结构抗震中黏弹性阻尼器发挥的作用初探

      一.黏弹性阻尼器
　　1.1 建筑结构常用的阻尼器种类
　　建筑上应用的耗能减振装置的种类很多，比如有调频质量阻尼器（TMD）、摩擦耗能阻尼器、黏滞阻尼器、金属耗能阻尼器以及黏弹性阻尼器。
　　调频质量阻尼器（TMD）是一种研究较早且应用广泛的振动控制装置，它是在建筑结构的顶部或上部某层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构相连。当结构在外荷载作用下产生振动时，就会带动TMD一起运动，而TMD振动时产生的惯性力又反馈回来作用于结构上，从而起到抑制振动的作用。
　　摩擦耗能阻尼器的发展始于20世纪70年代末，随后为适应不同类型的建筑结构，国内外学者陆续研制开发了多种摩擦阻尼器，其摩擦力大小易于控制，可方便地通过调节预紧力大小来确定。摩擦阻尼器主要是依靠材料接触面的滑动摩擦产生阻尼而对结构发挥耗能减震的作用。
　　黏滞液体阻尼器 （VFD）是一种速度相关型的耗能装置，它是利用液体的黏性提供阻尼来耗散振动能量。黏滞液体阻尼器早先就在航天、机械、军事等领域得到应用。最早应用于土木工程上是在1974年所建的一座桥梁上，以后，在房屋的基础隔震、管网、地震加固、房屋抗风和抗震的设计中得到应用。
　　黏弹性阻尼器（VED）是一种速度相关型耗能装置。世界上第一个应用VED来减小结构风致振动的是1969年美国的世界贸易中心双塔楼高层建筑。1972年建成的110层高的纽约世界贸易中心，总共安装看10000多个黏弹性阻尼器，还有在美国西雅图的76层高的哥伦比亚中心大厦也安装了260多个黏弹性阻尼器。VED是以夹层方式将黏弹性阻尼材料和约束钢板组合在一起，其工作原理是黏弹性材料随约束钢板往复运动，通过黏弹性阻尼材料的剪切滞回变形来耗散能量。黏弹性阻尼器本来是为了控制建筑结构的风振效应的，近十几年来才将黏弹性阻尼器用于结构抗震。
　　常用的黏弹性材料主要有高分子聚合物，这种材料即有黏性也有很好的弹性，可以在变形时将吸收的能量转换成热量散发出去，可以用来减小结构的风振和地震反应，这种材料的黏弹性阻尼器已经得到广泛的应用。
　　1.2 黏弹性阻尼器力学模型
　　许多物质或材料往往兼具弹性和黏性两种不同机理的变形，综合的呈现弹性固体和黏性流体两者的力学行为，物质的这种性能称为黏弹性。黏弹体可以理解为是弹性体与液体的混合物。在黏弹体发生应变的时候，其中的弹性部分承担静态的应力，而液体部分不承担静态的应力。当应变对时间的导数不为零的时候，液体部分由于存在微观摩擦，出现黏度，而承担动态的应力。因此，一个静态的黏弹体与一个纯弹性体相当。黏弹性一词来源于模型理论，即这种性质可以用弹性元件和黏性元件串联或并联组合而成的某种典型模型加以表示，如Maxwell模型，Kelvin模型，标准线性固体模型等。材料的黏弹性质，可以用模型来表示，这些力学模型由离散的弹性远件与黏性元件--弹簧和阻尼器--以不同方式组合而成。黏弹性材料的应力-应变-时间关系。主要有微分型和积分型两大类。微分型本构关系在求解某些问题时比较方便，在黏弹性理论的早期发展中有广泛的应用。但是为了更具体的表示材料的黏弹性行为并利于实际测试，更好地描述材料的记忆性能和物体受外载作用后的过程，便于考虑材料老化和温度影响等因素，在应用中有较大的灵活性，在实际应用中往往采用积分型的本构方程。积分型本构关系是根据Boltzmann叠加原理和遗传积分建立的。
　　二. 建筑结构抗震研究概况
　　目前，全世界每年由地震灾害造成的平均死亡人数达到10000人，平均经济损伤每次达到十亿美元，目前国内现行抗震设计规范是以"大震不倒、中震可修、小震不坏"三个水准作为设计目标。在具体实施上通过对建筑结构强度和刚度的要求按两阶段设计步骤实现抗震设计目的。
　　一般说在相同条件下，质量大，地震作用就大，震害程度就大；质量小，地震作用就小，震害就小。所以在建筑结构中广泛采用多孔砖、硅酸盐砌块、加气混凝土板等一些轻质材料，能显著改善建筑的抗震性能。施工质量对于建筑结构抗震的影响也是很大的，在施工过程中，任何一个环节出现问题，都可能影响建筑结构本身的抗震能力。施工中造成的材料性能和截面几何特征在一定范围内变动，砂浆强度以及混凝土浇筑质量对实际结构抗震性能具有重要影响。
　　建筑场地选择对建筑抗震的影响也是很重大的，以下一些场地是不利于建房的：活动断层及其附近地区；饱含水的松砂层、软弱的淤泥层、松软的人工填土层；古河道、旧池塘和河滩地；容易产生开裂、沉陷、滑移的陡坡、河坎；细长突出的山嘴、高耸的山包或三面临水田的台地等。
　　建筑结构本身的设计在结构抗震设计中是非常关键的，建筑结构如果平面布置复杂，致使质心与刚心不重合，在地震作用下产生扭转效应，则会加剧地震的破坏作用，所以在抗震设计中，要求结构平面布置尽可能地使结构的刚心和质心相一致，以减小地震作用下结构产生的扭转效应。建筑立面设计应避免头重脚轻，结构中心要尽可能的降低。
　　三.模拟计算
　　对于一个建筑结构受到地震随机激励的情况可以用以下的方程进行模拟分析：
　　上式中为黏弹性阻尼器模型，是和这个黏弹性阻尼器本身材料有关的系数，为强度为的高斯白噪声，这里我们用高斯白噪声来模拟地震随机激励，分别为建筑结构的线性和非线性阻尼系数 ，为建筑物的自身频率，为非线性刚度系数。
　　从模拟计算得出的位移概率分布图中可以看出有黏弹性阻尼器的建筑结构受到外激时位移振幅比没有黏弹性阻尼器的建筑结构受到外激时位移振幅要小。并且对于不同材料的黏弹性阻尼器（的取值不同）其减振效果是不一样的，在实际工程中可以根据需要选择适合的黏弹性材料。
　　四. 结语
　　综合国内外学者的研究成果以及通过对一个结构进行数值模拟计算得出：黏弹性阻尼器对于在地震作用下的建筑结构有良好的减振效果，可以广泛地应用于建筑结构的振动控制。
　　参考文献
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　　[2]. 赵斌.粘滞型阻尼器安装误差对消能减震效率的影响研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2003.3-6. (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)