的运动压迫液体通过活塞小孔,进而产生较大的阻尼力,最终实现了能量的耗损。

粘滞阻尼器具有很多优点,结构的阻尼力得到了有效的提升,自身

结构在较宽的频带内依旧保持线性反应,外界温度的变化对其影响不大,除此之外阻尼力和位移并不保持同步,能够对层间剪力和加速度进行较好的控制。但其自身的制作工艺难度较大,容易出现粘滞液体渗漏的现象。但是粘滞阻尼器的减震耗能效果非常的好,在土木工程领域的越来越受到青睐（见图2）。

1.3 金属阻尼器

金属阻尼器是由数块X形状的钢板构成的,结构振动会导致X型钢板产生侧向弯曲,从而使能量得到消耗。这种原理来自于20世纪70年代Kelly等人所提出的金属良好的滞回特性可以消耗大量的能量从而对有效的对地震反应进行有效的控制（见图3）。

金属阻尼器的优点在于其具有良好的耗能性能,安装构造非常简单,性能可靠稳定,不宜受外界环境影响。维护成本较低。它可以单独在相应的建筑结构部位进行设置,同时也可以同隔震系统相配合使用,能够为建筑结构提供较大阻尼和刚度,它的发展前景不可估量。

1.4 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器的耗能方式是通过两个固体之间相对滑动所产生的摩擦力进行产生阻尼力实现对能量的耗损。如果施加的荷载较小或者遇到小地震,那么装置不会发生摩擦滑动,但如果遇到强震,该阻尼器会将结构的自振频率予以改变,这样也就实现了了减震耗能的目标（见图4）。

1.5 电磁阻尼器

电磁阻尼器与上述阻尼器有很大差别,它是一种全新开发的阻尼器,它会将金属板在磁场中动能转化为电热能进行消耗。

涡流板相对磁盒运动的过程中会将本身的机械动能转化为电能,电能通过电阻热的形式进行耗散,这是从能量守恒的角度来考虑的;但如果从力学角度进行分析的话涡流板运动的过程中会产生阻尼作用,这就起到了减震的功效。电磁阻尼器属于一种全新类型的耗能减震器,它的安装构造比较简单、成本较低、占用的体积相对适中、性能稳定可靠。

2 消能减震技术的优点

2.1 消能减震结构的优越性

第一,消能减震结构的能够预先进入耗能状态,能够对地震能量进行有效地吸收和耗损,它的耗能效果比起传统的抗震方法要有效得多。

第二,消能减震结构的造价成本比较低廉,比起传统的抗震措施会节省很多开支,尤其是运用到既有建筑的加固中,节省的成本会更明显。

第三,跟传统的抗震结构相比,它的修复过程比较简单,只需简单地对减震器进行修理或者换取,提高了修复效率,有助于震后生活的及时恢复。

2.2 与其它抗震技术比较,消能减震技术的优点

第一,安装及结构构造比较简单,无需外界能源供给,操作简单,成本较低。

第二,应用范围广,不管什么类型的建筑都可以安装应用,另外可以同时对结构的竖直和水平地震力进行控制。

2.3 消能减震技术有待探索的方面

首先,在理论方面完成在弹塑性状态下对三维阻尼器模型的求解分析。

其次,阻尼器的布置不应对结构立面和美观要求产生影响。

最后,加快研制出全新的低成本、高效能的新型阻尼器。

3 阻尼器在消能减震结构中的应用实例

实例1:20世纪80年代在日本对同一建筑进行了装有粘滞墙体和未装有粘滞墙体进行对比试验,试验数据表明在装有粘滞墙体情况下要比无粘滞墙体情况下的加速度值要小50%左右。另外日本在20世纪90年代在一幢高层建筑中安装了数百个阻尼墙,建筑的有效阻尼比

得到了有效地提高,结构的动力反应降低高达70%多。

实例2:银泰中心坐落于北京长安街,高达62层,是北京的最高的建筑之一。该建筑结构安装了七十多个液体粘滞阻尼器,有效地提高了结构的抗风荷载能力,同时也对结构的减震耗能产生积极的意义。

4 结语

阻尼器的应用技术和结构组成不断的发展完善,越来越多的应用到消能减震结构之中。其本身结构简单、安装快捷方便、减震耗能效果好、成本低廉,发展前景不可估量。

参考文献

[1］郑久建,孟凡兴,刘瑞勇.粘滞阻尼器减震结构分析及设计方法［M］．沈阳:东北大学出版社,2009．

[2］朱坤,邹向阳,王晓天.新型电磁阻尼器性能初步研究［J］.世界地震工程,2009,25(4):194－198．