粘滞阻尼减震结构研究与应用

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摘要:本文介绍了粘滞阻尼减震技术的概念与原理,然后对其中所涉及到的粘滞流体材料进行了介绍,并且部分列举了该技术在国内外的应用,最后对该技术目前仍存在的问题及未来的发展前景进行了分析。

关键词:粘滞阻尼 减震 粘滞流体

地震发生时,由于地面震动而产生的巨大能量都由结构自身吸收,吸收的过程即能量转换的过程,传统的抗震结构利用自身的抗震特性完成此过程,在过程完成后,结构可能会出现一定程度的破坏。为了使结构达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防标准,对于结构的主要承重部分采取了大量的概念设计,但实际情况并不容乐观,因为地震活动的复杂性常常超过了设防等级和几种既定模型的计算结果。而采取加大结构构件尺寸的做法,会引起结构刚度增加、周期减小而带来的更大的地震作用,进入恶性循环。

数十年以来,国内外学者对新型的抗震技术进行了大量的探索与研究,产生了许多抗震的新理论及方法,其中以增加结构阻尼比为主要目的的消能减震技术得到了较多的应用,众多的应用表明,增加结构的阻尼比是一种简便、有效、安全的抗震措施。其中粘滞阻尼结构是应用广泛的增加结构阻尼比的方法。

1. 概念与原理

粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和流体组成,活塞在缸体内可往复运动,活塞上有适量小孔,当流体通过狭小的阻尼孔时,阻尼器吸收的能量通过流体抵抗转换为热能,减小结构的反应。

粘滞阻尼器的能量吸收能力即阻尼力的大小由速度决定,因此,可通过改变活塞的大小、阻尼孔的直径和油缸的长度,自由设定一个循环的能量吸收性能。此外,可通过设置降压阀等措施调整最大抵抗力。

通过以上设置,使用阻尼器进行减震,可显著提升结构的阻尼,降低地震的加速度反应和位移反应,结构仅产生较小的塑性变形,并且有效降低应力,使结构由传统的被动抵抗地震变为主动的消耗外部能量,能够提升结构的安全性与稳定性,尤为重要的是能在不增加过大成本的基础上,使不确定因素给结构带来的震(振)动危害降到最小。

2. 粘滞流体的类型与特性

根据粘滞阻尼器的原理,不同的粘滞流体给结构带来的影响不同。粘滞流体对阻尼器性能的影响主要集中在该种流体的流动性、粘性以及对温度的适应能力上。目前常用的材料有液压油、有机硅油和硅基胶。

最早在军事及机械领域所采用的粘滞阻尼器的材料以液压油为主,但在建筑工程上较少使用。主要原因是一般的液压油凝固温度较高,当温度较低时油体凝固,失去流动性,而同时温度较高时液压油的粘性会产生明显的下降。因此,温度的正常变化使液压油的滞粘特性发生明显改变,不适宜用于建筑工程。只有当结构或构件处在一个长期稳定的状态或者临时使用时,才适宜选用液压油作为粘滞阻尼器的流体材料。

有机硅油是一种高分子合成材料,是由有机硅单体经水解缩聚形成的线型结构,分子主链由硅原子和氧原子交替构成,使其兼具有机物和无机物的特性。其中作为结构用粘滞流体的主要优点是具有良好的抗热、抗氧性、化学惰性以及足够的粘性。有机硅油的粘性使阻尼器滞回曲线饱满,证明其具有良好的耗能特性。另外,有机硅油在温度为-60℃~200℃度之间其粘温系数稳定,能够满足一般结构的工作环境要求。

硅基胶是一种具有硅基的直链状聚有机硅氧烷,结构与有机硅油类似,同时也具有有机硅油的特性,因此也作为一种粘滞流体使用于阻尼器。与有机硅油相比,硅基胶阻尼器的滞回曲线更为饱满,其耗能特性约为有机硅油阻尼器的2~3倍,除此之外,硅基胶在温度-50℃~200℃之间各项性能系数变化不大,是一种理想的结构用滞粘流体。

3. 粘滞阻尼器的工程应用

粘滞阻尼减震技术在建筑工程中作为一种新兴发展的技术,能够在控制成本的基础上,不增加结构刚度,有效减轻结构的变形损伤,具有良好的经济效益及减震效果。近年来,该技术已经在许多工程中得到应用,既用于新建结构,也用于已有结构的加固,根据实施效果,已得到了广泛认可。

目前,粘滞阻尼器已广泛应用,为结构的抗震设计和加固提供了一种全新的途径,并且经过实践证明,该技术效果显著且安全可靠。但是作为一个出现时间并不长,并且仍处在研究和试点阶段的技术,仍有许多工作要做:

(1)加快对新型滞粘流体的研究,以出现更多性能更优越、耐久性更好的材料,并且制定相应产品的规程。

(2)强化对使用该技术结构的优化设计,能够编制相应的计算、分析和优化软件。

(3)现有建筑规范涉及到该技术的部分仍较欠缺,这既有理论研究不够充分的原因,也有实践不够充分的原因,随着该技术的逐步发展,规范化、系统化迫在眉睫。

(4)结构设计人员应转变既有观念,加强对新技术的应用。

由于粘滞阻尼减震技术相较于传统抗震技术,具有高效、安全、经济等优势,并且已经被为数不少的工程实践所验证,可以相信,包括粘滞阻尼减震技术在内的新型减震技术将成为未来结构设计的重要方法,将为人类在与地震灾害的较量中作出巨大贡献。

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