不同類型的阻尼器是通過不同的機理來實現(xiàn)耗能的，它們發(fā)揮作用的過程也具有一些不同的特點。從消能減震裝置產生附加抵抗力和消耗地震能量的機理出發(fā)，將它們按照速度型阻尼器、位移型阻尼器、質量型阻尼器等進行歸類。有些阻尼器產生的附加抵抗力與速度，也就是結構和阻尼器變形的快慢有關，可以被歸為速度型阻尼器。另一些阻尼器提供的附加抵抗力則與位移，也就是結構和陽尼器變形的大小相關，可以被歸為位移型阻尼器。還有一些阻尼器的附加抵抗力與變形速度和變形大小均有關，因此可以被歸為速度-位移型阻尼器。除此之外，還有一類阻尼器的附加抵抗力來源于慣性，被稱為質量型阻尼器。

速度型阻尼器

▲圖1

該類型最常見的是黏滯阻尼器，它通過改變硅油或其他高分子黏性材料的運動狀態(tài)來產生阻尼力并消耗地震能量，當流體通過節(jié)流孔時會產生節(jié)流阻力，是一種與活塞運動速度相關的阻尼器。黏滯阻尼器的阻尼力與阻尼器的活塞運動的速度成比例關系，即數學模型，其中為阻尼系數，為速度指數。根據參數的不同，這種比例關系可以是簡單的線性關系，也可能是比較復雜的非線性關系，這主要決定于產品性能。當阻尼力與速度線性相關時，阻尼力與阻尼器變形的關系，即阻尼力的滯回關系呈現(xiàn)出圖2所示的橢圓形，而當阻尼力與速度的關系為非線性時，阻尼力的滯回關系就從橢圓形趨向于矩形。此時，在阻尼力最大值相等的前提下，由阻尼力-變形曲線所圍合的面積，即阻尼力消耗的能量變得更大。

▲圖2

位移型阻尼器

該類型常見的是金屬阻尼器，主要通過金屬屈服后產生的塑性變形和滯回行為消耗地震能量。金屬材料在外力作用下，當變形達到一定程度時將發(fā)生屈服，屈服后的金屬在恢復力基本保持不變的情況下，可以產生很明顯的塑性變形。之后隨著外力的解除，恢復力隨之降低，但大部分的塑性變形仍將以殘余變形的形式存在。

▲圖3

由于結構構件在外力和變形達到一定程度時才會發(fā)生屈服，并伴隨著損傷和殘余變形等。為了盡可能地減小結構的損傷和殘余變形，就需要結構在彈性階段，在較小的外力和變形時，使金屬阻尼器能夠在率先發(fā)生屈服并開始耗能。因此，各種具有較低屈服點的鋼材，即軟鋼被陸續(xù)開發(fā)出來，并被應用于各種消能減震裝置中。同時，在金屬阻尼器的設計中，需要綜合考慮阻尼器及結構各自的性能特點，以合理地確定阻尼器的形式、安裝位置、參數取值等。

屈曲約束支撐(BRB)是一種重要的金屬阻尼器，它是一種利用鋼材軸向拉壓變形實現(xiàn)耗能的阻尼器。鋼材制成的支撐桿件在受拉時可以表現(xiàn)出較好的塑性變形能力，而在受壓時卻容易出現(xiàn)屈曲，導致桿件在整體的承載能力和塑性變形能力無法充分發(fā)揮的情況下即發(fā)生破壞。這將導致桿件在反復的拉壓變形下無法充分地發(fā)揮阻尼器的耗能能力。為解決鋼桿件受壓屈曲的問題，可以在鋼桿周圍包裹鋼管混凝土，或填充有砂漿等材料的約束鋼管和約束鋼板，來約束鋼桿的屈曲，以實現(xiàn)其在拉壓變形下充分的滯回耗能。因此，這類金屬阻尼器稱為屈曲約束支撐。

▲圖4    天津117大廈的BRB支撐

摩擦阻尼器是另一種典型的位移型阻尼器，它利用兩個接觸物體相對位移時在接觸面上產生的摩擦力作為阻尼力以消耗地震能量。摩擦力產生的機理是比較復雜的，但是摩擦力的大小可以大致通過經驗的庫侖公式加以描述。其中為摩擦力，為摩擦系數，為接觸面上的壓力。由此可知，可以通過改變摩擦系數的大小來控制摩擦力，這主要通過合理選擇接觸面兩側的摩擦材料來實現(xiàn)。圖5所示為Pall摩擦耗能器構造，由摩擦滑動節(jié)點和四根鏈桿組成，摩擦滑動節(jié)點由兩塊帶有長孔的鋼板通過高強螺栓連接而成,鋼板之間可填充摩擦材料或是對接觸面做加工處理來調節(jié)摩擦系數,通過松緊節(jié)點螺栓來調節(jié)鋼板間的摩擦力,四周的鏈桿起連接和協(xié)調變形的作用。

▲圖5

Pall摩擦耗能器在外力作用下,當外力小于最大靜摩擦力時,耗能器不產生滑動;當外力大于最大靜摩擦力時,耗能器中間節(jié)點處產生滑動并通過周圍的四根鏈桿的變形協(xié)調作用,在避免支撐產生受壓屈曲破壞的同時保持穩(wěn)定的摩擦耗能能力。在反復荷載作用下,理想的摩擦耗能器的滯回曲線如圖6所示,由摩擦做功基本原理可知,摩擦耗能器在一個循環(huán)中所消耗的能量為。其中，為摩擦耗能器摩擦做功所消耗的能量,即圖6中滯回曲線包圍的面積;為摩擦耗能器的起滑力;為最大滑動位移

▲圖6

速度-位移型阻尼器

▲圖7

黏彈性阻尼器是一種典型的速度-位移型阻尼器，其阻尼作用來源于高分子黏彈性材料的變形。圖7a所示為典型的黏彈性阻尼器構造，片狀的黏彈性材料被鋼板像三明治一樣夾在中間。與黏滯阻尼器不同，它在發(fā)揮阻尼作用的同時還提供一個彈性的恢復力，因此，其阻尼力-變形關系表現(xiàn)為圖7b所示的傾斜的橢圓形。它可以被近似地視為一個彈簧的恢復力-變形關系和一個黏滯阻尼器的橢圓形滯回關系的疊加。這個等效的彈簧剛度和等效的阻尼系數就成了描述黏彈性阻尼器阻尼力-變形關系的主要參數。

質量阻尼器

▲圖8

如圖8所示的結構，按剛度法建立運動方程

其中求剛度系數的過程如圖9

▲圖9

圖8就是調諧質量阻尼器(TMD)的力學模型，一般可以簡化為一個附加在結構上的質量，通過彈簧和阻尼單元(和)與結構的等效質點相連。為了充分發(fā)揮減振效果，調諧質量阻尼器一般需要設置在結構響應最大的地方，對于高層建筑而言，在地震或風的作用下往往是其頂層的響應最大。因此，這里的附加質量單元可以通過設置在結構頂部的大型質量塊實現(xiàn)，也可以利用樓頂水箱等質量較大的設備和組件。通過對調諧質量阻尼器的附加質量、彈簧剛度和阻尼系數等參數進行合理地調節(jié)，可以使附加質量的慣性力始終對結構的振動起到抑制作用，并使附加質量的響應盡量增大。附加質量的響應越大，說明地震或風輸入的能量越多地被用于附加質量的運動，而這些能量還能夠在附加質量運動的過程中不斷被黏滯阻尼器等消耗掉。這樣一來，用于驅動結構響應的能量被調諧質量阻尼器所吸收和消耗，結構的響應就能相應地減小。因此，調諧質量阻尼器的減振作用可以理解為通過調節(jié)附加質量的運動狀態(tài)盡可能地吸收結構的振動能量，再通過陽尼作用耗散這些能量，以達到消能減振的目的。

▲圖10   上海中心阻尼器

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