粘滞阻尼器的理论研究及应用进展(1)

粘滞阻尼器的理论研究及应用进展

作者：邱腾蛟 青

来源：《武汉科技报·科教论坛》2013年第07期

【摘 要】本文分析总结了粘滞阻尼器的工作机理、耗能原理，以及国内粘滞阻尼器的研究与应用现状，包括粘滞阻尼材料，粘滞阻尼器的类型、性能和力学模型，粘滞阻尼减震结构的性能、分析模型和设计方法，粘滞阻尼器在工程中的应用状况等。粘滞阻尼器作为一种被动控制装置，由于能向结构提供较大的阻尼，而且当结构变形最大时，阻尼器提供的控制力为零，从而使结构受力较为合理，因此在国内外得到了广泛的研究和一定的应用。 【关键词】粘滞阻尼器；耗能原理；应用进展 一、粘滞阻尼器的工作原理

粘滞阻尼器作为一种无需外部能源输入提供控制力的被动控制装置，将地震或风荷载输入结构的大部分能量加以吸收和耗散，从而保护主体结构的性能安全。粘滞阻尼器具有：？滞回曲线呈饱满的椭圆形，具有很强的耗能能力，即使在微小变形条件下；不对主体结构附加刚度，有效解决阻尼器初始刚度难以与结构侧向刚度相匹配的问题；？采用/柔性耗能0的理念，可减少剪力墙、梁柱配筋的使用数量和构件的截面尺寸，经济性好；？不仅能用于新建土木工程结构的抗震抗风，而且能广泛应用于已有土木工程的抗震加固或震后修复工程之中；？适用性好，且维护费用低等特点，而受到越来越广泛的重视，研究和应用均取得了较快的发展，已经从作为结构附加保护系统的第二道防线发展成为结构构件的一部分，并将逐渐取代传统的结构抗震构件。

（一）粘滞阻尼器的耗能原理

粘滞流体在阻尼器机构中流动，与阻尼器结构发生相互作用，使得流体动能转化为热能是粘滞阻尼器耗能的基本原理。粘滞流体的动能向热能转化是通过摩擦耗能和孔缩效应耗能两方面进行的。

（二）粘滞摩擦耗能

由于流体分子间的相互吸引力，使得流体具有内摩擦力从而产生粘度特性；流体的内摩擦力变化规律遵守牛顿内摩擦定律dzdv = （1-1）

上式中 ：摩擦切应力；dzdv：流体的速度梯度； z ：为层液厚度； ：流体的动力粘度，简称流体粘度。

式（1-1）表明流体内部没有相对运动时，摩擦切应力 为零，仅当出现速度梯度时才出现摩擦阻力，并且其大小取决于速度梯度。由于流体的粘度存在，流体在管道中流动时，流体与

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管壁以及流体质点间存在摩擦力，流体沿流动路程将受到摩擦力的阻碍。这种沿流程的摩擦阻力，叫作沿程阻力，由此产生的能量损失称为沿程损失。本文称这部分能量损失为摩擦耗能；在等截面直管中，能量沿程损失有这样的特征：能量损失沿流程均匀分布，其大小与流程长度成正比。

（三）孔缩效应耗能

流体流经局部障碍时所受到的阻力称为局部阻力；这些障碍包括管道的变向弯曲、断面扩大或缩小及管道中设置的各种控制阀门等。产生局部阻力的原因主要是由于流体流经各种局部障碍，流动可能产生旋涡流、液流变形、速度重新分布、撞击和二次流等，从而产生局部阻力。由局部阻力而引起的能量损失称为局部损失。

在缸式粘滞阻尼器中，流体当从缸筒中流经阻尼孔或间隙时，流体截面突然扩张或缩小，从而产生局部阻力，引起能量损失；作者把粘滞阻尼器的这种耗能方式称为孔缩效应耗能，主要包括入口收缩能量损失、流束扩大能量损失两部分。 二、粘滞阻尼器的发展前景与存在的问题

目前，粘滞阻尼器已广泛应用于数以百计的工程实例中，不仅有效地控制了结构在地震或强风荷载作用下的动力响应，保证了生命财产的安全，而且成功经受了很多次强烈地震的考验（美国加州、墨西哥等地区），为人类在灾害频繁的环境中生存提供了强有力的安全防线。然而，这仅仅是一个开端，随着各国基础建设的加强，大型公共建筑、桥梁的飞速发展，粘滞阻尼器将越来越受到设计人员和使用者的青睐，具有十分广阔的应用空间和发展前景。可是，在快速发展的背后，也存在着需要进一步研究或改进的若干问题。

1.对现有粘滞阻尼器加以改进或另辟蹊径，直接研制新型粘滞阻尼器，同时加强粘滞阻尼器的耗能性能、耐火性能以及耐久性能等方面的研究；

2.研制性能稳定、耗能能力强、价格合理的粘滞阻尼材料，以提高现有粘滞阻尼器的耗能效率，减小其在运作过程中产生的动态刚度的负面影响；

3.强化对粘滞阻尼部件的设置位置和围护问题的研究，以避免影响建筑结构的使用功能、保温、隔热等；

4.在弹塑性状态下，目前还没有成熟的方法或软件能对粘滞阻尼减震结构进行精确的分析求解，结构分析模型也仅限于二维模型，真正的三维模型还没有；

5.推广粘滞阻尼器与其它控制装置的联合使用，如同PTLD相结合，以减小高层或高耸结构的风振响应，同隔震元件结合，提高基础的消能能力等，扬长避短，充分发挥各自的优势；此外，在加强粘滞阻尼器及其减震结构自身性能研究的同时，还须从宏观上制定适宜的政

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策、加强的职能、建立相应的技术规程等，以保障粘滞阻尼减震结构国有产业化的顺利开展。 参考文献：

[1]魏琏，郑久建，韦承基，薛彦涛.论粘滞阻尼减震结构及其抗震设计方法.建筑结构，2004，34（10）.

[2]汤昱川，张玉良，张铜生. 粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析 .工程力学， 2004，21（1）.