黏滞流体阻尼器抗震性能研究及优化布置的综述

崔 凯

（中国建筑第八工程局有限公司东北分公司，辽宁 大连 116000）

黏滞流体阻尼器的主要作用是能够减震，在建筑结构中安装阻尼器不仅不会改变结构性能，还可以使得结构紧紧依附阻尼器，其优势使得黏滞流体阻尼器在各大高层以及超高层的建筑结构中广泛应用。对于阻尼器在建筑结构中的应用，本文采用了遗传算法进行研究。随着结构层数的增加阻尼数量也在增多，因此，在阻尼数量增加的同时就要考虑阻尼设计成本以及布置等多个问题。

1 黏滞流体阻尼器发展历史及基本原理

1.1 黏滞流体阻尼器发展历史

19世纪80年代开始流体阻尼器开始应用于结构振动控制方面的研究，圆柱状筒式黏滞流体阻尼器最开始是由GERB Vibration Control公司研制的，关于黏滞流体阻尼器具体生产是由美国的Taylor设备公司负责的。流体阻尼器的最早应用范围是在结构振动控制上，但是阻尼器存在回弹刚度差的缺点。因此，为了有效解决这一问题，我国研究人员对原有的黏滞流体阻尼器进行了改造，在改造的基础上，我国首先提出了双推杆黏滞阻尼器。1999年由欧进萍教授等通过阻尼系数推导出具体的有关于油缸间隙式和孔隙式阻尼器的研究理论以及相关实验研究。先后由美国著名学者Makris，Constantinou以及Taylor对黏滞流体阻尼器以及阻尼材料等率先进行了性能试验研究并提出了关于黏滞阻尼器的力学模型。根据黏滞阻尼器的结构特点，美国Constantinou，Symans，Reinhorn等学者对Taylor公司生产的黏滞流体阻尼器进行了全面的、大量的实验研究，在不同的阻尼器的末梢以及阻尼器的不同个数的布置情况进行实验，最后得出结论，黏滞阻尼器在抗震方面有实质性的提高。为了达到控制经济成本的目的，相关学者对消能体系进行优化，这样做不仅可以有效控制成本，还促进加强对阻尼器安装研究。

1.2 黏滞流体阻尼器的基本原理

黏滞流体阻尼器的基本原理是通过缸筒和活塞之间的相对运动使得流体在阻尼材料中阻尼孔处通过，活塞在前后活动中会产生压力差，这样对于阻尼力的产生便有了帮助。其结构振动的一部分能量通过阻尼材料的黏滞进行耗能耗散，也就是阻尼材料的粘性能消耗可以减小结构振动反应。因为在流体控制阻尼器中，其有着黏滞力的特征，所以在相关的土木工程中它就有另外一种名字，叫作黏滞阻尼器，具体有以下关系表示，阻尼常数用C表示，阻尼器活塞运动速度用v表示，非线性速度指数由来α表示，介于数在0.3～1.0之间，具体公式则为FD=CVα式中。在阻尼器中，其有着一个主要指标，那就是阻尼力和最大冲程。然而阻尼器上控制作用的大小就要从阻尼系数和速度指数两个关键参数进行出发。

2 黏滞流体阻尼器发展现状

2.1 附设黏滞流体阻尼器的钢筋混凝土框架结构

由翁大根等学者的模型振动台试验是由附加有黏滞阻尼器钢筋混凝土的结构进行抗震加固性能之后，再进行的振动台试验。具体的实验结果如下所示：在结构层之间，可以将阻尼器的数量进行附加，这样做不仅可以充分利用阻尼提高结构稳定的特点，还可以使得该房屋的抗震能力提升至少一倍以上。周云等学者的试验，主要是通过对黏滞阻尼器腋撑以及普通框架模型在水平正弦稳态激励荷载的作用之下的有关抗震性能方面的试验。对降低梁柱节点位置的内力，并且对延迟框架柱顶塑性铰出现以及发展进行研究，具体实验结果由下所示：带有黏滞阻尼器腋撑框架结构的阻尼器耗能能力与附加阻尼相比较都有明显改善。该研究显示，相关阻尼不仅对梁柱节点起到了有效的保护，并且对钢筋混凝土框架的抗震性能有所提高。在对黏滞流体阻尼器的研究过程中可以得出，黏滞流体阻尼器的发展以及运用可以为建筑工程带来更多益处。

2.2 附设黏滞流体阻尼器的钢框架结构

Uriz和Whittaker利用线性流体阻尼器对一栋三层钢框架建筑进行加固中发现，附加阻尼器可使结构的整体性能有所提高，但却使得结构梁柱的设计强度趋于薄弱状态, 所以在施工过程中，应当对梁、柱等进行加固。相关学者在对设置金属和黏滞阻尼器的消能减震钢框架结构中发现，在两条地震波作用下进行弹塑性时，对不同阻尼系数的地震响应进行研究，最后得出结构的最佳阻尼量，同时，研究结果能够为消能减震结构设计提供参考性依据。

3 黏滞流体阻尼器的优化布置

在建筑结构中采用黏滞流体阻尼器加固的过程中，一般都要依靠经验，但是这样会使得在部分层间位移差的结构上，制约了阻尼器性能的发挥并且经济发展效果也不理想。同时，随着建筑结构层数的增多，阻尼器安装的个数也随之增多，仅仅依靠经验已经不能满足工程施工需求，这就需要技术过硬的技术人员进行布置，才能达到预期想要的效果。从结构角度讲，若缺乏合理的布置会出现结构及层间的问题，同时，还会造成不必要的浪费现象发生。为了避免以上问题的产生，需要在阻尼器的优化配置方面，加以重视，只有提高了黏滞流体阻尼器的优化布置，使阻尼器自身的减震性能得以发挥出来，才能快速高质量完成现有的工作任务，缩短不必要的劳动时间。施工现场为了优化布置黏滞流体阻尼器，解决现有的问题，从而提出遗传算法。遗传算法的出现不仅解决了阻尼器在应用上的困难局面，还可以再优化阻尼器的位置及配置上提供更有效的方法。保证阻尼器一定数量的前提下，根据遗传算法对阻尼器的位置进行优化，建立新型的数学模型，以提高阻尼器的运行速度为基准。此外，在加权系数以及目标函数不同的况下，以取得最佳取值组合为基准。还应当根据不同类型的阻尼器位置优化特点展开详细的研究，进行相关数值上的对比分析，在实际运用中为不同类型阻尼器，提供一个目标函数，在选取上也有益于参考。而在高层结构黏滞阻尼器的优化布置上，若采用一种以数字序列为基础的编码遗传算法，就能够解决各层之间的阻尼器安装数量及同时编码的问题。除此之外，利用这种方法进行群体进化，在阻尼器复杂的数值上可以取得一定的优化，能有效促使黏滞流体阻尼器的全面优化布置工作的展开。

4 结语

综上所述，阻尼器从开发到研制、模型的建立与实践以及在后期工程中的实际应用经历了数十年发展历程。目前黏滞流体阻尼器是抗震技术中常采用的工具之一，阻尼器不仅可以用于建筑结构的加固，提高抗震性，还可提高建筑内部设备的安全性，进而提高施工建筑质量。阻尼器的应用较为广泛化。但在广泛的应用的过程中难免会产生一些问题，例如：空间布置缺乏合理性，就是阻尼器的最大弊端，针对该问题，应当采取优化的布置方案进行优化计算，并找到适合放置前黏滞流体阻尼器的最佳位置，从而提高建筑工程的抗震性能，同时还能减少工程中不必要的资金流动，节省工程预算，提高工程的利益性。