基于颗粒阻尼的结构减震方法研究

Particle damping is a new vibration passive control approach. Metal or non-metallic particles which are in the nonobstructive state are filled in the voids which are attached to the structures or existed before. With the vibration of the structure, particles among themselves and between particles and the structure collide and conflict. So the energy of the vibrating structure is dissipated through the inelastic collision, friction and momentum exchange. It has a lot of advantages, such as flexibility of layout, the notable effect of vibration absorption, even at a wide frequency bandwidth. Hence, it is widely researched in aeronautics and mechanical engineering, however, is still in the unmature period in civil engineering. For building structures and bridges, considering the characteristic and the applicability of the economy, sand, gravel or concrete balls can be used as the particle materials, the particles can be layed in the filler walls, below the slab of the beam-stair, in the thermal insulating layer, in the box girder, on the top of the pagoda and in the hollow pier and so on, providing distributed damping and obtaining well damping effect. According to the achievements in aeronautics and mechanical engineering field, the theory and methods of the praticle damping which can be used in building structures and bridges were studied, including the mechanism; the influencing factors such as the material of the particles, the filling rate, the shape of the container and the intensity and frequency of the excitation; in addition, the fixing position and the added mass ratio of the dampers were also studied; finally, the corresponding seismic reduction analysis and design method were proposed.

颗粒阻尼技术利用填充于结构内部或附属空腔内的金属或非金属颗粒碰撞和摩擦作用产生的阻尼效应减轻结构振动，具有减振效果好、作用频带宽、布置灵活等优点，在航空和机械振动控制领域得到了广泛的研究和一定的应用。对房建和桥梁结构而言，考虑到其特点和经济适用性，可选用砂粒、卵砾、混凝土球等作为阻尼颗粒，并将其分散布置于建筑隔墙、梁式楼梯的楼梯板下、屋顶架空保温隔热层、设备层、箱梁、塔顶和空心墩等位置，从而可较大程度上实现分布阻尼并藉此获得良好的减震效果。有鉴于此，本项目拟借鉴和利用航空及机械等领域相关成果，研究可用于房建和桥梁结构的颗粒阻尼减震理论和方法，包括颗粒阻尼器的减震机理，颗粒材料、空腔形状、填充率、振动频率和强度等因素对颗粒阻尼器性能的影响，颗粒阻尼器在结构中的不同安放位置和质量比等参数对其减震效果的影响，以及相应的减震分析与设计计算理论和方法等。

颗粒阻尼技术利用填充于结构内部或附属空腔内的金属或非金属颗粒碰撞和摩擦作用产生的动量交换和阻尼效应减轻结构振动，具有作用频带宽、布置位置灵活、可提供分布阻尼、无需维护等优点，在航空及机械振动控制领域得到了广泛的研究和一定的应用。但由于颗粒阻尼的高度非线性，在相对低幅低频的土木工程领域中有关颗粒阻尼器性能的研究仍较少，颗粒阻尼器在土木工程领域的应用方法研究尚处探索阶段。本项目充分借鉴和利用航空及机械等领域有关成果，研究可用于房建和桥梁结构的颗粒阻尼减震理论和方法，包括颗粒阻尼器的减震机理，阻尼颗粒的选材、填充率、振动频率和强度等因素对颗粒阻尼器性能的影响，颗粒阻尼器在结构中的不同安放位置和质量比等参数对其减震效果的影响，以及相应的减震分析与设计计算理论和方法等。本课题主要研究结论如下：（1）颗粒阻尼器机理和性能研究方面，颗粒的填充状态和附加质量对颗粒阻尼器的性能影响显著，颗粒堆积后，颗粒运动受限，阻尼器性能变差；颗粒材料、粒径和数量主要影响颗粒的填充状态，对颗粒阻尼器的最优性能影响不大。（2）颗粒阻尼器减震控制研究方面，提出了隔舱式颗粒阻尼器和调频型颗粒阻尼器（TPD），根据颗粒阻尼器性能研究结果对其进行了设计，开展了基于颗粒阻尼器的振动台试验研究，结果表明，合理设计的颗粒阻尼器具有良好的减震控制效果；调谐作用是土木工程用颗粒阻尼器发挥减震控制效果的重要组成部分；随颗粒阻尼器质量比的增加，减震控制效果提高；布置位置对颗粒阻尼器减震控制效果影响显著，阻尼器应布置在结构响应较大的位置。（3）颗粒阻尼器减震分析与设计方法方面，建立了TPD的简化线性、非线性分析模型及相应的参数计算方法，基于某高架桥梁振动台试验对数值模拟结果进行了评价，并以线性分析模型为基础提出了TPD的参数优化方法。相关研究成果可为颗粒阻尼器在建筑与桥梁结构减震控制领域的应用提供理论、试验和数值分析指导。