黏滞阻尼器是航空、航天以及车辆等机械中广泛使用的减振器的大型化,利用阻尼器进行结构振动控制的研究是20世纪80年代以来国际上才出现的新课题,美国和日本在这方面的研究较早,成果也较多。90年代中期,美国国家科学基金会(NSF)和美国土木工程协会(ASCE)等单位组织了两次大型联合试验,并由第三方对抗震加固工程中所使用的黏滞阻尼器及其他隔震类产品的减震性能进行测试评估,这一事件在阻尼器从试验机构迈向工程应用过程中具有承上启下的重要意义。目前,全世界已有数以百计的工程使用了黏滞阻尼器,涉及高层建筑、高耸结构、桥梁、铁道、体育馆、海洋石油平台甚至卫星发射塔等(见表1-1)。
表1-1 黏滞阻尼器在国外的部分应用情况
续表
在发达国家这种研究最早是始于军工企业,后来才开始涉足民用领域(建筑、桥梁等)。出于商业利益的考虑,尽管20世纪80年代初即有黏滞阻尼器投入实际工程中,但是早期详细的技术资料并不多见。
已有的研究认为,如果流体是纯黏性的(如牛顿流体),则阻尼器的阻尼力与活塞运动速度的某个次方成正比。当活塞运动的频率范围很广时,整个黏滞阻尼器就呈现出黏弹性流体的特征,Makris和Constantinou建议用一个广义的Maxwell模型来模拟这一性能,即
式中,λ——时间相关系数;
r、q——阻尼材料常数;
Dr[F],Dq[u]——对F和u的分数维偏导;
C0——零频率时的黏滞阻尼系数。
在活塞运动频率较低时,式(1-3)可简化为
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式中,和V为活塞运动速度。
美国泰勒公司(Taylor Devices Inc.)给出的公式为
式中,C——阻尼常数;
V——活塞运动速度;
α——一个介于0.3~1.0之间的数。
日本人武田寿一给出的单出杆型流体阻尼器的计算公式中,阻尼力F与活塞运动速度V的二次方成正比。
Housner G W,Bergman L A,Caughey T K认为,绝大多数黏滞阻尼器,其输出力与活塞速度的0.3~0.75次方成正比。
类似的研究结果还有很多,但是这些公式的表达形式虽然各有不同,但是有一点是共同的,即都认为黏滞阻尼器是一种速度相关型的阻尼器,其阻尼力的主要影响因素是活塞的运动速度。至于造成这些公式差异的原因,主要是因不同研究者所针对的阻尼器的结构构造以及采用的分析方法不同而引起的,每个公式各有其适用范围,不宜随意照搬。
Constantinou和Symans通过对装有黏滞阻尼器的一层和三层钢框架模型进行振动台试验后指出,由于阻尼器产生的阻尼力与结构的位移反力和柱中的弯矩反向,阻尼器能有效地减小结构的层间位移和剪力,而不会在柱中产生与柱弯矩同向的轴力。
黏滞阻尼器不仅仅能够用于新建建筑的振动控制,也可用于已有建筑的抗震加固,Reinhorn等人对此进行的试验研究表明,在钢筋混凝土结构中附加黏滞阻尼器,能有效地提高结构的抗震品性,降低结构的地震反应和地震损伤程度。
在桥梁工程中,因其设计的结构性能要求,在常规黏滞阻尼器的基础上,附加了一些新的要求,如美国有学者提出了一种熔断阻尼器,并将其应用到了旧金山附近的Richmond San Rafael大桥上。相比于一般的黏滞阻尼器,熔断阻尼器增加了一个金属熔断装置,该装置限制阻尼器直到受力达到一个特定值时才开始进入工作状态。该项目熔断阻尼器最大阻尼力设计值为2 270 k N,阻尼器设有一个在1 250 k N时断裂的金属保险片,如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载且受力小于1 250 k N时,阻尼器两端间并不运动,直到荷载达到或超过1 250 k N时,金属保险片断裂,阻尼器便如同一个普通的最大阻尼力为2 270 k N的黏滞阻尼器一样工作。需要注意的是,该类型的熔断阻尼器,当保险片断裂以后需要及时进行更换,更换保险片后的阻尼器才可以在实际工程中继续使用,发挥熔断阻尼器的自身优势。
日本在黏滞阻尼器的研究方面也取得了很多成果。1994年Niwa等人对一幢高层建筑的地震反应进行了分析和计算,这幢建筑装有日本Kajima公司研制的一种称为高阻尼系统的黏滞油缸,经过计算分析和试验验证,这种黏滞油缸能给结构提供10%~20%的附加阻尼比。1987年日本Oiles和Sumitomo建筑公司研制出了黏滞阻尼器的另一种形式——黏滞阻尼墙(Viscous Damping Wall),这种墙体由装有高黏滞油液的墙和可在其中运动的板组成,通过板与油液的相对运动产生阻尼。Arima等人对其进行了地震模拟对比试验,结果表明加速度峰值比无黏滞阻尼墙的建筑降低25%~70%。这种黏滞阻尼墙首先被应用于日本静冈市的SUT Building,并且在日本鹿儿岛国际机场航站楼(Kagoshima Airport Terminal Building)的加固工程也体现出了自身的优势。在加固过程中因未对大楼外观和机场营业造成大的影响而引起广泛重视,同时也节省了造价。这种阻尼墙也曾在1999年用于Tohoku University Hospital建筑上,共安装了266片。
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