广州大学 土木工程学院 广东广州 510006
摘要：原结构在布置阻尼器的情况下，各项能量指标例如总输入能、阻尼耗能、阻尼器耗能和滞回耗能等均发生有规律的变化。可以明显看出阻尼器在添加后，吸收了地震作用下绝大部分的能量，使得结构在得到了很好的控制。
关键词：消能减震；阻尼器；滞回耗能
引言
在地震发生时，地震动所产生的大量能量被连续地送入到结构中[1]，其中少量能量通过动能 EK和弹性变形能 EE的方式被消耗。当震动结束后这部分能量非常小，几乎为零。其余大部分的能量通过结构及其自身阻尼 ED、结构构件产生的塑性变形能即滞回耗能EH消耗掉。滞回耗能是在实际工程中一项最有意义的能量指标，能够反应出结构在地震动整个过程中结构的损伤程度，它是衡量结构及其构件塑性累积损伤的重要指标。如果在结构中安装了阻尼器，那么这些阻尼器将消耗掉大量的地震能量（阻尼器耗能 Ed）因而减小了滞回耗能的产出。如果地震动的总输入能与结构的总耗能大小相互均衡，那么在地震动的持续当中结构就不会产生坍塌及破坏。
1.阻尼器的优点
我国的地质结构复杂，受到三大地震板块的相互作用，是一个地震活动剧烈和地震灾害严重的国家。据统计，全球约近四成的七级以上陆上地震出现在中国，并且二十世纪世界因地震丧生的一百二十万人中，在中国有近六十万，倒塌的房屋更是数不胜数[1]。因此，积极开展抗震减灾，并最大水平地减少地震灾害该当是我国的一项基本国策。地震灾害往往是无法预测的，它频度较高，并会伴随严重的次生灾害，对社会带来较大影响。地震时各类建筑物的倒塌和严重损坏，是产生人员伤亡和经济损失最关键的一个直接因素。房屋等建筑物的质量优劣、抗震性能的好坏，直接影响到受灾的程度，因此，必须作好建筑物的抗震设防。
近几十年来，如何有效布置结构上装设的黏滞阻尼器是国内外专家、学者研究的重点问题，阻尼器的布置位置如果不合理，不仅不能实现预期的减震目标，而且在一定程度上也会造成资源浪费，因此，考虑阻尼器在结构中的优化布置显得尤为重要。目前，关于设置非线性粘滞阻尼器的多层框架结构的减震效果研究[2]，已经取得了丰硕成果。但关于阻尼器的阻尼参数对结构地震响应的影响分析、阻尼器的经济布置方案、结构各阶振动的等效阻尼以及支撑刚度对非线性粘滞阻尼器减震性能影响研究却较少。原结构在布置阻尼器的情况下[2]，各项能量指标例如总输入能、阻尼耗能、阻尼器耗能和滞回耗能等均发生有规律的变化。通过相关研究的试验研究及相应的有限元数值分析，从云图中可以看出，铅芯及叠层钢板橡胶处均出现了较大的应力，但最大应力出现在上下连接钢板与叠 层的连接部位，这是由于支座的水平移动，而连接钢板是固定的，会产生很大的剪切力。根据应力云图判断支座破坏的先后依次是下连接钢板、上连接钢板、中间层、铅芯。对支座按照剪应变幅值由小到大循环加载，剪应变为50%时，加载频率为0.3Hz，幅值达到100%时，加载频率减小为0.1Hz，采取水平方向的正弦波加载方式，采用位移控制加载，模拟工况见表4-1，可得橡胶垫得力-位移滞回曲线可以明显看出阻尼器在添加后，吸收了地震作用下绝大部分的能量，使得结构在得到了很好的控制。当从规则结构的几何形状出发，采用的阻尼器布置方法下进行结构的减震控制时，虽然结构得到了较好的减震效果，但对于更大跨度、高度的结构按照此方法添加会对资源造成大量浪费，且阻尼器在布置时应该在保证减震效果的前提下的数量尽可能的少，可能结构的某些部位并不需要布置，而某些部位需要布置更多的阻尼器来消耗能量。
2.消能阻尼器当前应用
纵观我国建筑结构发展史，抗震设计思想日趋成熟，人们在结构抗震上的认识已有了非常大的改观，但土木工程的抗震现状仍需改善。传统的抗震设计是通过增强结构自身的刚度和承载能力来抵御地震作用，通常采取增大截面尺寸、提高混凝土强度等级和加大钢筋使用量这三种措施，来满足结构抗震设防标准，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。
非线性粘滞阻尼器是一种速度相关型减震装置，该阻尼器通过两端产生相对速度，从而对结构施加阻尼力，通过阻尼耗散外部输入的能量，保证结构不被破坏。由于该结构构造简单，且工作时不改变结构刚度，因此在结构中设置非线性粘滞阻尼器，降低结构地震反应，是减震控制的一种有效形式。从 1996 年，Taylor 公司生产出用于土木工程的阻尼器，越来越多的结构采用阻尼器进行抗震、抗风。目前，粘滞阻尼器有粘滞阻尼墙、圆筒式粘滞流体阻尼器和缸式粘滞流体阻尼器这三种类型。
当结构中配置有黏滞阻尼器后，其动力学方程往往是非线性的，在求解动力反应时，大多采用等效阻尼和等效刚度模型，将非线性方程变为线性方程进行时程分析。
3.动力方程
黏滞阻尼器所输出的阻尼力
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为：
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式中：
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为黏滞阻尼器的阻尼系数；
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为速度指数，在实际工程中，通常取0.35~1 [4]，此次进行简单，取
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，上式表示线性黏滞阻尼器提供的阻尼力；
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代表符号函数。
黏滞阻尼器的单自由度结构体系动力方程为：
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化简得：
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式中：
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为质点质量；
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代表黏滞阻尼器的质量，由于黏滞阻尼器单元的质量远小于结构的质量，即
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，故计算中取为0；
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为线性阻尼；
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为结构刚度；
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分别为质点相对于地面的位移、速度、加速度；
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为地面运动加速度。
当
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时，
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，可得：
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当
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时，
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，可得：
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其中
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，当结构的刚度与质量一定时，由于
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均为常数，故求解过程均设为
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，上式只与
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有关，将
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用等效阻尼比代替
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，等效附加阻尼比由下文具体介绍，可得：
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结构体系在没有外部激励持续地作用下，结构振动能量将被耗散，振幅逐渐减小，最终将趋于静止。这是因为结构存在阻尼，将耗散结构振动能量，降低结构振幅并趋于静止。目前，阻尼分析有“粘滞阻尼理论”和“滞变阻尼理论”两种。在现实结构体系中，阻尼往往是由多种能量耗散机制共同引起的，但是为了计算实用，常常采用“粘滞阻尼理论”，即把阻尼理想化为等效的粘滞阻尼。对于单自由度体系，阻尼力可以表示为：Fcx =cv，其中c为阻尼系数，表示结构在一个振动周期内耗散能量的相对大小，v为质点的相对速度。
黏滞阻尼器主要作用体现在其为结构提供了等效阻尼比[3]，吸收外界输入到结构的能量，减小结构的各种响应，从而提高结构的抗震性能。附加阻尼比是黏滞阻尼器结构的重要参数，对黏滞阻尼器结构设计具有决定性影响，何文福[5]等对设计前期对附加黏滞阻尼器提供的附加等效阻尼比的预估及设计后其对结构的附加等效阻尼比大小的确定提出动力响应减震系数法。
现有的等效阻尼比计算公式按照推导思路可以大致分为能量法、功率法及其他方法。我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）及日本抗震规范均有消能部件附加给结构的等效阻尼比的估算方法，不一一赘述。
黏滞阻尼减震是结构振动控制中的一种被动控制技术，能够为结构提供附加阻尼，降低结构的地震反应，减少结构的位移控制指标，降低主体结构构件配筋，优化结构构件的截面尺寸，增大建筑的使用面积。在工程结构中安装黏滞阻尼器，相当于给建筑、桥梁等工程结构上安装了“安全气囊”，在地震、强风等外部激励来临时，阻尼器最大限度地吸收和消耗外部激励输入工程结构中的冲击能量，有效缓解地震等外部激励对工程结构造成的破坏。自 20 世纪 70年代研究人员将其从军工领域引入土木工程学科以来，黏滞阻尼减震技术得到长足的发展，并大量应用于实际结构中。
4.结论
1）当前国内外结构工程行业对阻尼器的研究水平逐年上升，国内需要更努力跟上平均水平的发展；
2）阻尼器对结构附加的等效阻尼比可通过规范法计算。
参考文献：
[1]冀鸿飞，王泽云，吴康振.阻尼器在结构工程中的应用现状及发展前景浅析[J].四川建材，2011，37（02）：11-12.
[2]戴吉，李春祥.阻尼器在我国重大工程中的应用与发展[J].四川建筑科学研究，2014，40（03）：183-187.
作者简介：
李伟豪，1994年出生，男，汉族，广东惠州人，广州大学硕士研究生，研究方向：建筑结构消能减震。