关于结构阻尼的认识

关于结构阻尼的认识

阻尼是反映结构体系振动过程中能量耗散特征的参数。实际结构振动时耗能是多方面的，具体型式相当复杂。而且耗能不象构件尺寸、结构质量、刚度等有明确的、直接的测量手段和相应的分析方法，使得阻尼问题难以采用精细的理论分析方法，而主要是采用宏观总体表达的方法。结构振动时耗能因素较多，但影响程度有所不同。一般认为振动过程中耗能因素有如下几方面：(1)结构材料内摩擦；(2)连接处干摩擦；(3)空气阻尼；4)地基土内摩擦；(5)地基中波的辐射耗能。当结构体系进入弹塑性状态时，构件的塑性耗能将远大于上述各项耗能，一般分析中不将塑性耗能纳入阻尼耗能，而是单独加以表达，地基土产生塑性变形时亦将耗散较多的机械能，是否作为阻尼考虑则视情况不同而定。对于大多数建筑结构而言，阻尼以考虑上部阻尼为主(偏于保守)。

目前公认的结沦是，以上部结构为主的结构体系具有在相当宽的频率范围内振型阻尼比不变的特征。而地下结构以及动力机器的大块式基础等的阻尼比则随频率的增加而增加，符合粘滞阻尼规律。根据这一结论，目前一般考虑的上部结构阻尼耗能因素中遗漏了一个重要方面，那就是填充墙围护部分内部耗能及其与主体间的摩擦耗能。笔者认为，上部结构阻尼耗能中，干摩擦耗既是最主要的部分，因为空气阻尼耗能只占总阻尼耗能的很小部分，一般为总阻尼的1％左右，显然可不考虑。如果以材料内摩擦为主，由材料科学研究可知，材料内摩擦耗能源于振动过程中原子

换位所引起的能量损耗，这一过程常称为弛豫，与振动频率是密切相关的。频率太高，原子换位来不及发生，无损耗；而频率太低，弛豫完全能完成，亦无损耗。只有与弛豫过程有适当配合的应力频率，才会发生最大的内耗。内摩擦耗能的特性说明，上部结构中材料内摩擦耗能不是阻尼耗能的主要部分。上部结构中阻尼耗能以于摩擦耗能为主，因此必然得出振动一周耗能与频率无关但与最大位移有关的结论．而这正是公认的上部结构阻尼实验和实测的结论。即使是考虑钢筋混凝土构件开裂后裂缝面相互运动导致阻尼提高，其实质显然也是于摩擦，而非材料内摩擦。材料内摩擦是微观意义上的摩擦，而裂缝后混凝土构件内的摩擦是宏观意义上的摩擦，应届于干摩擦。

根据上述分析，目前一般采用的动力分析模型是不可能细致表达阻尼特征的。因为一般结构分析总是着限于主要的结构构件，而将填充围护等附属部分作为质量、荷载考虑，但实际振动过程中，阻尼耗能恰恰主要发生于这些附属部分内部及其与主体构件间的摩擦，一般的阻尼研究和实验往往也忽略了附属部分的影响，因而结论不尽合理。

上部结构阻尼的实质是以连接及附属部分内部及其与主体结构间于摩擦耗能为主的耗能机制．阻尼耗能显然应与质量(反映附属部分大小)和刚度(反映位移大小)有关(于摩擦的摩擦系数则应与质量和刚度均有关)。

明确了阻尼的实质，还需要寻求合理的表达方法。经过近百年的

研究，已经提出了各种各样的阻尼表达方法，主要分为两大类：粘滞阻尼和滞回阻尼(复阻尼)。粘滞阻尼假定阻尼力与速度成正比，无论对简谐振动还是非振动得到的振动方程均是线性方程，不仅求解方便，而且能够方便地表达阻尼对频率、共振等的影响，是应用最为广泛的阻尼模型，通过将阻尼系数与结构体系的质量、刚度相联系，可以方便地构造出具体的阻尼系数，是目前最常用的阻尼表达方法。滞回阻尼假定应力应变间存在一相位差，从而振动一周有耗能发生。已经提出了各种各样的滞回阻尼模型，其特点是可以得到不随频率改变的振型阻尼比，因而一般认为能较好地反映上部结构阻尼。但该模型在理论上只适用于简谐振动或有限频段内的振动分析，多年来不少学者试图将其推广应用更一般的动力响应，即推广为无限宽频带上的定常阻尼力，都遇到了有悖于物理事实的困难。按照本文对阻尼实质的分析，滞回阻尼模型显然不够合理，不能考虑附属部分耗能影响。同时滞回阻尼将导致复数形式的刚度(所以这种阻尼又称复阻尼)，这对于一般时程分析而言，计算将比较复杂，因而复阻尼实际应用并不多。