结构阻尼

浅析结构阻尼

院系:土木工程学院

班级:研1404

姓名:张晓彤

学号:143085213123

日期:2014年11月24日

摘要：结构阻尼是描述振动系统在振动时能量损耗的总称。包括DTC东泰五金阻尼、阻尼铰链、阻尼滑轨粘性阻尼、干阻尼、滞后阻尼和非线性阻尼。本文主要总结和阐述了阻尼减震结构的概念与原理，结构减震控制的原理与概念，耗能减震的概念原理与分类，以及粘滞阻尼、金属耗能、粘弹性阻尼、摩擦耗能减震的原理与概念，以及各自的应用范围。

关键词：减震金属耗能摩擦耗能粘弹性阻尼粘滞阻尼

前言

地震和风灾害严重威胁着人类的生存和发展，自从人类诞生以来人们就为抗拒这两种自然灾害而奋斗。随着科学技术和人民生活水平的提高，预防与抵御地震和风灾的能力也在不断的提高，结构减震（振）控制技术作为抗御地震（强风）的一种有方法，也得到了发展和应用，并成为比较成熟的技术，结构减震（振）控制方法改变了通过提高结构刚度、强度和延性来提高结构的抗震抗风能力的传统抗震抗风方法，而是通过调整或改变结构动力特性的途径，改变结构的震（振）动反应，有效的保护结构在地震强风中的安全。在结构中加入耗能器来控制结构的地震和风振反应的耗能减震（振）方法是结构减震控制技术中一种有效、安全、可靠、经济的减震（振）方法。

1 阻尼结构的概念与原理

1.1结构减震控制的基本概念

传统的结构抗震方法是通过增强结构本身的抗震性能（强度、刚度、延性）来抵御地震作用的，即由结构本身储存和耗散地震能量，这是被动消极的抗震对策。由于地震的随机性，人们尚不能准确的估计未来地震灾害作用的强度和特性，按照传统抗震方法设计的结构不具备自我调节功能。因此，结构很可能在地震或风荷载作用下不满足安全性能的要求，而产生严重破坏或倒塌，造成重大的经济损失和人员伤亡。

合理有效的抗震途径是对结构安装抗震装置系统，由抗震装置与结构共同承受地震作用，即共同存储和耗能地震能量，以调节和减轻结构的地震反应。这是积极主动的抗震对策，也是目前抗震对策中的重大突破和发展方向。

1.2结构减震控制的分类

结构减震控制根据是否需要外部能量输入可分为被动控制、主动控制、半主动控制、智能控制和混合控制。

1.3耗能减震的概念

结构耗能减震技术是在结构物的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、联结缝或连接件、楼层空间、相邻建筑间、主附结构间等）设置耗能（阻尼）装置（或元件），通过耗能阻尼装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）、弹塑（或粘滞、粘弹）性滯回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。耗能阻尼装置元件和支撑构件构成耗能部件，装有耗能

部件的结构称为耗能减震结构。

1.4耗能减震的原理

耗能减震结构在小震和设计风荷载作用下，耗能部件基本处于弹性状态，主要给主体结构提供足够的刚度或阻尼，使耗能减震结构满足正常使用的要求；在中震、大震及强震作用下，耗能阻尼装置元件率先进入耗能工作状态，产生较大的阻尼，大量耗散输入结构中的能量，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变形，从而确保结构在强震或强风中的安全性和正确使用。

耗能减震的原理可以从能量的角度来描述，结构在地震中任意时刻的能量方程为：对于传统抗震结构: in e k c h E E E E E =+++

'''''in e k c h d E E E E E E =++++对于耗能减震结构：

在上述能量方程中, e E k E 'e E 'k E 仅仅是能量的转换,不导致能量消耗,E c 和'c E 一般只占总能量的很小部分（5%左右），可忽略不计。对于传统的抗震结构，主要依靠h E 消耗输

入结构的地震能量，因此结构构件在利用自身变形耗能的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏，而且耗能越多，破坏越严重;而对于耗能减震结构，耗能减震器或耗能元件在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构的地震能量，因而结构本身需耗散的能量很少，结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其免受损伤而破坏。

1.5耗能减震装置的类型

耗能减震装置可以用不同的材料、不同的耗能机制、不同的构造来制造。目前，研究开发的耗能减震装置种类很多，从耗能减震装置与位移和速度的相关性来分，可以分为位移相关型和速度相关型及位移-速度相关型（复合型）耗能器，从耗能器制造所用的材料可以分为金属耗能器、粘弹性耗能器和智能材料耗能器，从耗能器的耗能机制可以分为摩擦耗能器、弹塑性耗能器、粘滞耗能器和电磁感应式耗能器，从受力的形式上可以分为弯曲型、剪切型、扭转型、弯剪型和挤压型耗能器。

耗能阻尼器可以增加结构阻尼和刚度，减小结构在地震作用下的动力反应。结构在地震时会产生一定的变形，如果将这种变形的建筑比作一个驼背的人，则耗能阻尼器就好像是扶杖，它可以增加刚度和阻尼，使得结构不至于倒塌。

2各耗能减震的概念与原理

2.1摩擦耗能减震的概念与原理

2.1.1

（1）摩擦耗能隔震结构

在建筑物上部结构和下部基础之间采用石墨、云母片、砂粒层之类的材料作为摩擦耗能隔震层，当地震发生时通过隔震层的摩擦耗能来减少输入上部结构的地震能量，减小结构地震反应以保护结构的安全。

摩擦耗能隔震结构不但建造简单、造价便宜，而且其最大的优点是没有明确的周期，因

此对于不同周期特性的地震作用都能起到一定的隔震作用，但是，摩擦耗能隔震层也存在一定的不足，具体如下：

①动摩擦系数不易掌握，另外由于老化、侵蚀或磨碎等原因还将引起摩擦系数的改变；

②摩擦面太大，不易做到受力均匀；

③没有自复位功能，上部结构可能会产生过大的滑动移动，震后复位困难。

鉴于上述缺点，单纯靠采用摩擦耗能隔震层来对结构进行耗能减震控制，其控制效果便显得不是很突出，也缺乏工程实用性及适用性，因此，目前采用较多的是复合摩擦耗能隔震装置，即在隔震层中，通过附加复位装置或限定装置以防止上部结构产生过大的滑动位移。

（2）摩擦耗能支撑结构

在结构中安装带有摩擦耗能器的支撑结构，利用摩擦耗能器的摩擦来耗能，并通过耗能支撑与结构的相互作用来减小结构动力反应，以保证结构的安全性和适应性。

一般来说，摩擦耗能装置可以采用不同的机械组合方式和不同的摩擦介质，但其基本机理都是一致的，通过滑动摩擦做功来耗散输入结构的能量。对于摩擦耗能隔震结构，由于摩擦耗能隔震层自身存在一定的不足，使其不能广泛推广应用于实际工程中，取而代之的更多是采用技术更为成熟的叠层橡胶隔震支座。

目前，对于采用摩擦耗能原理对结构进行减震控制，主要是指在结构的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件等）设置摩擦耗能装置，通过耗能装置所产生的摩擦滞回变形来耗散地震输入结构中的能量，以减小主体结构地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，达到减震控制的目的。

2.1.2摩擦耗能装置及摩擦耗能结构的耗能机制

在实际工程中，通常在框架结构中安装由摩擦耗能装置和支撑共同组成的摩擦耗能支撑，形成摩擦耗能支撑框架。

在风荷载和小震作用下，摩擦耗能支撑不产生滑动，主体结构处于弹性状态，摩擦耗能支撑相当于普通支撑仅为结构提供足够的抗侧刚度，满足其正常使用的要求，在中震或大震作用下，摩擦耗能支撑在主体结构构件屈服之前，按预定滑动荷载产生滑移，提供了依靠摩擦耗散能量的机制，同时由于摩擦耗能器滑移时只承担固定的荷载，即摩擦耗能器起滑动摩擦力保持不变，其余荷载仍由结构来承担，这时在结构的其他楼层间将发生力的重分配，促使其他所有的摩擦耗能器产生滑移共同耗能，地震能量大部分由摩擦耗能支撑消耗，主体结构只承担一小部分的能量，从而避免或延缓主体结构产生明显的非弹性变形，保护主体结构在强震中免遭破坏。

摩擦耗能支撑在滑移过程中不仅消耗了大量地震能量，而且在滑移过程中还改变了原结构的自振频率和基本振型，减小了结构的振幅，避免了结构的共振或准共振效应，进一步避免结构产生严重破坏。

2.2粘弹性耗能减震的概念与原理

粘弹性阻尼器是一种有效的被动减震控制装置，它主要依靠粘弹性材料的滞回耗能特性，给结构提供附加刚度和阻尼，减小结构的动力反应，以达到减震的目的。

典型粘弹性阻尼器是由两个T形钢板夹一块矩形钢板组成，T形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，在反复轴向力作用下，T形约束钢板与中间钢板产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗散能量。

耗能装置的耗能能力可以用其在力（或弯矩）作用下发生位移（或转动）时所作的功来衡量，也就是可以用力（或弯矩）与位移（或转角）的关系曲线所包络的面积来表示，包络的面积越大，耗能的能力就越大，减震的效果就越明显。粘弹性阻尼器滞回环

呈椭圆形，具有良好的耗能性能，它能同时提供刚度和阻尼，由于粘弹性材料的性能受温度、频率、应变和幅值等因素的影响，大量的研究结果表明，其耗能能力随着温度的增加而降低，随着频率的增加而增加，在高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退回至某一平衡值，当应变幅值小于50%时，应变的影响不大，但在大应变的激励下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退回至某一平衡值。

粘弹性阻尼器通常安装在主体结构两点间相对位移较大处，由于在地震或强风作用下两点间产生往复的相对位移，因此，耗能阻尼器也作往复运动，从而带动粘弹性阻尼材料变形而耗散结构中的能量；粘弹性阻尼器还可以安装在互联结构中和多结构联系体

系中，利用结构之间或主体结构与附属结构之间的相对位移，使耗能器产生耗能。

2.3金属耗能特性与减震原理

2.3.1金属耗能的特性与减震原理

金属的弹塑性变形时消耗地震输入能量最有效的机制之一，制作金属耗能器通常的金属材料有钢材（软钢和低屈服点刚）、铅和形状记忆合金等。为了了解金属耗能器的特性，必须研究金属产生塑性变形的机制。

如果应变继续增加，它将达到一个材料屈服值。屈服点在隔震和耗能减震器设计中特别重要。应力进一步增加导致产生的塑性段曲线，对铅来说塑性段曲线接近水平，软刚的塑性段曲线以中等坡度上升。如果应力从一个很高的值降到零。卸载时金属不再回到其初始状态，而留有残留变形。卸载曲线有与弹性段相同的梯度，即杨氏模量和剪切模量。

2.3.2钢材的耗能特性与减震原理

地震时，金属耗能器必须先于梁柱等结构构件进入塑性，而且必须在设计期望的应力水平进入塑性状态。金属耗能器先于其他构件发生塑性的目标，通过精心的形状设计、采用合适的使用方法是可以实现的，对于具有低屈服点特性的钢材，则这一目标更容易实现.为此要求用于制造耗能器的钢材应具有低屈服点,平时我们所说的软钢和低屈服点钢都具有这样的特性.我国的软钢是屈服点为235 N/mm2级别的钢材，而把屈服点为100 N/mm2一下级别的钢材称为极低屈服点钢，通常也叫做低屈服点钢。

几乎所以的钢弹塑性耗能器都是由软钢和低屈服点钢制成的，这与软钢和低屈服点钢的基本性能是分不开的。软钢和低屈服点钢有密度大、塑性好、线膨胀系数大和屈服强度低等特点。可知软钢、低屈服点钢在弹塑性变形过程中可吸收大量的能量、综上所述，软钢、低屈服点钢在弹塑性变形过程中可吸收大量的能量，有较高的柔性和延展性，有较好的变形追踪能力，环境和温度对其性能没有明显的影响，并且钢材具有造价低廉等特点。因此，软钢和低屈服点钢适合制作各种类型的钢耗能器。

2.4粘滞阻尼减震的原理

2.4.1粘滞材料的耗能机理

δπ；而理想弹性材料理想的粘性材料的应力与应变之间存在滞后现象，相位差=/2

δ。因此，在正弦交变应力作用下，理想的应力与应变之间不存在滞后现象，相位差=0

的弹性材料智能存储能量，不能耗散能量，体现材料的刚度特性，然而在实际的工程应用中，理想的粘性或弹性材料是不可获得的，粘滞阻尼器中的粘滞材料也一样，它的应

力与应变存在滞后现象，相位差0~/2δπ介于之间，因此既能存储能量，又能耗散能量。 一般来讲，材料的耗能特性可有三种参数来描述：储能模量'''''

'==tan G G G G

ηηδ、耗能模量和耗能因子。参数之间的关系为：

而影响储能模量、耗能模量和耗能因子的主要因素是温度、振动频率和振幅大小，在适当的温度、频率和振幅范围内，承受交变应力时材料具有很强的耗能能力。另外，阻尼材料滞回曲线所包围的面积越大，耗能能力就越强。

2.4.2粘滞阻尼减震的基本原理

阻尼是结构振动衰减的根本原因，但实际结构中由于阻尼特性的复杂性而不能将其准确定位，所以在结构分析中通常认为结构阻尼为线性粘滞阻尼，认为阻尼力与速度成正比。同时假定结构中设置粘滞阻尼器所附加给结构的阻尼与结构本身的阻尼相一致。 结构减震原理可以通过单质点体系SDOF 振动分析来阐明，其运动方程为： ...

()mu cu ku f t ++= 结构减震的效果除了和附加阻尼比有关外，还和地震波的性质有极大的关系，同时减震结构的阻尼比δ最大不宜超过0.3，否则不能达到结构设计的经济性。

由于普通钢筋混凝土结构的阻尼比约为0.05，而普通钢结构的阻尼比约为0.02，所以地震发生时结构振动一般都处于放大效应状态，调整阻尼或结构的频率就成为降低结构反应的重要途径。还可以得到减震和隔震的本质区别：减震就是通过增大结构的阻尼来减小结构的动力反应，而隔震是通过调整结构的固有频率使其远离干扰频率来减小结构的动力反应。但同时也应该注意到，隔震结构中也有阻尼器耗散能量，而减震结构也改变了结构的自振特性，所以二者也具有一定的联系。

3 应用范围

3.1摩擦耗能减震的应用范围

从耗能机制上看，摩擦耗能器属于位移相关型耗能装置，耗能器必须产生一定的滑动位移才能有效耗能，因此，对于摩擦耗能结构，在地震作用下合理的位移控制是十分关键的，这样既保证摩擦耗能器产生滑动摩擦，以消耗地震能量，减小结构的反应，同时又不使主体结构因过大的变形而产生损伤和破坏，保护主体结构的安全。摩擦耗能器较多的应用于一下结构：

（1） 中高层建筑

（2） 单层或多层工业产房

（3） 钢结构，高耸塔架

（4） 超高层矩形建筑结构

3.2粘弹性阻尼器的应用范围

粘弹性阻尼器性能可靠、构造简单、制作方便、它能给结构提供刚度和较大的阻尼；它的力与位移滞回曲线近似于椭圆形，耗能能力强，能够有效减小建筑物的风振及地震反应，具有广泛的工程适用性。

可应用于层数较多、高度较大、水平刚度较小、水平位移较明显懂得多层、高层、超高层建筑和桥梁、管线、塔架、高耸结构、大跨度结构等。可用于结构的抗风减震中，又可适用于结构的抗震减震中，新建工程和震损结构的加固及震后修复工程。

3.3金属耗能减震的应用范围

一般而言，金属耗能器可适用于各种类别及外形的建筑结构。耗能器的相对位移增大，其耗能能力也相应增大，因此，耗能器更适用于较柔的结构体系。对于刚度较大的钢筋混凝土剪力墙或砌体结构，设置耗能器对于控制早起裂缝也是有利的。金属耗能器既可用于现有的建筑的抗震加固和震损结构的抗震加固与修复，又可用于新建建筑。对于其他的耗能器，金属耗能器有较大的耗能能力，它更适用于巨型结构的耗能减震。

3.4粘滞阻尼器的应用范围

粘滞阻尼器在建筑结构中得到了广泛的应用,不仅开辟了结构工程的一片新天地,而且解决了很多传统结构解决不了的问题.阻尼器在建筑结构上的应用,在以下几个方面展现出了巨大的优势:

(1)作为地震工程，抗风工程几大难题的解决途径，特别适用于软土地基、复杂结构、

多维震动；

(2)阻尼器的潜力很大，可用于抵抗预想不到的超载的结构物

(3)建筑物之间的连接，可以减少结构耦联、振动和碰撞

(4)体育场馆，特别是开启式屋顶

(5)超高层建筑抗风、抗震，特别是钢结构

(6)减少振动的TMD系统

(7)特别重要的建筑-核电站、机场控制室、军事工程、医院

(8)需要降低建筑结构的造价的抗震抗风建筑

参考文献

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