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介绍了结构控制和消能减振技术的减振机理和减振设计方法,对不同结构构造的粘滞流体阻尼器的耗能原理进行了研究,研制出了一种性能稳定的双出杆型工程结构减振粘滞流体阻尼器。研究表明,研制的粘滞流体阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼器,阻尼器的阻尼力与活塞的运动速度近似呈线性关系。对一栋顶部设置有钢塔的高层建筑实施了减振控制,计算结果表明,流体阻尼器可有效地降低结构在强震和大风下的振动反应,是一种性能良好的消能减振装置。
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第32卷第3期
2002年5月
东南大学学报
(自然科学版 )
JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition )
Vol.32 No.3
May 2002
工程结构粘滞流体阻尼器减振新技术及其应用
叶正强 李爱群 徐幼麟
(东南大学土木工程学院 ,南京 210096 ) (香港理工大学土木与结构工程系 ,香港 )
摘要 :介绍了结构控制和消能减振技术的减振机理和减振设计方法 ,对不同结构构造的粘滞
流体阻尼器的耗能原理进行了研究 ,研制出了一种性能稳定的双出杆型工程结构减振粘滞流
体阻尼器 .研究表明 ,研制的粘滞流体阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼器 ,阻尼器的阻
尼力与活塞的运动速度近似呈线性关系 .对一栋顶部设置有钢塔的高层建筑实施了减振控制 ,
计算结果表明 ,流体阻尼器可有效地降低结构在强震和大风下的振动反应 ,是一种性能良好的
消能减振装置 .
关键词 :结构控制 ;消能减振 ; 粘滞流体阻尼器 ;动力性能 ;附加阻尼
中图分类号 : TU311 .3 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 0505 (2002 )03-0466-08
Fluid viscous damper technology and its engineering
application for structural vibration energy dissipation
Ye Zhengqiang
1
Li Aiqun
1
Xu Youlin
2
(
1
College of Civil Engineering ,Southeast University , Nanjing 210096 , China )
(
2
Department of Civil and Structural Engineering , The Hong Kong Polytechnic University , Hong Kong , China )
Abstract : The principle and design method of vibration energy dissipation and structural control are in-
troduced . The conformation and energy dissipation principles of various fluid viscous dampers were stud-
iedandakindofhigh-performance damper ,i .e . fluid viscous damper with double guide bars , was de-
veloped and manufactured . Based on the study and experiment , it is concluded that this fluid viscous
damper for vibration energy dissipation is a kind of velocity related damper without rigidity . The relation-
ship between the damping force and the velocity is approximately linear . With fluid viscous damper , the
structural vibration energy dissipation control of a high-rise building with a steel tower on its roof was car-
ried out . The computing results prove that the fluid viscous damper can effectively reduce the structure vi-
bration response induced by earthquake and wind . It is a high-performance structural vibration energy
dissipation device .
Key words : structural control ; vibration energy dissipation ; fluid viscous damper ; dynamical behav-
ior ;
additional damping coefficient
收稿日期 : 2002-02-25 .
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (59978009 )、教育部跨
世纪人才基金资助项目 .
作者简介 :叶正强(1970— ),男 ,博士生 ;李爱群(联系人 ),男 ,
博士 ,教授 ,博士生导师 ,aiqunli @ public1.ptt .js .cn .
在地震或风作用下 ,工程结构由于接收了输入
能量 ,从而引起振动反应(速度、加速度和位移 ),一
般情况下这种反应都是多自由度低频振动 .如何减
小工程结构在强震和大风作用下的动力反应 ,满足
承载力、变形能力和稳定性的要求 ,是一个新的研
究领域 .传统抗震设计方法以概率理论为基础 ,提
出三水准的设防要求
[1 ]
,即 “小震不坏 ,中震可修 ,
大震不倒”.并通过 2 个阶段设计来实现 :第一阶段
设计采用第一水准烈度的地震动参数 ,
结构处于弹
性状态 ,能够满足承载力和弹性变形的要求 ;第二
阶段设计采用第三水准烈度的地震动参数 ,结构处
于弹塑性状态 ,要求具有足够的弹塑性变形能力 ,
但又不能超过变形限值 ,使建筑物“裂而不倒”.然
而 ,结构物要终止振动反应 ,必然要进行能量转换
或消耗 .传统抗震结构体系 ,容许结构及承重构件
(柱、梁、节点等 )在地震中出现损坏 ,即依靠结构及
承重构件的损坏消耗大部分能量 ,往往导致结构构
件在地震中严重破坏甚至倒塌 ,这在一定程度上是
不合理也是不安全的 .为了克服传统抗震设计方法
的缺陷 ,结构振动控制技术(简称“结构控制”)逐渐
发展起来 ,并被认为是减轻结构地震和风振反应的
有效手段 .结构消能减振(也称“消能减震”)技术就
是一种结构控制技术 ,它是通过在结构的适当位置
安装消能减振装置 ,利用这些装置的耗能来减小结
构在强震和大风作用下的振动反应 ,工程结构粘滞
流体阻尼器就是这样一种减振装置 .2001 年 7 月
20 日颁布的新的《建筑抗震设计规范》(GB50011—
2001 )首次以国家标准的形式对房屋消能减振设计
这种抗震设防新技术的设计要点做出了规定 ,采用
粘滞流体阻尼器的工程结构消能减振技术就是其
中需要重点研究和推广的新技术之一 .
采用粘滞流体阻尼器的消能减振技术的关键
有 2 个方面 :一是设计理论和设计方法 ,二是研制
出性能良好的消能装置(即粘滞流体阻尼器产品 ).
东南大学建筑工程抗震与减震研究中心在国家自
然科学基金项目的资助下 ,与香港理工大学和南京
液压机械制 造 厂等 单 位合 作 ,自 1998 年 开 始 着手
围绕这 2 个方面进行了系统、深入的研究 ,研制出
了系列化的被动型双出杆工程结构减振粘滞流体
阻尼器产品 ,该产品已于 2000 年 11 月 11 日获 得
国家专利(专利号 ZL00219648 .4 ),并通过了江苏省
建设厅组织的产品鉴定 ,目前已经进入定型生产和
大规模推广应用阶段 .
1 结构控制及消能减振技术
1.1 结构控制的概念和减振机理
1972 年美藉华裔学者姚治平(J . T .P . Yao )教
授在 ASCE 主办的 Journal of Structural Division 上撰
文第 1 次明确提出了土木工程结构控制的概念 ,近
30年来 ,国内外学者在结构控制的理论、方法、试
验和工程应用等方面取得了大量的研究成果 ,结构
控制的概念也几经完善 ,可以简单表述为
[2 ]
:通 过
对结构施加控制机构 ,由控制机构与结构共同承受
振动作用 ,以调谐和减轻结构的振动反应 ,使它在
外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围
内 .基于此定义 ,结构控制的减振机理 ,可简单地用
一个结构动力方程予以说明 :
M¨x ( t )+ C x ( t )+ Kx( t )= F( t )- MI¨x
g
( t )
(1 )
式中 ,M ,C ,K 分别为结构的质量、阻尼和刚度矩
阵;I 为单位列向量 ;F ( t )为外部作用(包括地震、
风或可能施加的其他外力 )列向量 ;¨x( t ), x ( t )和
x( t )分别为结构在外部作用(或荷载 )下的加速
度、速度和位移反应列向量 ;¨x
g
是地面的地震加速
度反应 .
结构控制就是通过调整结构的自振频率 ω或
自振周期 T(通过 改变 K ,M ) 或增大阻尼 C ,或 施
加外力 F( t ),以大大减少结构在地震(或风 )作用
下的反应 .设 ¨x
ma x
, x
max
,x
ma x
为确保结构及结构中
的人、设备及装修设施等的安全和处于正常使用状
态所允许的结构加速度、速度和位移反应值 ,则求
解式(1 ),只要满足
¨x ≤¨x
max
, x ≤ x
ma x
, x ≤ x
ma x
(2 )
即能确保结构及结构中的人、设备及装修设施等的
安全和处于正常使用状态 .结构控制一般可分为被
动控制、主动控制、混合控制和半主动控制四类 .
1.2 结构消能减振技术
结构消能减振技术是一种结构控制技术 ,是把
结构的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件
等)设计成消能杆件 ,或在结构的某些部位(层间
空间、节点、连接缝等 )安装消能装置 ,在小风或小
震时 ,这些消能杆件(或消能装置 )和结构本身具
有足够的侧向刚度以满足使用要求 ,结构处于弹性
状态 ;当出现大震或大风时 ,随着结构侧向变形的
增大 ,消能构件或消能装置率先开始工作 ,产生较
大阻尼 ,大量消耗输入结构的地震或风振能量 ,使
结构的动能或者弹性势能等能量转化成热能等形
式耗散掉 ,迅速衰减结构的地震或风振反应(位移、
速度、加速度等 ),使主体结构避免出现明显的非弹
性状态 ,保护主体结构及构件在强震或大风中免遭
破坏
[2 ]
.采用消能减振技术的关键是研制出性能良
好的消能杆件或消能装置 ,我们研制的被动型双出
杆工程结构粘滞流体阻尼器就是这样一种减振装
置.
2 粘滞流体阻尼器的构造及耗能原理
2.1 粘滞流体阻尼器的耗能原理
粘滞流体阻尼器一般由缸筒、活塞、阻尼孔、阻
尼材料和导杆等部分组成 ,活塞在缸筒内作往复运
2
东南大学学报(自然科学版 ) 第 32
卷
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