粘滞阻尼减震阻尼结构测试与优化设计

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摘要:本文介绍了粘滞阻尼器的选用原则,就选用方式方法及所要达到的目的进行了分析,之后介绍了粘滞阻尼器的安装形式及各形式的优劣,最后就阻尼器的安装位置进行了探讨。

关键词:粘滞阻尼 测试 安装 位置

近几十年来,新型的抗震方法不断涌现,其中消能减震方法是其中应用较多的一种。这种方法通过设置减震阻尼器以提高结构的阻尼为目的,变传统的被动承受地震作用为主动消耗地震能量,取得较为显著的减震效果。

1.粘滞阻尼器的选用

阻尼是指使自由振动衰减的各种作用,而提供这种作用的设备或装置即阻尼器。作为结构用的粘滞阻尼器其耗能作用需要在安装前予以必要的测试,而面对着形式众多、材料不一的各种阻尼器,如何选择合适的测试依据和方法是一个急需研究的问题。

根据美国在阻尼器测试方面的经验,阻尼器的优劣测试经历了如下几个过程:计算模型试算工程应用模型实验联合测试编制测试、设计规范长期监测全面检测。实际上,美国在粘滞阻尼器测试的发展历程也可以作为现在阻尼器测试的内容,如在设计、测试准备期,以计算机模型作为计算内容,通过后可通过实验室实验对模型进行测试,并且在投入使用后进行长期全面的进行监测,以保证阻尼器的正常使用。

在对粘滞阻尼器进行选择时,除了在外形上能够满足工程所需,更重要的是在其性能上能够符合设计要求,而主要需进行测试的内容主要有以下几方面:

1)负载能力:包括最大承载力和最大冲程,主要决定于缸体材料和密封性能。

2)耗能效率:通过阻尼器的简谐振动曲线计算其耗能效率,

这里,looparea 阻尼力和位移滞回曲线面积

F max,F min 最大和最小阻尼力

D max ,D min --最大和最小位移

具体效率要求我国规范仍未有强制性规定,参照美国规范要求耗能效率达到82.5%以上。

3)频率检测:通过该项测试确定阻尼器在不同频率振动时阻尼器的变化,以能确定阻尼器在实际工程中适用于各种振动,并且在各种振动情况下其性能变化满足要求。

除了以上几项基本测试外,产品的一致性、耐温及耐久性试验也是重要内容。

通过以上各种形式及内容的测试我们使粘滞阻尼器达到使用的要求,这些要求主要包括:

1)定量性,即除了能考虑到阻尼器的减震作用外,还能对阻尼器的具体阻尼力、对结构阻尼的变化进行精确计算,保证设计出的结构的安全。

2)适应性,即阻尼器能在各种环境、条件下正常使用。

3)一致性,即使同期使用的阻尼器的性能保持一致。

2.粘滞阻尼器的安装形式

随着阻尼器在结构抗震、抗风等项目上应用的发展,很多结构上都采用了不同安装方式、组成不同类型的安置模型。总结目前阻尼器在结构上的安装方式,主要有对角支撑、人字型支撑、套索式支撑、剪刀式支撑等几种(图1)。

对角支撑安装即通过固定装置使阻尼器斜向安装,此种安装方式较为简单,在施工上也较为方便,但是由于此种安装方式固定装置和阻尼器在整个安装面上所占面积较大,因此,安装后对于门洞和窗户的设置不利,另外在受力上,固定装置安装的节点所承受的负担较重,可能会在特殊情况下使节点破坏。

人字型安装即通过人字型固定装置使阻尼器呈水平布置,较对角支撑安装复杂,且节点较多,当安装位置横跨较大时,装置的侧向稳定需要进行验算。但人字型安装方式减震能力强于对角型安装,并且不会对门窗的布置产生太大影响。

套索型安装及剪刀式安装是在新兴发展起来的两种安装形式,与传统安装方式比较,能更好的增加结构阻尼,增大阻尼力,减震性能更为优越。但是,这两种安装方式工艺均较为复杂,容易产生附加的应力,对施工工艺要求较高。

不过,不管采用何种安装方式,均不能保证阻尼器的安装方向与地震作用方向一致,出于地震作用的特殊性与多样性,安装方式的选择以符合工程特点和便利性为标准。

3.粘滞阻尼器的安装位置

在最早出现安装阻尼器的结构中,由于没有常规合理的设计方法,一般将阻尼器均匀安装在建筑的各层中,随着建筑层数的增加和结构设计方法的发展,发现这种设置方式一方面大大增加了结构的造价,另外一方面在受力上并不是最合理的方式。而通过合理改变阻尼器在各层的安装数量和安装位置,则会得到最为经济和合理有效的布置方式计算。

在进行位置设计时,主要考虑的问题是结构的可居住性即层间位移和转角满足结构要求,而最大位移则满足抗震规范要求。现在常通过多次循环计算逐个布置方法解决安装位置的设计,但这种方法计算量过大,并且没有实现总体优化,因为后布置的阻尼器对前布置的阻尼器的影响并未予以考虑。

粘滞阻尼器在我国的应用实践仍不长,除了在一些经济发达区域少量使用外,使用范围不广。且目前在使用过程中,由于计算方法不明确,一般仅仅是在采用常规设计方法满足规范要求后作为一种抗震性能储备措施使用,大大削弱了阻尼器的作用。

在将来,通过对阻尼器的性能测试、最佳安装方式的确定、合理的设计方法,粘滞阻尼器将成为一种常用的减震措施,为结构提供可控、精确、合理的减震作用。

参考文献:

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