黏滯流體阻尼器抗震性能研究及優(yōu)化布置的綜述

崔 凱

（中國建筑第八工程局有限公司東北分公司，遼寧 大連 116000）

黏滯流體阻尼器的主要作用是能夠減震，在建筑結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器不僅不會(huì)改變結(jié)構(gòu)性能，還可以使得結(jié)構(gòu)緊緊依附阻尼器，其優(yōu)勢使得黏滯流體阻尼器在各大高層以及超高層的建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。對于阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，本文采用了遺傳算法進(jìn)行研究。隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加阻尼數(shù)量也在增多，因此，在阻尼數(shù)量增加的同時(shí)就要考慮阻尼設(shè)計(jì)成本以及布置等多個(gè)問題。

1 黏滯流體阻尼器發(fā)展歷史及基本原理

1.1 黏滯流體阻尼器發(fā)展歷史

19世紀(jì)80年代開始流體阻尼器開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面的研究，圓柱狀筒式黏滯流體阻尼器最開始是由GERB Vibration Control公司研制的，關(guān)于黏滯流體阻尼器具體生產(chǎn)是由美國的Taylor設(shè)備公司負(fù)責(zé)的。流體阻尼器的最早應(yīng)用范圍是在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制上，但是阻尼器存在回彈剛度差的缺點(diǎn)。因此，為了有效解決這一問題，我國研究人員對原有的黏滯流體阻尼器進(jìn)行了改造，在改造的基礎(chǔ)上，我國首先提出了雙推桿黏滯阻尼器。1999年由歐進(jìn)萍教授等通過阻尼系數(shù)推導(dǎo)出具體的有關(guān)于油缸間隙式和孔隙式阻尼器的研究理論以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。先后由美國著名學(xué)者M(jìn)akris，Constantinou以及Taylor對黏滯流體阻尼器以及阻尼材料等率先進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究并提出了關(guān)于黏滯阻尼器的力學(xué)模型。根據(jù)黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，美國Constantinou，Symans，Reinhorn等學(xué)者對Taylor公司生產(chǎn)的黏滯流體阻尼器進(jìn)行了全面的、大量的實(shí)驗(yàn)研究，在不同的阻尼器的末梢以及阻尼器的不同個(gè)數(shù)的布置情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后得出結(jié)論，黏滯阻尼器在抗震方面有實(shí)質(zhì)性的提高。為了達(dá)到控制經(jīng)濟(jì)成本的目的，相關(guān)學(xué)者對消能體系進(jìn)行優(yōu)化，這樣做不僅可以有效控制成本，還促進(jìn)加強(qiáng)對阻尼器安裝研究。

1.2 黏滯流體阻尼器的基本原理

黏滯流體阻尼器的基本原理是通過缸筒和活塞之間的相對運(yùn)動(dòng)使得流體在阻尼材料中阻尼孔處通過，活塞在前后活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生壓力差，這樣對于阻尼力的產(chǎn)生便有了幫助。其結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一部分能量通過阻尼材料的黏滯進(jìn)行耗能耗散，也就是阻尼材料的粘性能消耗可以減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)。因?yàn)樵诹黧w控制阻尼器中，其有著黏滯力的特征，所以在相關(guān)的土木工程中它就有另外一種名字，叫作黏滯阻尼器，具體有以下關(guān)系表示，阻尼常數(shù)用C表示，阻尼器活塞運(yùn)動(dòng)速度用v表示，非線性速度指數(shù)由來α表示，介于數(shù)在0.3～1.0之間，具體公式則為FD=CVα式中。在阻尼器中，其有著一個(gè)主要指標(biāo)，那就是阻尼力和最大沖程。然而阻尼器上控制作用的大小就要從阻尼系數(shù)和速度指數(shù)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行出發(fā)。

2 黏滯流體阻尼器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 附設(shè)黏滯流體阻尼器的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

由翁大根等學(xué)者的模型振動(dòng)臺試驗(yàn)是由附加有黏滯阻尼器鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固性能之后，再進(jìn)行的振動(dòng)臺試驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：在結(jié)構(gòu)層之間，可以將阻尼器的數(shù)量進(jìn)行附加，這樣做不僅可以充分利用阻尼提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，還可以使得該房屋的抗震能力提升至少一倍以上。周云等學(xué)者的試驗(yàn)，主要是通過對黏滯阻尼器腋撐以及普通框架模型在水平正弦穩(wěn)態(tài)激勵(lì)荷載的作用之下的有關(guān)抗震性能方面的試驗(yàn)。對降低梁柱節(jié)點(diǎn)位置的內(nèi)力，并且對延遲框架柱頂塑性鉸出現(xiàn)以及發(fā)展進(jìn)行研究，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果由下所示：帶有黏滯阻尼器腋撐框架結(jié)構(gòu)的阻尼器耗能能力與附加阻尼相比較都有明顯改善。該研究顯示，相關(guān)阻尼不僅對梁柱節(jié)點(diǎn)起到了有效的保護(hù)，并且對鋼筋混凝土框架的抗震性能有所提高。在對黏滯流體阻尼器的研究過程中可以得出，黏滯流體阻尼器的發(fā)展以及運(yùn)用可以為建筑工程帶來更多益處。

2.2 附設(shè)黏滯流體阻尼器的鋼框架結(jié)構(gòu)

Uriz和Whittaker利用線性流體阻尼器對一棟三層鋼框架建筑進(jìn)行加固中發(fā)現(xiàn)，附加阻尼器可使結(jié)構(gòu)的整體性能有所提高，但卻使得結(jié)構(gòu)梁柱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度趨于薄弱狀態(tài), 所以在施工過程中，應(yīng)當(dāng)對梁、柱等進(jìn)行加固。相關(guān)學(xué)者在對設(shè)置金屬和黏滯阻尼器的消能減震鋼框架結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，在兩條地震波作用下進(jìn)行彈塑性時(shí)，對不同阻尼系數(shù)的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，最后得出結(jié)構(gòu)的最佳阻尼量，同時(shí)，研究結(jié)果能夠?yàn)橄軠p震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考性依據(jù)。

3 黏滯流體阻尼器的優(yōu)化布置

在建筑結(jié)構(gòu)中采用黏滯流體阻尼器加固的過程中，一般都要依靠經(jīng)驗(yàn)，但是這樣會(huì)使得在部分層間位移差的結(jié)構(gòu)上，制約了阻尼器性能的發(fā)揮并且經(jīng)濟(jì)發(fā)展效果也不理想。同時(shí)，隨著建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)的增多，阻尼器安裝的個(gè)數(shù)也隨之增多，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足工程施工需求，這就需要技術(shù)過硬的技術(shù)人員進(jìn)行布置，才能達(dá)到預(yù)期想要的效果。從結(jié)構(gòu)角度講，若缺乏合理的布置會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)及層間的問題，同時(shí)，還會(huì)造成不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象發(fā)生。為了避免以上問題的產(chǎn)生，需要在阻尼器的優(yōu)化配置方面，加以重視，只有提高了黏滯流體阻尼器的優(yōu)化布置，使阻尼器自身的減震性能得以發(fā)揮出來，才能快速高質(zhì)量完成現(xiàn)有的工作任務(wù)，縮短不必要的勞動(dòng)時(shí)間。施工現(xiàn)場為了優(yōu)化布置黏滯流體阻尼器，解決現(xiàn)有的問題，從而提出遺傳算法。遺傳算法的出現(xiàn)不僅解決了阻尼器在應(yīng)用上的困難局面，還可以再優(yōu)化阻尼器的位置及配置上提供更有效的方法。保證阻尼器一定數(shù)量的前提下，根據(jù)遺傳算法對阻尼器的位置進(jìn)行優(yōu)化，建立新型的數(shù)學(xué)模型，以提高阻尼器的運(yùn)行速度為基準(zhǔn)。此外，在加權(quán)系數(shù)以及目標(biāo)函數(shù)不同的況下，以取得最佳取值組合為基準(zhǔn)。還應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同類型的阻尼器位置優(yōu)化特點(diǎn)展開詳細(xì)的研究，進(jìn)行相關(guān)數(shù)值上的對比分析，在實(shí)際運(yùn)用中為不同類型阻尼器，提供一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，在選取上也有益于參考。而在高層結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器的優(yōu)化布置上，若采用一種以數(shù)字序列為基礎(chǔ)的編碼遺傳算法，就能夠解決各層之間的阻尼器安裝數(shù)量及同時(shí)編碼的問題。除此之外，利用這種方法進(jìn)行群體進(jìn)化，在阻尼器復(fù)雜的數(shù)值上可以取得一定的優(yōu)化，能有效促使黏滯流體阻尼器的全面優(yōu)化布置工作的展開。

4 結(jié)語

綜上所述，阻尼器從開發(fā)到研制、模型的建立與實(shí)踐以及在后期工程中的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)歷了數(shù)十年發(fā)展歷程。目前黏滯流體阻尼器是抗震技術(shù)中常采用的工具之一，阻尼器不僅可以用于建筑結(jié)構(gòu)的加固，提高抗震性，還可提高建筑內(nèi)部設(shè)備的安全性，進(jìn)而提高施工建筑質(zhì)量。阻尼器的應(yīng)用較為廣泛化。但在廣泛的應(yīng)用的過程中難免會(huì)產(chǎn)生一些問題，例如：空間布置缺乏合理性，就是阻尼器的最大弊端，針對該問題，應(yīng)當(dāng)采取優(yōu)化的布置方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并找到適合放置前黏滯流體阻尼器的最佳位置，從而提高建筑工程的抗震性能，同時(shí)還能減少工程中不必要的資金流動(dòng)，節(jié)省工程預(yù)算，提高工程的利益性。