工程结构粘滞流体阻尼器减振新技术及其应用
BND工程结构抗震粘滞流体阻尼器在2008年北京奥运会等重点工程中应用实例简介
第33卷 增刊2007年12月四川建筑科学研究Sichuan B uilding Science收稿日期22作者简介刘康安(6),男,山东泰安人,高级工程师,总经理,主要从事减振产品的研发。
LK @BND 工程结构抗震粘滞流体阻尼器在2008年北京奥运会等重点工程中应用实例简介刘康安,彭枫北(南京丹普科技工程有限公司,江苏南京 210041)摘 要:介绍了几个应用BND 粘滞阻尼器的代表性工程,应用研究表明,粘滞阻尼器可以较好地减小结构的振(震)动响应,具有较为广泛的应用范围。
关键词:建筑结构;粘滞阻尼器;消能减振中图分类号:T U35211 文献标识码:B 文章编号:1008-1933(2007)增刊-0089-031 BND 粘滞流体阻尼器的研发BND 型工程结构粘滞流体阻尼器是南京丹普科技工程有限公司和东南大学土木工程学院在1999年共同研制成功的(图1),具有自主知识产权的专利产品。
该结构采用流体传动控制理论中的压力形成、传递、能量转换和压降原理,是一种典型结构消能装置,其减震机理是将结构的部分振动能量通过阻尼特定的材料发生粘滞耗散其能量,达到减少结构的振动反应,保证结构在地震或风振条件下,能够实现安全工作的目的。
这也是我们“抗震减灾,造福人类”的宗旨和基本出发点。
图1 BN D 型工程结构粘滞流体阻尼器研发过程中,我们分别在香港理工大学、广州大学、东南大学、河海大学、上海建筑科学研究院、台湾(国立)中兴大学多次进行力学性能、温度、寿命(老化)、震动等试验。
试验结果表明:BND 粘滞流体阻尼器符合国家相关规范的要求,达到了国外同类产品的水平。
在包括台湾在内的多座重点工程上成功应用,取得了令人满意的效果。
研发工作取得进展后,在江苏省建设厅的帮助、指导组织下,于2000年2月对BND 型工程结构粘滞流体阻尼器产品的抗震性能进行鉴定。
鉴定结果认为:“取得了具有开创性成果,具有明显消能减振效果”。
粘滞阻尼器减震隔震技术
粘滞阻尼器减震隔震技术
粘滞阻尼器是一种常用于减震隔震技术的装置，它的作用是通
过粘滞阻尼材料的粘滞特性来吸收和消散震动能量，从而减少结构
物体受到的震动影响。
粘滞阻尼器通常由粘滞材料、支撑结构和外
壳组成。
从技术角度来看，粘滞阻尼器的工作原理是利用粘滞材料的内
部分子在受到外力作用时发生相对滑动，从而将机械能转化为热能，达到减震的效果。
这种技术可以有效地减少建筑结构、桥梁、机械
设备等受到的地震、风载等外部振动的影响，提高其抗震性能和安
全性能。
在工程实践中，粘滞阻尼器广泛应用于高层建筑、大型桥梁、
风力发电机组等工程结构中，通过合理设计和布置粘滞阻尼器，可
以显著改善结构的减震隔震性能，从而保护结构和设备的安全运行。
此外，粘滞阻尼器的设计和应用也涉及到材料科学、结构工程、力学等多个学科领域，需要综合考虑材料的选择、结构的设计、安
装位置等因素，以达到最佳的减震效果。
总的来说，粘滞阻尼器作为一种重要的减震隔震技术，在工程实践中发挥着重要作用，通过合理的设计和应用，可以有效地提高建筑结构和设备的抗震性能，保障人们的生命财产安全。
工程结构减震控制技术的研究及应用
工程结构减震控制技术的研究及应用随着现代城市的快速发展，高建筑、大桥、隧道等工程结构的建设日益增多，这些工程结构面对自然灾害和人工因素对其造成的威胁不断加剧。
地震是其中最为严重的威胁之一，强震往往能给人们带来不可挽回的损失，如何减少地震对工程结构的破坏，保障人民生命财产安全，成为了当前工程技术领域亟待解决的问题之一。
本文将从减震控制技术的角度出发，探讨减震控制技术的研究及应用现状。
一、减震控制技术的研究现状减震控制技术最早起源于20世纪，当时主要采用的方法是增加等效阻尼或阻尼器，但是这些方法在实际应用中发现效果并不理想，阻尼器使用寿命短，且易损坏；因此，人们开始发展利用主动控制技术进行减震。
随着计算机技术的日益成熟，人们逐渐将主动控制技术引入到减震控制技术的研究中，通过计算机对结构的振动状态进行监测和分析，进而对结构进行主动调节。
如：加装自适应液压减震器、利用智能材料进行控制等。
纵观减震控制技术的发展，目前主要存在两种方法：被动控制和主动控制。
被动控制方法主要是通过钢板摆、液态防盗器、粘滞阻尼器等等被动力学装置来约束结构振动，传递外荷载和能量。
而主动控制方法则通过安装主动负反馈控制器或智能材料等设备来实现结构反馈的调节，从而达到减小地震震源的目的。
二、减震控制技术的应用现状虽然减震控制技术已经在实践应用中证明了其重要性和必要性，但是由于技术成熟度和态度束缚等因素的影响，其普及程度并不高。
中国近年来在这一领域发展很快，也相应有不少建筑采用减震控制技术，如北京大学刘道玉楼、上海环球金融中心等。
这些建筑的减震系统采用了主动控制技术或者结构上采用了减震支撑系统，在发生地震时积极地发挥了安全保障的作用，保障了人民的生命与财产安全。
第二波序列信号分析法（Fourier法）被长期应用于建筑结构减震控制技术研究，这种方法以频域为基础，对结构振动特性进行分析，利用频率滤波的方法来减少地震对结构的破坏。
另外，还有子空间迭代法、广义平衡降阶法等算法也成为建筑结构分析领域的经典技术。
粘滞阻尼减震结构研究与应用
地震 发 生时 ，由于地 面震 动 而产 生 的 巨大 能量 都 由结 构 自身 吸 的抗 热 、抗氧 性 、化 学惰性 以及 足够 的粘性 。有 机硅油 的粘 性使 阻尼 收 ，吸收 的过程 即能量转换 的过程 ，传 统 的抗 震结构 利用 自身 的抗震 器滞 回曲线饱 满 ，证 明其具 有 良好 的耗 能特性 。另外 ，有机 硅油在 温 ６ ￣～ ０ ￣度 ２ 特性完 成此过程 ，在过程 完成后 ，结构 可能会 出现一 定程度 的破坏 。 度为 ．０Ｃ ２ ０（ 之间其 粘 温系数 稳定 ，能够满 足一般 结构 的工作 为 了使结构达 到 “ 小震不 坏 、中震 可修 、大震 不倒 ” 的设 防标准 ，对 环境要 求 。 于结 构的主要 承重部分采取 了大量 的概 念设计 ，但 实际情况 并不容乐
城市建设 ｌ
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粘 滞 阻尼 减 震 结 构 研 究 与应 用
张 文旭 九 江 学 院 土木 与城 建 学 院 ３ ２ ０ ３０５
摘要 ：本文介绍 了粘滞 阻尼减震技 术的概念 与原理 ，然后 对其 中所涉及到的粘滞流体 材料 进行 了介 绍 ，并且部 分列举 了该技术在 国内外 的应 用 ，最后对该技术 目前仍存在 的问题及 未来的发展 前景进行 了分析 。
２ 粘滞流体 的类型与特性 ．
根据 粘滞 阻尼 器 的原理 ，不 同的粘 滞 流 体给 结构 带来 的影 响不
（ ） 构设计人 员应 转 变既有观 念 ，加强 对新 技术 的应用 。 ４ 结
由于粘滞 阻尼减震 技术 相较 于传统抗 震技术 ，具有高效 、安全 、 同。粘滞 流体对阻尼器 性能 的影响主 要集 中在该 种流体 的流动性 、粘 经济等优 势 ，并且 已经 被为数 不少 的工程 实践所验证 ，可 以相 信 ，包 性 以及对温度 的适应能 力上 。 目前常 用的材 料有 液压油 、有机硅 油和 括 粘滞 阻尼 减震技 术在 内 的新 型减震 技术将 成为未来 结构设计 的重要
阻尼减振实验报告
阻尼减振实验报告一、实验目的本次实验旨在通过阻尼减振实验，掌握阻尼减振的基本原理和方法，了解不同材料和结构的阻尼器对振动的影响，为工程设计提供理论依据。
二、实验原理1. 阻尼减振的基本原理阻尼是指在弹性系统中，由于介质或结构自身内部存在一定摩擦力而产生的能量损耗。
当弹性系统受到外界作用力时，会产生振动。
若在系统中引入一种具有耗散能力的元件（即阻尼器），则可以将系统的振动能量转化为热能等其他形式的能量而消耗掉，从而达到减小振幅和延长振动周期的目的。
2. 阻尼器分类及其特点（1）粘滞阻尼器：利用黏性流体或粘性材料来消耗机械能。
（2）干摩擦阻尼器：利用干摩擦来消耗机械能。
（3）液压阻尼器：利用流体黏滞度使机械能转化为热能。
（4）涡流阻尼器：利用涡流的能量损耗来消耗机械能。
（5）气体阻尼器：利用气体的黏滞性消耗机械能。
3. 实验装置实验装置主要由振动台、试件、阻尼器以及传感器等组成。
其中，振动台为试件提供振动力，传感器用于测量试件的振动响应，阻尼器则通过将试件与振动台之间引入一定的耗散元件来减小试件的振幅和延长其振动周期。
三、实验步骤1. 将试件与阻尼器固定在振动台上，并将传感器安装在试件上。
2. 调整振动台频率为所需频率，并调节幅值为适当大小。
3. 记录下未加入阻尼器时的试件振幅和周期，并记录下传感器输出信号。
4. 依次加入不同类型和数量的阻尼器，并记录下每次加入后试件的振幅和周期以及传感器输出信号。
5. 分析不同类型和数量的阻尼器对试件振幅和周期的影响。
四、实验结果分析1. 不同类型阻尼器对试件的影响（1）粘滞阻尼器：由于黏性流体或材料的存在，粘滞阻尼器可以有效地减小试件振幅，并延长其振动周期。
（2）干摩擦阻尼器：干摩擦阻尼器的减振效果较差，但其对试件的影响较为稳定。
（3）液压阻尼器：液压阻尼器可以通过调节流体黏滞度来实现不同程度的减振效果，且具有较高的可调性。
（4）涡流阻尼器：涡流阻尼器可以在不损失机械能的情况下消耗掉试件的振动能量，但其减振效果较差。
黏滞阻尼器在框架结构抗震加固中的应用与研究
黏滞阻尼器在框架结构抗震加固中的应用与研究摘要：近年来利用阻尼器对既有建筑结构进行减震加固得到了广泛关注。
本文建立了某实际4层框架结构的非线性模型，然后设置黏滞阻尼器（VFD），利用时程分析法对有、无控结构进行地震响应分析计算，得出该结构的耗能减震效果。
最后利用云图法，选取数条地震波对结构进行分析计算，对有、无控结构进行概率地震分析，通过对比概率需求模型、易损性曲线的差异分析黏滞阻尼器的耗能减震作用。
计算结果表明，通过对该结构设置若干VFD，结构的地震响应得到显著地减小，结构整体减震效果明显；有控结构的地震需求易损性曲线相较无控结构趋于平缓，表明VFD对该结构的耗能减震加固作用明显。
关键词：框架结构；黏滞阻尼器；非线性时程分析；云图法；结构概率地震需求分析耗能减震技术就是在结构的选定位置增设耗能装置，在小震作用下，耗能装置和结构一并处于弹性状态，可减小结构的地震响应，使结构主体处于安全范围，一旦出现大震，这些装置可以在结构破坏前率先达到屈服状态，来消耗大部分能量。
近年来利用耗能减震器对既有建筑结构进行减震加固得到了广泛关注。
1.消能减震的概念及耗能原理为了达到消震减能的目的，可以通过消能装置的安装来避免主体结构因地震能量而响应而造成的破坏，究其本质，消能减震技术是一种加固技术。
传统的抗震思路是进行“硬抗”，但却存在诸多的弊端问题。
而消能减震技术，则能够避免传统抗震加固的不足，通过“以柔克刚”的方式进一步达到抗震加固的效果。
从消能减震结构角度来看，其方式就是融入了减震控制思想，在原结构当中增加了消能减震装置，从而形成新的结构系统，图1对其进行了展现，通过图中资料的了解，无论是原结构还是消能减震装置，都是新结构系统的重要组成部分，并且在其中发挥了重要的作用。
相较于原结构而言，新结构系统在效能能力以及动力特征方面有自身的独特性，能够降低原结构承受的地震作用，这也是进行地震反应控制的一种有效方式，其目的是为了减少对主体结构造成的损害。
粘滞抗震阻尼方案
粘滞抗震阻尼方案全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：粘滞抗震阻尼技术是一种新型的结构抗震措施，通过在建筑结构中添加粘滞阻尼器，有效地提高了建筑结构的抗震性能，减小了地震对建筑物的破坏程度，保障了建筑物及其中的人员财产的安全。
粘滞抗震阻尼技术的应用在建筑工程领域已经得到了广泛推广和应用，在许多高层建筑、桥梁、机场等工程中都得到了成功的应用。
粘滞抗震阻尼技术的原理是利用摩擦力和粘滞性来抑制建筑结构在地震中的振动，减小结构受力，从而提高结构的抗震性能。
粘滞阻尼器是安装在建筑结构中的一种特殊设备，它通过内部的粘滞性液体和可动部件来吸收结构振动能量，减小结构的振动幅度，起到减震的作用。
粘滞阻尼器的抗震效果与其材料、设计、安装等因素有关，合理设计和使用粘滞阻尼器可以有效提高结构的抗震性能。
粘滞抗震阻尼技术在实际应用中有许多优点。
粘滞阻尼器具有很强的耗能能力，能够有效地吸收结构振动的能量，减小结构受力，在地震发生时能够有效地减小结构的振动幅度，降低地震对建筑物的损坏。
粘滞阻尼器具有较大的位移能力，能够在大幅度地震作用下发挥作用，维持建筑结构的稳定。
粘滞抗震阻尼技术的成本相对较低，安装简便，对已建成的建筑也可以进行后期加固，具有很好的适用性和经济性。
第二篇示例：随着科技的不断发展和建筑技术的不断进步，粘滞抗震阻尼方案在建筑设计中扮演着越来越重要的角色。
粘滞抗震阻尼技术是一种利用特定材料的粘滞和变形特性来减少结构受地震作用时的振动幅度和减少结构的损伤程度的技术。
它是一种通过在结构中引入能吸收和转移振动能量的装置或材料，从而提高结构的抗震性能和减小地震对结构的影响的技术。
在许多地震频繁的地区，粘滞抗震阻尼技术已经成为建筑设计中的重要组成部分。
粘滞抗震阻尼技术的原理是利用粘滞性材料的内聚力和内摩擦力，通过将粘滞材料置于结构构件内部或外部，在地震作用下形成一种阻尼效应，减小结构的振动幅度，提高结构的抗震性能。
目前，粘滞抗震阻尼技术主要包括粘滞阻尼器、粘滞橡胶支座、粘滞剪力墙等几种形式。
阻尼技术的工程应用
阻尼技术的工程应用阻尼技术在工程领域中有着广泛的应用，包括建筑结构、机械设备、交通工程等多个领域。
阻尼技术通过增加系统的能量损耗，能够有效地减少振动和震动对设备和结构的影响，提高系统的稳定性和安全性。
本文将围绕阻尼技术在不同工程领域的应用展开说明。
一、建筑结构工程中的阻尼技术应用在地震活跃地区，建筑结构需要考虑地震对其的影响。
阻尼技术被广泛应用于建筑的抗震设计中，以减少地震对建筑结构的影响。
阻尼器是一种常见的阻尼技术，在建筑结构中起到减震的作用。
阻尼器可以通过转化结构的动能为热能，从而减小结构的振动幅度。
在高层建筑、桥梁、大型体育馆等建筑中都可以看到阻尼器的身影，它们成为了建筑结构抗震设计中的重要组成部分。
二、机械设备中的阻尼技术应用在工业生产中，许多机械设备在运行时会产生振动和震动，严重影响设备的功能和使用寿命。
而阻尼技术的应用可以有效地减小机械设备的振动和震动。
风力发电机组在风能转换的过程中会产生振动，而通过在旋转部件上加装阻尼器，可以减小振动对整个风电系统的影响，延长设备的使用寿命。
汽车、飞机等交通工具上也广泛应用了阻尼技术，从而提升了交通工具的舒适性和安全性。
三、交通工程中的阻尼技术应用交通工程中，特别是桥梁和隧道工程中，振动和震动是一个常见的问题。
阻尼技术在这些工程中有着重要的应用。
在桥梁设计中，可以通过设置阻尼器来减小桥梁在风力或地震下的振动幅度，提高桥梁的安全性和稳定性。
在地铁和隧道工程中，阻尼技术可以减小列车通过隧道时产生的空气冲击和压力波，降低振动和噪音对周围环境及设施的影响。
在以上的工程领域中，阻尼技术发挥了重要的作用，提高了建筑结构、机械设备和交通工程系统的稳定性和安全性。
随着科学技术的不断进步，阻尼技术也会不断得到发展和完善，为更多领域的工程应用带来新的可能性。
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图1单出杆型流体阻尼器
我们研制的阻尼器是采用双出杆的型式(见图)[8,9]来解决“真空”问题的,由于双出杆型流体阻尼器在活塞运动时,活塞前后的体积变化会得到补偿,油缸内的总体积不会发生变化,这样油缸内的压强也不会产生过大变化,从而避免了前述单出杆流体阻尼器的弊病.在活塞两面对称开孔,其上安装阻尼螺钉,阻尼螺钉上开小孔作为阻尼孔,这样
图2双出杆型流体阻尼器
2.3粘性流体材料的耗能机理
材料有弹性材料、粘性材料和粘弹性材料之分,理想弹性材料只能储存能量,而不能耗散能量;相反理想粘性材料则只能耗散能量,而不能储存能量,即无刚度;粘弹性材料则介于二者之间,既能储存能量,又能耗散能量;3种材料的应力应变关系曲线(滞回曲线)如图3所示.作为阻尼器阻尼介质的理想的粘滞流体材料应具有以下特性:①高粘度;②无毒;③高闪点;④对温度的敏感性差;⑤抗老化;⑥不易挥发.实际上完全理想的粘滞流体
(a)弹性材料(b)粘性流体(c)粘弹性材料
图33种材料的应力应变关系(滞回曲线)
流体分子之间存在相互吸引的内聚力,流体和固体之间又作用着附着力,流体在流动时呈现出内摩擦力,粘性有机流体材料分子与分子之间的内聚力或物理缠结较弱,在很小的外力作用下,分子与分子之间很容易产生相对变形、滑移、扭转,当外力除去后,分子间的变形、滑移、扭转基本上不能复
图4阻尼孔剖面示意图
1处压强和速度分别为P
1
,v
1
,阻尼孔道出口断面2
2处压强和速度分别为P
2
,v
2
,因流体是纯粘性的
(牛顿流体),流体在阻尼孔内为层流,则v
1
=v
2
= v,给出进口腔体S S断面和阻尼孔进口11断面的伯努利方程[8,10]:
P s
ρg
+
αs v2s2g=P1ρg+αv22g+ζ1v22g(7)式中,αs和α分别为S S断面和11断面处的动
图5典型阻尼器阻尼力位移滞回曲线
2)流体阻尼器在微小的位移下即能耗能,即使在位移幅值为1mm时,流体阻尼器的阻尼力位移关系滞回曲线也接近于一个椭圆(当激振频率较小时,由于摩擦力的影响,接近于一个矩形).
3)阻尼器工作一段时间后,明显可以感觉到
图6足尺阻尼器阻尼力位移滞回曲线
(f=4.0Hz,u
=4mm)
6)同一温度,在相同的输入位移下,随着激励频率的增大,滞回曲线逐渐趋于饱满,表明流体阻尼器的阻尼力随激励频率的增大而增大,耗能能力也随激励频率的增大而增强.图7为足尺阻尼器F5(装有2个直径1.8mm阻尼孔、阻尼介质为动力粘度μ=0.49Pa·s的H201甲基硅油),在位移幅值为10mm、温度为+22～+25℃时变化激振频率所得到的阻尼力位移滞回曲线.
图7不同激励频率下阻尼器的阻尼力位移关系滞回曲线
(4条曲线自里向外依次为f=0.2,0.5,1.0和1.5Hz)
7)在相同的温度和激励频率下,随着输入位移幅值的增大,滞回环所包围的面积逐渐增大,耗能能力也随输入位移幅值的增大而增强.图8为足
图8不同位移幅值下阻尼器的阻尼力位移关系滞回曲线
(f=0.5Hz,4条曲线自里向外依次为u0=6,10,15和20mm)
8)保持激励频率、输入位移和阻尼介质粘度不变,随着环境温度的改变,滞回环的大小和形状也有所变化,总的趋势是,随着环境温度的降低,阻尼力有所增大(但是也有个别例外),但是增幅不明显,最大值和最小值相差约20%～25%.
9)在相同温度、相同的位移幅值和激振频率下,随着阻尼介质粘度的增加,阻尼力随之增大.图9为采用4种不同粘度的阻尼介质的足尺阻尼器的对比试验结果.可以看出,保持激励频率、输入位移幅值和阻尼孔的大小不变,改变阻尼介质粘度时流体阻尼器的耗能能力随粘度的增加而增大,最大和最小的阻尼力峰值相差约60%.
图9阻尼器在不同阻尼介质时的阻尼力位移关系滞回曲线
(f=0.5Hz,4条曲线自里向外依次为
μ=0.1,0.34,0.49和1.94Pa·s)
10)保持激励频率、输入位移幅值和阻尼介质不变,随着阻尼孔增大,滞回环逐渐趋于扁平;反之,随着阻尼孔的减小,阻尼力成倍增加,滞回环逐渐趋于饱满,耗能能力也随之增大,变化幅度非常明显.
ve j,i=cos C v e j,i( X- X)(16a)
(a)(b)
图10阻尼器连接方式
对于按照图10(b)所示方式设置流体阻尼器的结构,第j楼层的第i个阻尼器对结构提供的水平控制力为
F ve j,i=C ve j,i( X j- X j-1)(16b)式中,θj,i为第j楼层的第i个阻尼器相对水平方向。