黏滯流體阻尼器抗震性能研究及優化布置的綜述

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，在建筑結構中安裝阻尼器不僅不會改變結構性能，還可以使得結構緊緊依附阻尼器，其優勢使得黏滯流體阻尼器在各大高層以及超高層的建筑結構中廣泛應用。對于阻尼器在建筑結構中的應用，本文采用了遺傳算法進行研究。隨著結構層數的增加阻尼數量也在增多，因此，在阻尼數量增加的同時就要考慮阻尼設計成本以及布置等多個問題。

1 黏滯流體阻尼器發展歷史及基本原理

1.1 黏滯流體阻尼器發展歷史

19世紀80年代開始流體阻尼器開始應用于結構振動控制方面的研究，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，關于黏滯流體阻尼器具體生產是由美國的Taylor設備公司負責的。流體阻尼器的最早應用范圍是在結構振動控制上，但是阻尼器存在回彈剛度差的缺點。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行了改造，在改造的基礎上，我國首先提出了雙推桿黏滯阻尼器。1999年由歐進萍教授等通過阻尼系數推導出具體的有關于油缸間隙式和孔隙式阻尼器的研究理論以及相關實驗研究。先后由美國著名學者Makris，Constantinou以及Taylor對黏滯流體阻尼器以及阻尼材料等率先進行了性能試驗研究并提出了關于黏滯阻尼器的力學模型。根據黏滯阻尼器的結構特點，美國Constantinou，Symans，Reinhorn等學者對Taylor公司生產的黏滯流體阻尼器進行了全面的、大量的實驗研究，在不同的阻尼器的末梢以及阻尼器的不同個數的布置情況進行實驗，最后得出結論，黏滯阻尼器在抗震方面有實質性的提高。為了達到控制經濟成本的目的，相關學者對消能體系進行優化，這樣做不僅可以有效控制成本，還促進加強對阻尼器安裝研究。

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動使得流體在阻尼材料中阻尼孔處通過，活塞在前后活動中會產生壓力差，這樣對于阻尼力的產生便有了幫助。其結構振動的一部分能量通過阻尼材料的黏滯進行耗能耗散，也就是阻尼材料的粘性能消耗可以減小結構振動反應。因為在流體控制阻尼器中，其有著黏滯力的特征，所以在相關的土木工程中它就有另外一種名字，叫作黏滯阻尼器，具體有以下關系表示，阻尼常數用C表示，阻尼器活塞運動速度用v表示，非線性速度指數由來α表示，介于數在0.3～1.0之間，具體公式則為FD=CVα式中。在阻尼器中，其有著一個主要指標，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和速度指數兩個關鍵參數進行出發。

2 黏滯流體阻尼器發展現狀

2.1 附設黏滯流體阻尼器的鋼筋混凝土框架結構

由翁大根等學者的模型振動臺試驗是由附加有黏滯阻尼器鋼筋混凝土的結構進行抗震加固性能之后，再進行的振動臺試驗。具體的實驗結果如下所示：在結構層之間，可以將阻尼器的數量進行附加，這樣做不僅可以充分利用阻尼提高結構穩定的特點，還可以使得該房屋的抗震能力提升至少一倍以上。周云等學者的試驗，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態激勵荷載的作用之下的有關抗震性能方面的試驗。對降低梁柱節點位置的內力，并且對延遲框架柱頂塑性鉸出現以及發展進行研究，具體實驗結果由下所示：帶有黏滯阻尼器腋撐框架結構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，相關阻尼不僅對梁柱節點起到了有效的保護，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展以及運用可以為建筑工程帶來更多益處。

2.2 附設黏滯流體阻尼器的鋼框架結構

Uriz和Whittaker利用線性流體阻尼器對一棟三層鋼框架建筑進行加固中發現，附加阻尼器可使結構的整體性能有所提高，但卻使得結構梁柱的設計強度趨于薄弱狀態, 所以在施工過程中，應當對梁、柱等進行加固。相關學者在對設置金屬和黏滯阻尼器的消能減震鋼框架結構中發現，在兩條地震波作用下進行彈塑性時，對不同阻尼系數的地震響應進行研究，最后得出結構的最佳阻尼量，同時，研究結果能夠為消能減震結構設計提供參考性依據。

3 黏滯流體阻尼器的優化布置

在建筑結構中采用黏滯流體阻尼器加固的過程中，一般都要依靠經驗，但是這樣會使得在部分層間位移差的結構上，制約了阻尼器性能的發揮并且經濟發展效果也不理想。同時，隨著建筑結構層數的增多，阻尼器安裝的個數也隨之增多，僅僅依靠經驗已經不能滿足工程施工需求，這就需要技術過硬的技術人員進行布置，才能達到預期想要的效果。從結構角度講，若缺乏合理的布置會出現結構及層間的問題，同時，還會造成不必要的浪費現象發生。為了避免以上問題的產生，需要在阻尼器的優化配置方面，加以重視，只有提高了黏滯流體阻尼器的優化布置，使阻尼器自身的減震性能得以發揮出來，才能快速高質量完成現有的工作任務，縮短不必要的勞動時間。施工現場為了優化布置黏滯流體阻尼器，解決現有的問題，從而提出遺傳算法。遺傳算法的出現不僅解決了阻尼器在應用上的困難局面，還可以再優化阻尼器的位置及配置上提供更有效的方法。保證阻尼器一定數量的前提下，根據遺傳算法對阻尼器的位置進行優化，建立新型的數學模型，以提高阻尼器的運行速度為基準。此外，在加權系數以及目標函數不同的況下，以取得最佳取值組合為基準。還應當根據不同類型的阻尼器位置優化特點展開詳細的研究，進行相關數值上的對比分析，在實際運用中為不同類型阻尼器，提供一個目標函數，在選取上也有益于參考。而在高層結構黏滯阻尼器的優化布置上，若采用一種以數字序列為基礎的編碼遺傳算法，就能夠解決各層之間的阻尼器安裝數量及同時編碼的問題。除此之外，利用這種方法進行群體進化，在阻尼器復雜的數值上可以取得一定的優化，能有效促使黏滯流體阻尼器的全面優化布置工作的展開。

4 結語

綜上所述，阻尼器從開發到研制、模型的建立與實踐以及在后期工程中的實際應用經歷了數十年發展歷程。目前黏滯流體阻尼器是抗震技術中常采用的工具之一，阻尼器不僅可以用于建筑結構的加固，提高抗震性，還可提高建筑內部設備的安全性，進而提高施工建筑質量。阻尼器的應用較為廣泛化。但在廣泛的應用的過程中難免會產生一些問題，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，應當采取優化的布置方案進行優化計算，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，同時還能減少工程中不必要的資金流動，節省工程預算，提高工程的利益性。