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粘滞阻尼器和铅阻尼器的理论与试验研究

张同忠  
【摘要】:本文共计十章,分为四个板块的内容,重 点在于系列阻尼器的性能试验研究 , 其目的是为耗能阻尼器的产业化、 工程化提供理论和技术依据; 第一章概述了房屋 建筑减震控制特别是消能构件的研究现状, 第二章至第八章对粘滞阻尼器进行了系 列化的研究, 包括粘滞阻尼器的理论、 介质、 结构、 性能试验等内容, 第九章对两 类铅阻尼器进行了性能试验研究, 在第十章中, 进行了安装粘滞阻尼器的隔震桥梁 的模拟地震振动台试验研究, 并用上—下部结构橡胶垫减震体系理论对其进行了合 理解释, 最后进行了进一步的仿真分析。 本文试验研究方法包括拟静力试验、 动力 试验和模拟震动台试验三种。 粘滞阻尼器是一种性能良好、 速度相关型阻尼器; 是依靠粘滞摩擦和孔缩效应 进行耗能; 本文对粘滞阻尼器进行了详细分类研究, 提出了阻尼孔的三种构造; 并 研制和开发了一系列粘滞阻尼器, 包括单出杆、 双出杆、 孔隙式、 间隙式、 组合式 阻尼器 (缓冲器) 等结构形式, 其中多为足尺粘滞阻尼器; 同时研制了一种具有缓 冲保护装置的粘滞阻尼器。 性能试验表明粘滞阻尼器具有滞回曲线饱满、 附加刚度很小、 阻尼力滞后于位 移近似 90 的相位角、微小位移就耗能等共性;但各类阻尼器因构造和介质不同存 在性能差异, 主要体现在速度非线性系数上; 本文对各类粘滞阻尼器的性能及速度 非线性指数进行了详细地对比研究, 并得出了一些规律性结论。 双出杆粘滞阻尼器 拉压力相同, 容易提供较大阻尼力, 适用结构范围较广; 单出杆粘滞阻尼器具有拉 压力不平衡的缺陷, 但也具有特殊的用途, 本文利用该特点研制了一种自复位的粘 滞阻尼器。 性能良好的粘滞介质是粘滞阻尼器耗能稳定的关键因素之一;本文对液压油、 硅油、高分子材料(硅基胶) 、特殊悬浊液四类介质进行了性能试验研究;结果表 明, 因液压油粘温性、 凝固点较大和特殊悬浊液易沉降等原因, 二者不适合作为粘 滞阻尼器的介质, 甲基硅油、 硅基胶具有压缩性小、 耐侯性好、 耐高温、 不挥发不 燃等特性, 适合作为粘滞阻尼器的介质; 进一步得出了不同的构造形式与不同粘滞 介质的匹配关系。 本文还研制了一种硅基胶和碟型弹簧组合式缓冲器,试验表明其具有体积较 小、 弹力大、 高阻尼等特点, 克服了纯碟型弹簧缓冲器的缺陷, 是一种性能良好的 缓冲器,可作为设备振动控制的装置。 基于上述耗能机制, 推导了孔隙式和间隙式两类阻尼器的恢复力公式, 并根据 试验数据进行了修正, 得出了一套较为实用的阻尼力经验公式; 同时给出了粘滞阻 尼器的性能参数取值与相应的粘滞介质、 构造尺寸的经验关系。 试验和分析对比表 - i - WP=5 北京工业大学工学硕士学位论文 明,上述的恢复力公式具有一定的精度,误差在± 15% 以内。 粘滞阻尼器因介质的可压缩性具有动态刚度; 本文给出了硅油、 硅基胶两种粘 滞介质压缩性规律, 并在此基础上推导出了动态刚度的参考公式; 试验和理论对比 分析表明上述公式具有一定的精度, 可以在工程中试用; 基于动态刚度理论本文提 出了粘滞阻尼器耗能评价体系,该体系包括耗能评价指标、压缩位移、动态刚度、 串联刚度、 结构频率等参数; 并给出了孔隙式和间隙式两类阻尼器的耗能评价指标 的计算公式;动态刚度导致粘滞阻尼器存在耗能失效问题,建议当耗能指标小 0.5 时, 即可认为粘滞阻尼器耗能失效, 粘滞阻尼器工程应用的耗能评价指标的数值应 大于 0.9 。 铅阻尼器是一种耗能性能优越、 构造简单、 制作方便且十分经济的耗能减震装 置。 本文研制了两种足尺铅阻尼器, 并进行了性能试验研究; 结果表明, 铅阻尼器 是利用塑性滞回变形耗能, 耗能能力较大, 小变形下即可耗能、 荷载频率和循环次 数对其性能影响较小等优点; 本文试验研究的两类铅阻尼器的滞回曲线具有典型的 “库仑摩擦”特性,力学模型简单;最后对铅阻尼器存在的不足提出了改进意见。 本文对附加粘滞阻尼器的隔振桥梁进行了模拟地震振动台试验; 结果表明粘滞 阻尼器能够显著降低因隔震而使上部桥梁产生的较大位移, 并且随着附加阻尼的增 加,效果更为明显;温度变化、收缩徐变等缓慢移动时,不产生阻


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