阻尼器在结构振动控制中的应用

刘静静 赵立军

【摘 要】当今社会科学技术发展势头迅猛，消能减震技术在结构抗震、抗风等结构振动控制中的应用越来越广。文章结合实际情况对于阻尼器在土木工程的结构振动控制的研究与应用情况展开了讨论，对于相应类型的阻尼器的类型、构造以及原理进行了详细的阐述，同时对阻尼器消能减震技术的应用特色进行了总结。

【关键词】消能减震； 阻尼器； 应用

引言

截止到目前，消能减震技术不断发展完善，俨然已经成为结构振动控制的一项非常重要的手段。结构的动力特性得到了有效的完善，从而使得建筑结构在地震、风振的作用下的振动响应得到了有效的控制。早在古代社会，人们利用减震技术建造了一座座各种各样的建筑，这些建筑历经无数次大震小震，直到今日依旧完美如初，这充分说明了减震技术的可行性，值得我們深入思考研究。用全新的"以柔克刚"思维方式取代以往的"以强制强"，用"消能减震"代替"增强结构"，完成了"小震不坏、中震可修、大震不倒"的目标，有效的对地震响应进行了控制。现阶段，人们将阻尼器安装在建筑结构中，这是当前最为常用的消能减震技术之一。自从我国的北京饭店、中国革命历史博物馆等重要建筑中安装了阻尼器，用于抗震加固之后，我国的消能减震技术翻开了历史的新篇章。

一、结构的消能减震装置

经历数十载的发展研究，消能减震技术愈加成熟，种类不断齐全，主要可以分为速度相关型和位移相关型。其中常见的位移相关型阻尼器包括金属阻尼器、摩擦阻尼器，在外界荷载的作用下，发生的位移达到预定界限，方可发挥其作用；最为常见的速度相关型阻尼器包括粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器，其性能的发挥和速度有着密切的联系。现阶段我国的消能减震阻尼器主要存在以下几种类别。

（1）粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器主要由粘弹性材料和约束钢板组成。在外界作用下粘弹性材料通过剪切变形或者拉压变形来完成对振动能量的耗散。一般可分为拉压型阻尼器和剪切型阻尼器。粘弹性阻尼器将一部分能量储存起来，另一部分以热能的方式进行耗散[1]。粘弹性阻尼器耗能能力优异，制作工艺简单快捷、安装方便、具有较强的实用性；但是同时也有明显的缺点，由于粘弹性材料的自身属性导致其耗能能力受外界温度的影响比较明显[2]，当应变量较大时，粘弹性在发生作用的过程中会产生热量，将会呈现非线性变化，这将导致其耗能能力大打折扣。

（2）粘滞阻尼器

粘滞阻尼器在军事以及航空领域的应用比较广泛，到后来逐步开始在建筑振动控制中应用。其工作原理依靠气缸内部的硅油以及活塞，震动中将活塞的动能转化为热能，此种阻尼器应用范围广，振动控制效果好，同时在较宽频带内维持线性反应，不受外界温度影响、阻尼力和位移不同步，尤其是对层间剪力以及加速度的控制效果尤为明显[3]。唯一的缺点就在于加工制作有一些难度，但是其所具有的优良抗震效果在结构振动控制领域倍受青睐。

（3）金属阻尼器

最常见的的金属阻尼器是由多块X 型的钢板叠加制成的，X型钢板在外界作用下发生了侧向弯曲，由此实现对结构振动能量的消耗[4]。当前已经开发并投入应用的包括：钢棒阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金、软钢阻尼器等。金属阻尼器耗能能力优异、制作工艺简单、同时便于更换、不受外界环境的影响、成本低。不但能够同隔振系统相配合使用，同时也可作为单独装置用于大变形的结构控制，提升了结构的阻尼、刚度，具有良好的应用前景。

（4）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器主要是依靠装置自身产生相对滑移变形，依靠相关结构之间的摩擦或者阻尼力实现对地震能量的消耗。遭遇小震或者风荷载作用下，摩擦阻尼器并未开始工作模式，主要是依靠结构自身耗能能力来完成对能量的消耗。而在遭遇中震或者大震的情况下，主体结构在发生较大变形之前阻尼器开始发挥作用，有效的控制地震响应，实现振动控制[5]。

（5）电磁阻尼器

电磁阻尼器是近期开发的新型阻尼器，利用电磁学原理，金属板在磁场中运动，相应的会产生涡流，由机械能转化为电阻热能，由此来实现对能量的消耗[6]。根据能量守恒定律不难看出，涡流板在磁场的运动过程中，将自身的机械能转化为电能，随后电能转化为热能耗散；从力学的角度进行分析，涡流板与磁盒的相对运动发生了阻尼作用，相应的起到振动控制。电磁阻尼器是一种全新的耗能器，其结构比较简单、造价较为低廉、占用空间适中、便于安装、持久耐用。

二 消能减震技术的特点

2. 1 消能减震结构的优越性

首先，基于抗震效果来分析，大震来临时，减震装置率先发挥作用，进入效能状态，将大量的地震能量予以吸收消耗，相比起一般的地震反应，可降低为40% ～ 60%。其次，基于经济因素的考虑，阻尼器消能减震技术成本低，相比起传统抗震机构可节约10% 左右的造价，对于既有建筑的加固甚至可以节省高达60%的造价。最后，基于社会效益的考虑，阻尼器消能减震技术震后维修极为方便快捷，只需对减震装置实施维修或者更换即可。

2. 2 阻尼器消能减震技术的优点

第一、 阻尼器的安装操作简单、成本低廉，无需外界能量供给；第二、阻尼器消能减震技术能够实现对结构的水平与竖向地震作用同时控制，适用于不同结构类型或者不同高度的建筑，应用快捷方便。

第二、 2. 3 消能减震技术在应用发展中的展望

其一、做好弹塑性状态下对三维阻尼器模型进行分析求解的理论研究；其二、实现阻尼器的布置不影响结构立面，内部使用以及美观要求；最后、进一步总结探索，研制出性能更加优异、效果更佳、同时成本较低便于使用的阻尼器。

结束语：

本文对相关类型阻尼器的耗能原理，总结了他们的特点，为不同工程中阻尼器的选择提供了指导。相关专业的研究人员在具体应用的过程中需要不断总结探索，对阻尼器进一步优化，为我国的抗震事业做出应用的贡献。

参考文献：

[1] Zhang RH et al. Seismic response of steel frame structures with added viscoelastic dampers [J]. Earthquake Engrg and Struct Dyn，1989，（ 8） ： 389 - 396.

[2] Chang KC et al. Effet of ambient temperature on viscoelastically

damped structure[J]. Struct engrg， 1992，118（7） ： 1955 - 1973.

[3] 郑久建，孟凡兴，刘瑞勇. 粘滞阻尼器减震结构分析及设计方法[M]. 沈阳： 东北大学出版社， 2009.

[4] 吴从晓，周云，王廷彦. 金属耗能器的类型、性能及工程应用[J].工程抗震与加固改造，2006， 28（ 1） ： 87 - 94.

[5] Filiatraut A ，Cherry S. Seismic design spectra for friction -damped structures [J]. Journal of Structural Engineering， 1990， 116（ 5） ： 1334 - 1355.

[6] 朱坤，邹向阳，王晓天.新型电磁阻尼器性能初步研究[J].世界地震工程，2009，25（4）：194-198.