建筑论文：新型黏滞阻尼器力学性能试验研究及实用仿真

建筑论文：新型黏滞阻尼器力学性能试验研究及实用仿真

第1章绪论

1.1选题背景与意义

“正常”地壳震动，有机会引发地震，这是不可避免的。全球地震每年发生500多万次，根据地震的统计数据：人类能感觉到的超过50000次；可以造成伤害的超过1000次；可以造成灾难的大约十几次；超过8级以上的平均每年约有1.2次[1]。严重的地震会导致结构在几秒钟的时间内产生严重损坏，可以在短时间之内让车水马龙的城市变成无人问津的废墟[2]。地震也可能引起次生灾害，如海啸，火山爆发、山体滑坡、核泄漏、煤气泄漏、化工厂毒气泄漏等，是最具破坏性的，也是最严重威胁到人类和自然的自然灾害[3]。我国和其他国家人民的生命及财产遭受了巨大的威胁及损害，都是由已经发生和将要发生的地震造成的：2011年3月，在日本发生剧烈地震，不仅引发了海啸，也导致了核电站泄漏，日本全国乃至周边地区都造成了巨大的影响。2008年在四川发生震惊世界的 5.12汶川大地震，超过

69000人死亡，超过18000人失踪，数百万人无家可归，约8451亿人民币的直接经济损失。2010年4月14日，在中国的青海玉树地区发生7.1级地震灾难，超过2000人死亡，受伤人数超过12000人，约十万人住房被摧毁，直接经济损失超过6400亿元。总之，考虑到地震对人身安全性、建筑物、经济构成会造成严重损害，由于地震的偶然性，不能准确预测，又由于地震发生的必然性，设计合理的减震防灾结构预防地震所造成的严重破坏成为需要。各个国家的科研人员及政府部门为了减少地震造成的损害，都在积极探索着新的方法[4]。工程结构耗能方面，很多国家已把研究成果在工程实践中应用，并发展新研究方向。在地震发生次数较多的国家，耗能减震已经成为研究领域的一个大热点[5]。

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1.2国内外研究现状

近年来，结构阻尼减震系统得到了快速发展，随着各项检测技术的不断提高，测试方法和计算方法不断改进，能量耗散系统已经逐渐取代了传统的地震防震体系成为结构抗震的第二道防线。与常规地震部件比较，粘滞阻尼器被广泛用于结构不仅提高了抗地震和抗风震结

构的性能，还大大节省人力、财力和物力。美国国家地震研究中心，对工程中使用的实验模型进行了研究，加州大学伯克利分校地震研究中心也做了很多类似的科研，以证明在工程应用中阻尼器的可能性；Taylor公司和Enidine公司开始生产油阻尼器[11-13]。1992年日本西滋卡市的建筑SUT大厦，最早使用粘性阻尼减震系统，结构采用粘性阻尼墙系统，帮助该结构增加了27％的阻尼比，通过动态分析，粘性减震壁的减震系统可以有效地减少了70％至80％的结构的地震响应，以确保结构完整性[14]。采用耗能支撑加固的方案，通过分析和论证，加固后的结构阻尼比增加20%，北京展览馆在8度地震作用下结构的层间位移能有效的保持在弹性范围内，能达到预期的加固目的[15]。宿迁市建设大厦安置粘滞阻尼器，显著改善结构的抗震性能，避免梁，柱，墙断面选择的困难，从而使多遇地震和罕遇地震时，楼层位移都能能够满足规范规定的限值[16,17]。东南大学研究实验室和香港理工大学设计的双杆粘滞阻尼器安置在西安长庆石油勘探局，风荷载作用下的塔顶点最大位移，降低了的53.5％，在地震中，塔顶点位移下降68.0％，这表明粘滞阻尼器具有良好的减震效果[18]。芝加哥战士体育场（美国）看台第一次安装TMD阻尼系统来控制由于观众移动和突发性事件引起的骚动可能带来的振动甚至倒塌。结构安装36个流体粘滞阻尼器，来配合TMD系统，以达到预期的目的[19]。Constantinou和Symans[20]所研究的三层钢框架（按照1/4比例模型），通过对粘滞阻尼器的数值模拟和试验结果比较，证明附加的粘滞阻尼器可以达到减小30％~50％的横向位移及40％~70％的层间剪力。南

京工业大学的刘伟庆等人[21]对方钢管混凝土框架结构设置缸式粘滞阻尼器来进行减震试验，得出框架结构的力—位移滞回曲线是相对充实的平行四边形，同时基本重合的5个周期的滞回曲线表明黏滞阻尼器具有良好的能量耗散能力及稳定性。纽约世贸中心大厦就安装有约10000个粘弹性阻尼器，西雅图哥伦比亚大厦、匹兹堡钢铁大厦等许多工程都采用了结构减震技术[22]。

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第2章黏滞液体阻尼器基本理论

2.1引言

《建筑抗震设计规范》[34]规定，结构消能减振设计是指在房屋结构中设置消能装置，通过其局部变形提供附加阻尼，消耗输入上部结构的地震能量，达到预期设防要求。消能装置中安装有阻尼器（又称消能器），阻尼器的功能是，当结构构件（或节点）发生相对位移（或转动）时，产生较大阻尼，从而发挥消能减振作用。为了达到最佳消

能效果，要求消能器提供最大的阻尼，即当构件（或节点）在力（或弯矩）作用下发生相对位移（或转动）时，消能器所做的功最大。这可以用阻尼器阻尼力（或消能器承受的弯矩）—位移（转角）关系滞回曲线所包络的面积来度量，包络的面积越大，消能器的消能能力越大，消能效果越明显。消能器主要分为位移相关型、速度相关型及其他类型。速度相关型消能器对结构产生的阻尼力主要与阻尼器两端的相对速度有关，与位移无关或与位移的关系为次要因素。本文研究的新型黏滞液体阻尼器作为代表性的速度相关型阻尼器，其输出阻尼力与阻尼器两端的相对位移无关，但是同阻尼器两端的运动速度密切相关[35]。在结构中，黏滞液体阻尼器是作为耗能减震装置而安装的，它的最重要组成部分就是液压装置：活塞、油缸、导杆、密封圈、粘性介质、阻尼孔隙、其他小零件等[36]。在地震荷载的作用下，黏滞阻尼器和结构一起受力，由于受到结构传递给阻尼器的推力，使得活塞往复运动（活塞上设计有阻尼孔），活塞两边的腔体会出现压力差，粘性介质由高压的腔体流向低压的腔体，当粘性介质流经过阻尼孔便会产生阻尼力，使得地震能量得以耗散[37]。大量试验研究表明，黏滞液体体阻尼器一种速度相关类型阻尼器，其刚度值为零。

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2.2黏滞流体阻尼器的构造形式

根据不同的活塞杆结构形式可分为单出杆粘滞阻尼器和双出杆粘滞阻尼器；基于活塞结构类型不同、耗能效果不同，又可以可分为：孔隙型、间隙型、混合型阻尼器三类。接下来就对前述内容从耗能机理和性能优劣两方面给予详细介绍[39]。普通的黏滞流体阻尼器几乎都选择单出杆这种形式[40,41]，构造形式如图2.1所示。当活塞由内向外运动的时候，部分被抽出的导杆使得油缸内产生空腔，造成活塞两侧油缸腔体产生压力差，使得流体在压力差的作用下流向另一侧。反之，当活塞由外向内运动的时候，部分活塞杆挤进油缸，使得油缸中的介质受到压缩，被挤到另一侧。由于粘性介质在理论上属于不可压缩性材料，当单出杆阻尼器受到外力推动活塞作用时，阻尼器内的油压快速上升，达到某个限定的数值，活塞无法继续运动，就会产生顶死现象。相对于顶死现象，单出杆阻在活塞杆向外运动的时候还会产生真空现象，这是因为密闭油缸的容积突然增加。单出杆阻尼器产生的阻尼力在拉、压工作条件下是不一致的，这样是不可靠的，所以为了消除上述的顶死和真空现象，单出杆型阻尼器会在油缸末端设置一个调节油箱（见图2.2），当活塞杆由外向内运动时，受到挤压的油液流入调节油箱，而当活塞杆由内向外运动时，被吸出的油液可以从调节油箱得到迅速的补充，这样就避免了出现顶死和真空现象。由一个压力阀和一个单向阀通过复杂的加工工艺制造成一个调节油箱，这样的单出杆阻尼不能产生很大的输出阻尼力，再加上其不合理的经济