工程结构黏滞消能技术及应用

黏滞阻尼器无论内部的具体构造如何，都属于速度相关型阻尼器，即其输出阻尼力的大小受到外界激励速度的制约。从前述章节的分析可知，本书研制的阻尼器当受到外界激励的作用时，缸筒内的阻尼介质随着活塞的运动，以一定的速度往复穿梭于活塞上的阻尼通道，为便于分析计算，通常将介质流体的运动速度转换为阻尼器活塞相对于缸筒的运动速度，从而与被控结构的响应速度相联系。

由6.2.1节及6.2.2节的讨论可知，黏滞阻尼器由于材料本身以及混入气体的原因，兼有黏性和弹性的特征，导致阻尼器输出力与速度不再同步，而是落后速度一个相位差δ（阻尼力超前于变形角）。显然，δ值越大，阻尼介质的弹性越明显；反之，δ值越小，则材料的黏性越明显。

从阻尼器的试验结果中可以看出，非线性黏滞阻尼器相对于线性黏滞阻尼器而言，其阻尼力—位移滞回曲线在外形上更为饱满，在相同的外界激励条件下，前者能够耗散更多的能量，但输出阻尼力与速度并不完全同步，其相位差与阻尼介质的黏度、外界激励频率等因素相关（参见图3-11、图3-12）。

对于以牛顿流体或幂律流体作为阻尼介质的细长孔式黏滞阻尼器，可将其阻尼力计算公式简化归并为式（6-38）。目前，国内外普遍采用的黏滞阻尼器计算公式也与式（6-38）在形式上相一致。在该式中，没有反映阻尼力相对于速度的滞后效应。假设阻尼器受到外界简谐激励的作用，在一个周期内，阻尼器的最大输出力Fmax是与其实时响应速度V相对应，还是与该周期内最大响应速度Vmax相对应？这一问题的答案对阻尼器的试验性能评价以及对于结构的计算分析结果都将产生重要影响。根据试验中在不同加载工况下采集的数据，将阻尼力与不同的速度指标进行拟合，可以得到不同的结果（参见图6-8、图6-9、图6-10）。

图6-8　阻尼器S3拟合公式

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图6-9　阻尼器S7拟合公式

图6-10　阻尼器S16拟合公式

通过图6-8、图6-9、图6-10的比较可以看出，在较低的频率作用下（0.25 Hz），三个阻尼器的Fmax—V以及Fmax—Vmax的关系曲线以及拟合公式基本一致，说明低频情况下阻尼介质的黏度变化对相位差δ的影响较小，可近似忽略；随着激励频率的增加（1.00 Hz），采用不同黏度阻尼介质阻尼器的最大输出阻尼力Fmax与一个周期内的最大加载速度Vmax之间相位差δ的影响均逐渐增大，Fmax与不同速度指标（V、Vmax）之间的关系曲线及拟合结果差异较大，且阻尼介质黏度越高的阻尼器，其Fmax与Vmax之间的相位差δ也越大。本研究仅给出了两个激励频率下的比较结果，实际在试验中，阻尼器在加载频率1.00 Hz以上工况的表现也与上述规律相吻合。

阻尼器主要用于结构的振动控制，被控结构对外界激励（地震、风等）的响应是一个随机过程，在结构动力分析或减振效果评价中，关心的是设置阻尼器后在外界激励作用下对结构的内力、变形以及加速度等的实时控制效果，或者说关心的是阻尼器的实时动力响应。因此，本研究建议对黏滞阻尼器F—V关系的拟合公式取Fmax—V为宜。