阻尼及阻尼在结构中的作用分析

阻尼及阻尼在结构中的作用分析
摘要:阻尼对结构的振动反应有重要的影响，阻尼比是阻尼作用在结构体系振动过程中耗能减震能力的参数。

目前结构设计通常对某一类结构的阻尼比取为常数中的定值，这不能完全真实反映建筑物的阻尼,且未能反映同一类结构阻尼比的变化规律。

本文通过对阻尼的机理、阻尼的影响因素，阻尼的作用，阻尼比的计算，阻尼比在结构设计中的取值，阻尼在结构中的应用等进行具体分析，以便结构设计者对阻尼有更好的了解及，对结构进行更好的、适当的调整。

关键词:阻尼，阻尼比
引言
阻尼（英语：damping）是指物体或系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征，使振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用。

阻尼技术在航天、航空、军工、机械等行业中广泛应用，二十世纪七十年代，人们开始逐步地把这些阻尼技术应用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，阻尼技术能在结构中振动中耗能减震，并被广泛应用[1]。

一．阻尼的机理
阻尼的机理有两种形式：一种是因摩擦阻力生热，使系统的机械能减小，转化为内能，这种阻尼叫摩擦阻尼；另一种是系统引起周围质点的震动，使系统的能量逐渐向四周辐射出去，变为波的能量，这种阻尼叫辐射阻尼。

阻尼比（ζ）指阻尼系数与临界阻尼系数之比，表达结构体标准化的阻尼大小，是无单位量纲。

阻尼比（ζ）一般可分为：ζ=0；01共4种情况。

阻尼比ζ=0即不考虑阻尼系统；结构常见的阻尼比都在ζ在0~1之间。

二．阻尼的作用
主要有以下五个方面[3]：
（1）有助于减少结构的共振振幅，从而避免结构因震动应力达到极限造成机构破坏；
（2）有助于结构系统受到瞬时冲击后，很快恢复到稳定状态；
（3）有助于减少因结构振动产生的声辐射，降低机械性噪声及损害。

许多结构构件主要是由振动引起的，采用阻尼能有效的抑制共振，从而降低损害；
（4）有助于提高其动态性能，较高的抗震性和动态稳定性；
（5）有助于降低结构传递振动的能力。

在结构的抗震的隔振结构设计中，合理地运用阻尼技术，可使抗震效果显著提高。

三．阻尼的计算
经过近百年的研究，已经提出了各种各样的阻尼计算方法，在此仅做在简单探讨。

阻尼主要分为两大类：粘滞阻尼和滞回阻尼(复阻尼)。

线性粘滞阻尼是最常用的一种阻尼模型，阻尼力F的大小与运动质点的速度v的大小成正比，方向相反，记作F=-cv，c为粘性阻尼系数，其数值须由振动试验确定。

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，求解方便，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。

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。

这对于一般分析而言，计算比较复杂，因而复阻尼实际应用并不多。

四．阻尼比在结构设计中的取值
对基本处于弹性状态情况的结构，各国的阻尼比取值并非完全一致，我国各种结构中阻尼比取值如下表：
阻尼比取值汇总
五．阻尼的影响因素
1.广义阻尼的影响因素：
1.1材料阻尼，这是能量耗散的主要原因；
1.2周围介质对振动的阻尼；
1.3节点、支座联接处的阻尼；
1.4通过支座基础散失一部分能量。

建筑结构阻尼的影响因素：
一般认为建筑结构振动过程中耗能因素分为外部阻尼和内部阻尼。

外部阻尼分为：空气阻尼、地基土内摩擦、地基中波的辐射耗能等。

外部阻尼作用机理复杂、影响因素众多,在结构设计中通常忽略。

内部阻尼指建筑结构本身具有的阻尼性能,作用形式为结构材料内摩擦与连接处干摩擦，包括建筑材料阻尼和结构形式阻尼。

2.1材料阻尼
钢筋混凝土是钢筋、粗、细骨料和水泥等组成的复杂材料,内部微观缺陷较多,如钢筋和水泥石、骨料和水泥石结合面处的缝隙,阻尼性能主要来源于缺陷处界面摩擦阻尼,其阻尼比要高于钢材。

文献[4,5,6]通过试验研究了钢筋混凝土的阻尼性能，认为普通钢筋混凝土阻尼性能的影响因素主要是:混凝土强度、构件的纵向钢筋配筋率和维护结构。

2.1.1混凝土强度对阻尼比的影响
根据阻尼产生机理的分析,材料内部缺陷越大,其阻尼性能越强,阻尼比也就越大。

对于混凝土而言,随着强度的提高,混凝土的密实度增大,弹性模量提高,因此内部缺陷减小,其阻尼比必然降低。

这与文献[4]通过试验研究结论相符。

2.1.2配筋率对阻尼比的影响
钢筋改变了混凝土内部的结构,引起构件阻尼性能的改变。

当纵向配筋率为1%时,钢筋混凝土构件的阻尼比最大,随着配筋率的提高,阻尼比开始减小。

文献[5]通过试验研究还得出如下结论:配箍率对构件的阻尼性能影响不大。

2.1.3维护结构（砌体）对阻尼比的影响
砌体是由砌块和砂浆组砌而成的结构,在荷载的作用下,结构的变形主要来源于砌筑砂浆,因此砌体结构的阻尼性能也决定于砂浆的阻尼性能,文献[7,8]分析得出，砌体在振动时,砂浆与砌块之间的相对摩擦运动又将进一步提高砌体结构的阻尼性能,因此实测砌体结构的阻尼比均较大。

2.2结构阻尼
结构形式对阻尼比有影响，建筑物是由很多构件连接而成的整体,在构件之间的连接和交界面处存在着很多缝隙,称为结构的初始缺陷。

结构振动时,在这些缺陷处发生摩擦运动消耗能量,从而引起阻尼效应。

2.2.1根据施工方法不同,钢筋混凝土结构分为现浇结构和装配结构。

装配式结构为预制构件拼接在一起的结构,构件之间一般通过焊接或浇筑混凝土连接,结构整体性差,振动时构件相连接处将会产生较大的相对摩擦运动,因此结构表现出较高的阻尼性能和较大的阻尼比.现浇结构中的主要受力构件为整体浇筑,结构整体性好,振动时构件之间的相对摩擦运动小,因此结构的阻尼性能弱于装配式结构。

2.2.2从结构组成上看,钢筋混凝土建筑主要由钢筋混凝土构件、砌体填充墙和门窗幕墙等附属构件组成。

附属构件刚度较弱,其对结构总阻尼性能的影响较小;而砌体填充墙数量多、刚度大、与钢筋混凝土构件接触密切,因此它不但提高了结构的抗侧刚度,也大大提高了结构的总阻尼性能。

因此,填充墙的相对数量越多,结构阻尼性能越强。

2.2.3从结构变形的影响上看，建筑物内部缺陷分布和大小是随机的,因此在振动过程中不能同时发挥作用,结构振动变形越大,就有越多缺陷被激发,因此结构也就表现出越强的阻尼性能,相应阻尼比也就越大，即阻尼比随着结构变形的增大而提高,这已被大量的试验研究所证实[6,7]。

六．阻尼比实测数据及分析结论
为了掌握建筑结构阻尼比的变化规律,通过以上分析及文献[8]进行了大量实际建筑的阻尼性能测试,得出如下结论:
(1)随着建筑物高度的增大或层数的增加,结构的自振周期延长,阻尼比减小;
(2)钢筋混凝土结构阻尼比通常大于钢结构阻尼比;
(3)内部隔墙较多结构的阻尼比大于隔墙较少结构的阻尼比;
(4)阻尼比与振幅大小成正比。

七．阻尼在结构中应用的建议
建筑物在地震和强风作用下发生振动,而结构具有的阻尼性能对振动反应的剧烈程度以及结构在振动中的损伤程度都有重要的影响。

随着高层建筑的发展和
高强轻质材料的广泛应用,建筑物的高度越来越大,风振和地震反应在结构设计中已经成为主要控制因素,因此在设计阶段合理估计结构的阻尼性能变得十分重要。

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。

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分析的方法。

综上所述，笔者认为结构设计者要从宏观上对结构的计算结果进行分析和把握，对临界状态的结构进行合理的控制和调整。

结束语
由于阻尼机理的复杂和试验结果的高离散性,人们一直没有提出具体可行的阻尼比具体计算方法,在工程设计中还是采用几十年前提出的常阻尼比,这一方面制约了建筑结构抗震设计理论的发展,同时也可能使结构设计中存在安全隐患。

本文探讨了建筑结构阻尼机理和阻尼性能影响因素,分析了建筑材料和建筑结构阻尼比的关系，反映了建筑结构阻尼性能的主要影响因素。

希望这些问题的探讨对工程结构设计及调整有一定的指导意义。

参考文献:
[1]杨志勇、李桂青、瞿伟廉《结构阻尼的发展及其研究近况》[J].武汉工业大学学报,2000,20(3):38~48。

[2]GB50011-2010《建筑抗震设计规范》。

[3]比尔兹CF.《结构振动分析(振动结构的模型、分析和阻尼)》[M].北京:中国铁道出版社,1998。

[4]柯国军、郭长青等《混凝土阻尼比研究》[J].建筑材料学报,2004,7(1):35~40。

[5]石建军、胡绍全等《钢筋混凝土材料阻尼值的实验研究》[J].四川建筑科学研究,2003,29(3):14~15.
[6]尚世英、董至仁《钢筋混凝土构件阻尼值实验研究》[J].工程抗震,1993,(4):18~19。

[7]刘铁军、欧进萍《水泥砂浆强度和阻尼增强掺料及试验》[J].低温建筑技术,2003,(1):8~10。

[8]补学东《成都市七层混凝土空心小砌块试点建筑动力特性测试分析研究》[J].成都建筑,1994,(2):38~41。