黏弹性阻尼器

2024-09-23

黏弹性阻尼器（共4篇）

黏弹性阻尼器篇1

振动控制的任务就是通过一定的措施使受控对象的振动水平满足预定要求。目前, 所能够采用的振动控制方法包括主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制［1］。主动控制为有源控制, 能够根据最优控制理论达到全状态最优反馈增益要求的控制力, 但是该方法在实际应用中其经济性和适用性并不能够很好满足。被动控制为无源控制, 经济性和适用性能够很好满足实际需要, 但是其设计还存在着很多问题。黏弹性阻尼器 ( VED) 是一种典型的被动控制装置, 它具有经济实用、性能可靠、安装方便等特点, 具有广阔的应用前景, 因此对VED的参数设计方法进行深入的研究具有重要的理论意义和实用价值［2—4］。在VED的设计中, 由于被动控制的反馈存在多种约束, 无法直接应用最优控制理论, 而只能通过其他方法进行参数设计, 以使其性能达到最优。徐赵东［5］等根据VED的性能及减震原理, 提出了基于时程分析法、随机振动理论和现代控制极点配置理论的VED参数优化方法。Koust和下乡太郎基于最优控制理论提出了基于LQG理论的准最优控制方法［6］, 该方法需要建立成型的滤波器, 还要求结构响应的方差, 比较复杂。本文基于最优控制理论的线性二次型经典最优控制方法［7］, 采用以最优控制方法得到的结构响应增益矩阵与VED被动控制下得到的结构响应增益矩阵之间相互逼近的方法, 对VED各性能参数进行优化。

1黏弹性阻尼器计算模型

目前, 有关学者已提出了多种黏弹性阻尼器的恢复力模型。主要有Kelvin模型、Maxwell模型、标准线性固体模型、等效标准固体模型、等效刚度和等效阻尼模型等。为符合振动过程中黏弹性材料的性质特征, 同时考虑数学上处理方便, 结合我国抗震规范［8］中的条文, 本文采用的等效刚度和等效阻尼模型如图1所示。

与图1的黏弹性阻尼器简化模型对应的黏弹性阻尼器的恢复力为:

式 ( 1) 中, X·和X为阻尼器的相对速度和位移。

2 LQR控制理论

已知受控线性定常系统的状态方程为:

式 ( 2) 中, Z ( t) 为状态向量; U ( t) 为控制力向量; B为输入矩阵; Y ( t) 为输出向量; C0为输出矩阵。

定义系统的二次型性能泛函为:

式 ( 3) 中, Q为半正定矩阵; R为正定矩阵。

系统控制的任务是, 当系统状态由于某种原因偏离初始状态时, 求控制输入在不消耗过多能量的情况下, 使系统趋于初始状态。最优控制的目标就是寻求最优控制力U ( t) , 使系统趋于初始状态, 并使得性能泛函取最小值。

对于这个最优化问题的求解, 一般采用变分法求解。设 λ ( t) = P ( t) Z ( t) , 则可以得到:

式中, P ( t) 可由式 ( 5) 求得, 该方程就是著名的Riccati方程。

3黏弹性阻尼器的参数优化设计

由式 ( 4) 可知基于LQR算法的主动控制力为:

黏弹性阻尼器控制力也可表示为:

式 ( 7) 中: U' 为黏弹性阻尼器控制力; Δx ( t) 和 Δ·x ( t) 分别为VED的相对位移和相对速度; G' 为VED控制力增益矩阵; Kd和Cd为VED的等效刚度和等效阻尼。

假设结构相对状态向量和绝对状态向量存在如下的关系:

式 ( 8) 中, Cm为绝对状态向量与相对状态向量的转换矩阵, 可表示为如下的矩阵:

由式 ( 6) ~ 式 ( 9) 可知, 被动VED控制要逼近最优主动控制, 需要G' 逼近G, 即:

式 ( 10) 中 ‖·‖2表示2范数。

由式 ( 6) ~ 式 ( 8) 可知:

对式 ( 11) 两边分别取转置得:

式 ( 12) 中, T表示矩阵转置。

要使式 ( 10) 成立, 由最小二乘法［9］得到:

由式 ( 13) 求得的矩阵G' 就是VED控制力增益矩阵。由式 ( 7) 可知:

将G' 分解成KdCd的形式, 根据矩阵特征值与特征向量的定义A{ { xi} } = [λi]{ { xi} } , 将Kd和Cd对角化为, 则可取黏弹性阻尼器刚度和阻尼矩阵为:

式中, kd1~ kdn为各层VED等效刚度; cd1~ cdn为各层VED等效阻尼。

4数值仿真验证分析

某3层钢筋混凝土框架结构, 各层质量和刚度分别为mi= 3. 5 × 105kg和ki= 1. 8 × 108N / m ( i =1, 2, 3) ［10］。结构阻尼按照瑞雷阻尼确定, 阻尼比取为5%。结构的干扰力为EL Centro ( NS, 1940) 地震波, 地震波输入峰值调幅为200 gal。最优控制算法采用LQR算法, 假设每层均安装有VED减震装置。

采用Matlab编制LQR算法程序, 基于式 ( 6) ~ 式 ( 16) 所示参数优化过程, 并编制相应的参数优化程序, 对所给算例进行结构动力响应计算。图2为黏弹性阻尼器经参数优化后的计算结果, 即每一楼层所需总的等效刚度及等效阻尼; 图3 ~ 图6为结构在无控、最优控制和VED控制下的结构动力响应计算结果。

对比图3和图4计算结果可知: 与未加VED计算结果相比, 加入VED后结构动力响应明显得到了控制。其中, 采用LQR算法控制的计算结果中位移幅值从4. 6 cm减小至2. 55 cm, 位移峰值降低了44. 6% , 加速度峰值也从7. 3 m / s2减小至4. 46 m/ s2, 加速度峰值削减了38. 8%; 另外, LQR控制与VED被动控制相比较, 经过优化的VED控制与LQR控制结果较为接近, 这表明本文所采用的优化方法是可靠和有效的。

图5和图6为结构动力反应的包络图, 从图中可以看出: 与无控结构动力响应结果相比, 最优控制 ( LQR) 和VED控制下的结构响应都有较大幅度减小, 说明采用VED对结构进行减震, 具有明显的控制效果。其中, 采用最优控制算法与优化算法下的结构响应包络线在很大程度上是接近的, 这说明对VED进行参数优化的结果在一定程度上达到了最优控制的效果。最优控制算法的结果优于对VED参数进行优化的控制效果, 这表明本文所采用的优化方法是正确的, 因为该方法的目的是逼近最优控制效果, 而并非达到, 这也是由被动控制的局限性所决定的———被动控制无法达到全状态最优增益反馈的控制力。

5结论

鉴于VED对结构减震控制的局限性, 本文通过对其采用逼近最优控制算法的方法对其参数进行优化, 通过对算例进行数值分析, 验证该方法的有效性, 得出如下的结论。

( 1) 本文提出的VED参数优化方法能够使结构动力响应得到有效的控制, 该方法的控制效果与采用最优控制算法的计算结果较为接近, 甚至在一定程度上可能达到最优控制算法的效果。

( 2) 利用上述方法优化VED参数对结构的控制效果无法达到主动控制的效果, 即经过优化后的动力反应逼近最优控制算法的结果, 这是由于被动控制的局限性所决定的———VED是典型的被动控制器, 具有控制结构约束, 故只能逼近最优控制, 而无法达到全状态最优增益反馈的控制力。故本文所采取方法是相对简单、有效的。

参考文献

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黏弹性阻尼器篇2

黏弹性减振器是一种由黏弹性阻尼材料、约束钢板等组成的层合结构,有着可承受重载负荷、工作过程中变刚度和吸收振动能等特点,能显著降低机械对振动冲击的响应;实际使用维护方便,经济可靠[1]。因此,该设备可应用于大型工程机械、铁道车辆的减振系统等领域, 如用于履式车辆悬架机构、自卸车厢支撑组件中。然而,黏弹性减振器的高分子材料具有大变形、严重非线性及不可压缩等特性,使其动态特性有着显著的非线性刚度、阻尼特征,并且与激振振幅、频率相关[2,3,4,5,6]。故在实际应用结构中分析其缓冲减振性能难度较大。

目前,国内外学者在研究黏弹性材料阻尼减振降噪方面,大多数都在小载荷、高频振动工况下对黏弹性减振元件进行研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]:或关注其力学特性分析、建模及参数识别;或利用商业软件在时域上对其阻尼结构进行振动仿真分析;或注重于阻尼材料特性及寿命预测等问题。而对在大载荷、低频振动工况下的多层阻尼结构的黏弹性减振器的研究较少,对其非线性阻尼缓冲特性的研究更为鲜见。

本文运用非线性理论,以已应用于某型号履式车辆的黏弹性减振器为研究对象,分析其固有频率共振区附近的幅频特性和缓冲减振性能,以及系统各参数与幅频特性之间的关系,为减振器的设计优化提供理论依据。

1 黏弹性减振器简介

以已应用于某300kW履式车辆行走机构的黏弹性减振器为研究对象进行研究,该机构整体质量为50 000kg。该减振器为上下对称的多层组合结构(图1a),上半部分安装于车辆行走机构的履带架上,下半部分安装于悬架上。按减振器各层功能分类有4层,分别为约束层、基础橡胶层、中间橡胶层、接触橡胶层。其中,基础层能保证强度要求,中间层能吸收振动能,接触层耐磨。加入各层的金属填充粒可增加橡胶材料的导热性能,金属网可增加基础层的强度及散热能力。

当车辆行走机构受到振动冲击时,通过上下各功能层的挤压变形,将振动能转换为橡胶高分子材料的内摩擦能,再以热能进行散逸,从而有效降低车辆的振动与噪声水平。由于橡胶材料的应力应变关系是非线性的(应变滞后于应力),形成椭圆形的迟滞回路曲线,曲线封闭的面积即为橡胶材料受力过程中损耗的能量。

图1b所示为该黏弹性减振器的载荷—位移曲线,根据曲线形态分为4段。其中,第1段(0～a段)为小载荷工段,其中a点表示当载荷为等效质量车身的重力值时,减振器在静平衡位置的变形量;第2段(a～b段)为常用工作载荷段,中间橡胶层工作最多;第3段(b～c段)为大载荷工作段,基础橡胶层参加工作;第4段(c点以上)为严重载荷状态,将此段曲线作为小概率事件处理。

1.金属网 2.橡胶 3.金属填充粒 4.支撑柱 5.约束钢板 Ⅰ.约束层 Ⅱ.基础橡胶层 Ⅲ.中间橡胶层 Ⅳ.接触橡胶层 (a)黏弹性减振器的结构

(b)载荷-位移曲线

2 单自由度建模及求解

本文将该减振器的力学模型简化为多段非线性非对称模型,由非线性刚度、阻尼构成[17]。各段刚度、阻尼系数可通过曲线拟合获得。

质量m的单自由度振动系统的强迫振动微分方程为

$m \ddot{x} + k_{11} x + Κ (x) + C (\dot{x}) = Ρ \sin ω t$ (1)

(2)

(3)

式中,x为质量块的位移;K(x)、 $C (\dot{x})$ 分别为减振器的弹性力(非线性部分)与阻尼力;k11、k12分别为第1段(图1)的主刚度与副刚度;k2、k3、k4为第2、3、4段(图1)线性刚度;c1、c2、c3、c4分别为各段(图1)阻尼系数;e1～e3为非线性刚度、阻尼的拐点所对应的位移值;P、ω分别为激励载荷幅值与频率。

将式(1)中非线性部分与其线性部分相比,并将较小的项用小参数ε表示,令 $x = a \sin (ω_{0} t + θ), \dot{x} = a ω \cos (ω_{0} t + θ)$ ,其中 $ω_{0} = \sqrt{k_{11} / m}$ 。则式(1)可转化为标准方程组:

(4)

根据平均法[18],采用一次近似的KB变换,求得系统在固有频率共振峰附近的幅频特性函数为

$\begin{array}{l} ω^{2} = ω_{e}^{2} (A) - 2 δ_{e}^{2} (A) \pm \\ \sqrt{[ω_{e}^{2} (A) - 2 δ_{e}^{2} (A)]^{2} - [ω_{e}^{4} (A) - λ^{2}]} (5) \end{array}$

λ=P/(mA)

其中,δe(A)为等效线性衰减指数,ωe(A)为等效线性固有频率,其表达式如下:

当A<e2时,

$δ_{e} (A) = \frac{c_{1} + c_{2}}{4 m}$ (6)

$ω_{e} (A) = ω_{0} + \frac{1}{2 m ω_{0}} [\frac{3}{8} k_{12} A^{2} + \frac{1}{2} (k_{2} - k_{11})]$ (7)

当e2≤A<e3时,

$\begin{array}{l} δ_{e} (A) = \frac{1}{2 π m} [c_{1} π / 2 + c_{2} (θ_{02} + \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + \\ c_{3} (π / 2 - θ_{02} - \frac{\sin 2 θ_{02}}{2})] (8) \end{array}$

$\begin{array}{l} ω_{e} (A) = ω_{0} + \frac{1}{2 π m ω_{0}} {\frac{3}{8} π k_{12} A^{2} + (k_{2} - k_{11}) (θ_{02} - \\ \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + [(k_{3} - k_{11}) (\frac{π}{2} - θ_{02} + \\ \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + \frac{(k_{2} - k_{3}) e_{2}}{A} 2 \cos θ_{02}]} (9) \end{array}$

当e3≤A<e1时,

$\begin{array}{l} δ_{e} (A) = \frac{1}{2 π m} [c_{1} \frac{π}{2} + c_{2} (θ_{02} + \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + c_{3} (θ_{03} - θ_{02} + \\ \frac{\sin 2 θ_{03} - \sin 2 θ_{02}}{2}) + c_{4} (\frac{π}{2} - θ_{03} - \frac{\sin 2 θ_{03}}{2})] (10) \end{array}$

$\begin{array}{l} ω_{e} (A) = ω_{0} + \frac{1}{2 π m ω_{0}} {\frac{3}{8} π k_{12} A^{2} + (k_{2} - k_{11}) (θ_{02} - \\ \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + [(k_{3} - k_{11}) (θ_{03} - θ_{02} - \frac{\sin 2 θ_{03} - \sin 2 θ_{02}}{2}) - \\ \frac{(k_{2} - k_{3}) e_{2}}{A} 2 (\cos θ_{03} - \cos θ_{02})] + [(k_{4} - k_{11}) (\frac{π}{2} - θ_{03} + \\ \frac{\sin 2 θ_{03}}{2}) + \frac{(k_{2} - k_{3}) e_{2} + (k_{3} - k_{4}) e_{3}}{A} 2 \cos θ_{03}]} (11) \end{array}$

当A≥e1时,

$\begin{array}{l} δ_{e} (A) = \frac{1}{2 π m} [c_{1} (θ_{01} + \frac{\sin 2 θ_{01}}{2}) + c_{2} (θ_{02} + \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + \\ c_{3} (θ_{03} - θ_{02} + \frac{\sin 2 θ_{03} - \sin 2 θ_{02}}{2}) + c_{4} (\frac{π}{2} - θ_{03} - \frac{\sin 2 θ_{03}}{2})] (12) \end{array}$

$\begin{array}{l} ω_{e} (A) = ω_{0} + \frac{1}{2 π m ω_{0}} {[- (\frac{π}{2} - θ_{01} + \frac{\sin 2 θ_{01}}{2}) + \\ \frac{(k_{11} e_{1} + k_{12} e_{1}^{3})}{A} 2 \cos θ_{01}] + (\frac{3}{4} θ_{01} - \frac{\sin 2 θ_{01}}{2} + \frac{\sin 4 ϕ}{16}) k_{12} A^{2} + \\ (k_{2} - k_{11}) (θ_{02} - \frac{\sin 2 θ_{02}}{2}) + [(k_{3} - k_{11}) (θ_{03} - θ_{02} - \\ \frac{\sin 2 θ_{03} - \sin 2 θ_{02}}{2}) - \frac{(k_{2} - k_{3}) e_{2}}{A} 2 (\cos θ_{03} - \cos θ_{02})] + \\ [(k_{4} - k_{11}) (\frac{π}{2} - θ_{03} + \frac{\sin 2 θ_{03}}{2}) + \\ \frac{(k_{2} - k_{3}) e_{2} + (k_{3} - k_{4}) e_{3}}{A} 2 \cos θ_{03}]} (13) \end{array}$

$θ_{01} = \arcsin \frac{e_{1}}{A}, θ_{02} = \arcsin \frac{e_{2}}{A}, θ_{03} = \arcsin \frac{e_{3}}{A}$

3 结果分析

系统参数如下[19,20]:m=6250kg;k11=2.6×106N/m,k12=1.74×1010N/m3;k2=9×106N/m;k3=16×106N/m;e1=12mm;e2=4mm;e3=7mm;c1=2.5×104N·s/m,c2=3×104N·s/m,c3=3.2×104N·s/m,c4=3.6×104N·s/m。

3.1 幅频曲线特性

图2a所示为激励载荷幅值P=25kN时,系统在固有频率共振区附近的幅频特性曲线。图中幅频曲线呈现出一个较大拐弯,非线性特征明显。当激振频率缓慢增大时,振幅从B点连续变化至C、D点,再至共振尖峰值E点,突降至E′点;相反,当激振频率缓慢减小时,振幅从M点连续变化至 H、G点,再突升至G′点,然后至C、B点。因此EF、FG段所对应的振动为不稳定区。这种振幅突然变化的现象称为跳跃现象。另外,骨架曲线(等效线性固有频率曲线)随着振幅变化,系统固有频率也在变化,从而自动避开共振频率,有效抑制振幅、减缓冲击。

图2a中,当振幅A<e2时,是一硬弹簧的达芬系统。当e2≤A<e3时,BC、GH段表现出一段非线性与一段线性共同作用的硬弹簧幅频特性。当e3≤A<e1时,CD、FG段表现出一段非线性与二段线性共同作用的硬弹簧幅频特性。当A≥e1时对应DE、EF段,拐点虽仍向右倾斜,表现出硬弹簧的幅频特性,但曲线亦有向左弯曲形态,说明幅频曲线特性受到硬特性与软特性这两种非线性因素的综合影响;此时减振器回弹时,其上下部分将分离至不再接触,然后碰撞、重新接触压缩变形,其中不再接触时会导致其软弹簧特性。可见,严重载荷的强迫振动会导致减振器工作不稳定;但由于此极限工况极少发生,故如前文所言处理为小概率事件。

图2b所示为激励载荷幅值P=15kN时,系统在固有频率共振区附近的幅频特性曲线和传递率曲线。图2中,系统共振频率在2～8Hz的低频区域;力传递率系数随着频率增大,上升较缓慢,减振性能较好。可见,该减振器适合于自身固有频率和行驶作业振动主频率均较低的工程机械;并且该减振器在重载下,振动位移幅值变化不大(小于12mm),可满足支承强度及稳定性要求。

3.2 激励幅值与幅频特性关系

图3a所示为激振载荷幅值与振幅、振频之间的三维关系。由图3a可见:在同一振频下,随着激励载荷的增大,振幅变大;同一振幅下,当载荷增大时,固有频率却基本不变(因刚度同时也变大)。故减振器在不同激励载荷下,具有不同的非线性振动响应,从而适应激励载荷多变的要求,使重载和轻载都有较好的减振效果。

图3b所示为共振峰值恰为各拐点值时的幅频曲线。由图3b可知:当P≤3669N时,减振器仅作达芬系统振动,减振性能一般;当3669N<P≤7499N时,减振器作一段非线性、一段线性共同作用的分段振动,减振性能较好;当7499N<P≤18 222N时,减振器作一段非线性与两段线性共同作用的的分段振动,减振性能突出。因此,激励载荷越大,减振器的阻尼减振性能越突出;适合在大载荷工况下工作。

3.3 非线性刚度值与幅频特性关系

图4a所示为第一段主刚度k11和振幅、振频之间的三维关系。在同一振频下,随着k11的增大,振幅也变大;同一振幅下,随着主刚度k11的增大,系统固有频率也变大。故适当降低k11值,可降低系统振幅和固有频率。

以初始数据得到的幅频曲线1为参照,每次其他参数不变,依次改变k12、k2、k3的值,得到幅频曲线2～4,如图4b所示。将曲线1分别和曲线2～4对比可知,增大k11、k2、k3值,振幅变小,但不稳定区域变大,跳跃现象也更加明显。故在系统稳定性要求范围内,可适当增加k12、k2、k3值,以降低振幅。

3.4 阻尼值与幅频特性关系

图5a所示为阻尼c1与振幅、振频之间的三维关系,同一振幅下,阻尼增大,而固有频率不变,表明阻尼对系统固有频率不产生影响。图5b所示为分别改变阻尼c1、c2、c3而得到的幅频曲线。由图5可知,随着阻尼值的增大,系统共振尖峰幅值均变小。因此,在黏弹性减振器的发热功率允许范围内,增加阻尼值,可显著降低系统的振动幅值。

3.5 质量与幅频特性关系

图6所示为质量分别为5000kg和8000kg时的幅频曲线。由图6可见,随着质量m增大,振幅变大,而系统等效线性固有频率变小。故选取减振器的特性参数时,须考虑其承载质量参数而确定,以减小振动。

4 结论

(1)黏弹性减振器可自动避开共振频率,且力传递率系数在固有频率共振区上升缓慢,阻尼减振性能较好;振动位移幅值变化较小,满足重载下的支承强度及稳定性要求。

(2)在系统稳定性要求范围内,适当降低k11值,或增加k12、k2、k3值,可有效降低系统振幅;在黏弹性减振器的发热功率允许范围内,增加阻尼值,亦可显著降低系统振幅。

(3)黏弹性减振器适合在低频、大载荷工况下工作;其力学特性参数应与承载质量相匹配。

摘要：为研究黏弹性减振器的非线性阻尼缓冲性能,根据其结构特点和非线性特征,建立单自由度分段非对称非线性振动模型,并由平均法推导出系统固有频率共振区附近的幅频特性方程。以安装在某300kW履式拖拉机的黏弹性减振器为应用对象进行研究,分析系统在固有频率共振区附近的非线性特性和阻尼减振性能。讨论了幅频特性分别和激励幅值、刚度系数、阻尼系数、质量之间的关系,并提出改善系统减振性能的建议。

黏弹性阻尼器篇3

在结构中附加消能减振(震)装置是结构被动控制方法中比较有效的措施之一。其中粘弹性阻尼器是一种基本上与速度相关的被动消能减振(震)控制装置,主要依靠粘弹性阻尼材料的滞回消能特性来增加结构的阻尼,减小结构的振动反应。

1 粘弹性阻尼器的力学性能

粘弹性阻尼器的力学性能主要包括:粘弹性阻尼的耗损因子η(η=G2/G1)、储存剪切弹性模量G1、损耗剪切弹性模量G2[2]。

如果确定了粘弹性材料的参数G1,G2和η,可按下式求解粘弹性阻尼器的储能刚度kd1和耗能刚度kd2。

kd1=G1A/h,

kd2=G2A/h。

其中,A和h分别为粘弹性材料的面积和厚度。

2 粘弹性阻尼器的减震效果

2.1 计算实例

为了研究粘弹性阻尼器对建筑结构地震反应的减震效果,以一个四层框架结构为例,输入水平地震波进行时程分析。

某四层框架综合楼,柱网布置如图1所示,柱截面500×500,设防烈度8度,Ⅱ类场地,设计第一组,采用C25混凝土,E=28 000 N/mm2。

2.2 减震效果分析

计算结构的水平地震响应时,由水平方向输入3条地震加速度记录[3]Elcentro波(适合Ⅱ类,Ⅲ类场地),松潘文县波(适合Ⅱ类场地)以及云南禄劝波(适合Ⅰ类场地),只考虑8度大震的情况,罕遇地震时的加速度峰值400 gal。

2.2.1 加速度反应

采用Wilson-θ法对该结构进行时程分析计算,其加速度反应如图2～图7所示。

输入云南禄劝波,主结构的最大加速度反应减少40.7%,输入松潘文县波,主结构的最大加速度反应减少28.0%,输入Elcentro波,主结构的最大加速度反应减少37.5%。可以看出加了阻尼器以后的结构减震效果较为明显。

2.2.2轴力反应

以Elcentro波为例可以得到各层减震前后的轴力反应,如图8所示。

从图8明显可以得到,利用阻尼器减震后结构的轴力反应明显降低了,大约是未减震之前的65%。

3结语

文章选用无条件稳定的Wilson-θ法来求解运动方程,其中θ取1.4。为了分析比较,文章对设置粘弹性阻尼器支撑的结构和纯框架结构分别进行了地震反应时程分析计算。在计算中,设置粘弹性阻尼器支撑的结构比纯框架结构的各层加速度减小了约35%,这表明结构安装了粘弹性阻尼器后,能够产生较强的耗能控制力,显著地增加了整个结构的耗能能力,减弱了传至主体框架结构上的地震荷载,达到了对结构振动控制的目的。

摘要：指出粘弹性阻尼器是抗震被动控制中一种十分有效的耗能减震装置,根据粘弹性阻尼材料的力学性能,对设置粘弹性阻尼器的钢筋混凝土框架结构进行了结构地震反应时程分析,并根据计算结果对其减震效果进行了分析讨论。

关键词：粘弹性阻尼器,消能减震,加速度反应

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黏弹性阻尼器篇4

地震是地球上最严重的自然灾害之一。而我国是多发地震的国家, 其特点是地震区域广阔而分散, 频繁而强烈, 地震基本烈度6度以上的地区占全国国土面积约60%以上。地震灾害的频繁发生对我国的经济发展与人民生命安全造成了巨大的威胁。人们逐渐认识到传统抗震方法具有局限性和不可改变性, 因此如何能高效、可靠且经济地减小结构的地震响应是科研人员研究的热点。

1耗能减震的概念、原理与分类

在结构物的某些部位 (如支撑、剪力墙、节点、连接件、楼层空间、主附结构间等) 设置耗能装置, 通过耗能装置产生摩擦、弯曲弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量, 从而减小主体结构的地震反应, 称为结构的耗能减震技术。在遭遇小震和设计风荷载作用下时, 耗能减震结构处于弹性状态下, 其向主体结构提供刚度, 从而保证结构满足正常使用的要求;耗能装置在中震、大震及强震的作用下时, 率先进入耗能的状态, 产生一定的阻尼, 耗散地震输入结构的大部分能量, 并迅速衰减结构的动力反应, 而主体结构不出现明显的非弹性, 从而确保其在强震或强风作用下的安全性及正常使用性。与传统抗震体系相比, 耗能减震结构体系具有安全性、经济性和技术合理性等突出优点。

2工程概况

西安市某综合楼为二层钢筋混凝土框架结构建筑物, 平面呈“一”字型, 东西长50.400 m, 南北宽14.400 m, 一层层高4.600 m, 二层层高4.350 m。该工程原设计为四层钢筋混凝土框架结构, 由于建设单位资金原因, 在施工时只施工至两层, 现由于使用需要, 欲在该建筑物二层上部加建两层钢结构房屋。抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度值为0.07 g, 地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期取0.35 s。根据国家标准《建筑抗震鉴定标准》 (GB50023-2009) 中的相关要求, 该工程在8度区多项抗震构造措施不能满足抗震鉴定标准要求。采用SAP2000大型有限元计算软件对原结构进行时程分析, 计算结果表明, 该工程一、二层钢筋混凝土结构最大弹性层间位移角限值为1/470, 不能满足国家标准《建筑抗震设计标准》 (GB50011-2010) 中的相关规定 (钢筋混凝土框架弹性层间位移角限值θe为1/550) , 因此需要抗震加固。

3减震方案

3.1 阻尼器选型

粘弹性阻尼器目前在国内应用较多、较为成熟。相比其它阻尼器, 粘弹性阻尼器具有以下优点:①造价低廉, 粘弹性阻尼器的使用便于消能减震技术的推广和应用;②粘弹性阻尼器可以同时提供给结构附加阻尼和附加刚度。因此当结构刚度分布不均匀或者具有薄弱层的情况下, 粘弹性阻尼器可以提供附加刚度给结构刚度较小的部分, 使得结构整体刚度分布均匀, 避免结构因出现刚度突变而造成地震作用的放大现象;③粘弹性材料是一种类似于橡胶的高阻尼材料, 其运输、安装、使用、维护都非常方便和快捷。

因此本工程采用粘弹性阻尼器对该建筑进行抗震加固。

3.2 阻尼器布置方案的确定

粘弹性阻尼器是由高耗能粘弹性材料和约束钢板组成, 钢板和粘弹性材料通过硫化的方法粘结在一起。在地震激励作用下, 阻尼器产生位移, 阻尼器中的粘弹性材料因变形而耗散大量能量, 从而达到减小结构振动的目的。本工程所采用的粘弹性阻尼器如图1所示, 布置形式是在人字斜撑上设置粘弹性阻尼器, 如图2所示。粘弹性阻尼器一般设置在能产生相对变形的位置, 阻尼器的数量、位置通过多轮时程分析进行优化调整后确定, 以最大的发挥阻尼器的性能, 选择在结构中布置24个粘弹性阻尼器, B-C交1轴、5轴、8轴每层各设置2个, 共计12个;4-5交A轴、B轴、C轴每层各设置2个, 共计12个。

3.3 结构的减震分析

地震波选用El-Centro 波, 加速度峰值调整为0.07 g, 步长0.02 s, 持时30 s。采用SAP2000软件对结构分析, 实体模型如图3所示。

(1) 模态分析结果。

从振型的周期横向对比中可知, 各层布置粘弹性阻尼器后, 结构的周期减小, 频率增大, 说明设置粘弹性阻尼器后, 结构的刚度有所增加, 结构的动力性能有所改变。

(2) 层间位移角分析。

加入粘弹性阻尼器后结构x、y方向的层间位移角得到了很好的控制, 特别是粘弹性阻尼器使得结构的层间位移角减小到了规范允许的范围内, 使其满足了抗震规范的要求, 保证了结构在多遇地震下的变形要求。其具体的层间位移及层间位移角对比数据见表2。

根据以上对该建筑物X、Y方向的计算结果, 粘弹性阻尼器对于该建筑物的减震效果能达到8～35%左右 (各层均不相同) , 较好的起到了控制作用。

(3) 框架结构时程分析。

采用EL-Centro波对该框架结构进行了时程分析, 分别选取模型结构中的37号点作为结构控制点, 以对比结构在未加设粘弹性阻尼器及加设粘弹性阻尼器下的地震动力反应, 结构中两个结构控制点位移、速度、加速度的对比如图4～6所示。

通过对以上两个结构控制点进行位移、速度、加速度的对比分析, 在结构中设置粘弹性阻尼器可以有效降低混凝土框架结构的地震响应, 结构顶点位移、速度以及加速度等主要地震反应指标均能够得到有效的控制, 这在保护框架结构安全, 方便施工, 降低工程造价等方面均能够起到重要的意义。

4结语

采用粘弹阻尼器的消能减震技术主要的优势有:①耗能减震效果明显, 经过合理设计, 能够满足抗震要求。此外, 设置的消能构件属于“非承重构件”, 对结构的承载能力不构成任何的影响, 具有高度的安全性和可靠性;②与传统抗震结构体系相比, 设置粘弹性阻尼器是通过“柔性耗能”来减少结构地震反应, 可以减少构件断面, 减少配筋, 有效节约经费同时缩短工期;③施工现场无湿作业, 能保持原建筑外貌不变, 基本不影响原建筑的正常使用功能。通过本工程的设计, 证明了粘弹性阻尼器在框架结构抗震加固中的可行性和经济性, 其在消能减震控制中的具有广泛的工程应用前景。

参考文献

[1]许利利.基于MR阻尼器在框架结构中减震中的研究与应用[D].西安:西安科技大学.

[2]刘鸣.结构振动控制的应用及若干问题[J].长安大学学报, 2003, 20 (4) :5-12.

[3]刘军生.粘弹性阻尼器在钢筋混凝土框架结构中的应用研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2010.

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