结构振动中的阻尼问题研究评述

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1、结构振动中的阻尼问题研究评述#36#第31卷第9期2005年5月山西建筑SHANXIARCHITECTUREVol.31No.9May.2005#结构#抗震#文章编号：100926825(2005)0920036202结构振动中的阻尼问题研究评述*唐谢兴摘要：对结构振动中阻尼的复杂性和分类进行了评述，分析了阻尼耗能的原因，介绍了阻尼的研究现状，指出了阻尼研究取得进展需要解决的几个问题。关键词：阻尼，阻尼比，阻尼耗能中图分类号：TU317文献标识码：A何益斌引言阻尼是结构基本动力特性之一，是用以描述结构在振动过程中某种能量耗散的术语，是结构抗震分析中一个重要的因素［1］。实

2、际结构振动时耗能有多方而的因索，耗能机理也十分复朵，而且耗能不像结构尺寸、结构质量和刚度一样，有明确的、直接的测量和分析方法，使得阻尼问题难以用精细理论分析方法，而主要是采用宏观总体表达方法［2］。所以在抗慝设计中，长期以来存在着阻尼值的估计问题，采用的阻尼数据是对大量的工稈实测和模型试验数据的分析得出的结果，人量的试验数据显示，阻尼数据规律性差，离散性高。在结构的振动中，各种响应都是阻尼的函数，能否止确估计阻尼，直接影响到结构动力分析结果的可靠性，阻尼值一个小的差异可能会导致结构响应上成借的变化，甚至几十倍的差异[3]o随着结构抗灾能力要求捉高和各种减灾、隔震、减震技术

3、的应用，结构固有的阻尼取值是否合理势必影响到各种减灾、隔震、减震技术的丿应川效果。因此，阻尼产生机理和阻尼合理取值的研究成为工程界一个迫切需要解决而棘手的研究课题。结构的振动状态衰减到静止状态，在这个过程中存在能量消耗的问题，一般认为由于阻尼而消耗的能量称之为阻尼耗能。结构振动过程阻尼耗能有以下几种原因[4,5]:1）结构材料的内摩擦作用而使机械能逐渐转化为热能消失在周围的介质中，在金属材料构件的振动中，这是主要的耗能原凶；2）空气和水等介质对在其中振动物体的阻尼，空气动力阻尼一般都很小，可以忽略，但在风振动分析中其作用不能忽略，水动力阻尼一般都较大，例如海上作业平台承受

4、着较大的水动力阻尼；3）节点、支座连接件之间和构件的裂缝接触面之间的摩擦耗能，这主要是曲构件之间或构件和支座之间的相对运动引起的，当结构处在弹蜩性振动阶段时，这是结构的主要耗能方式之一；4）附属构件（填充墙）的内部耗能及其与主体结构的摩擦耗能，这是结构在振动中的主要耗能方式；5）通过基础向土壤中耗散一部分能量。建议在原子能电站设计中，按照不同结构和不同内力等级采用不同的阻尼比，钢筋混凝土结构的阻尼比值从弹性阶段的2%~5%直到塑性阶段的10%~15%,变化幅度有3倍~5倍oHavil2nd和Ellis,Yookoo、Akiyama.Davewport和II订12Carra

5、l1等就不同振幅对结构阻尼人小的影响以及它们的随机分布等情况做了大量的研究工作。Jeary和Ellis、Yookoo^Akiyama>Celebi>Safak>Tamuraetal.和杨志勇等对大量的模型和实测数据进行分析，得出了结构高度、结构类型和基础形式对阻尼影响的回归公式［629］。Suda.K.、Satakeb.N.、Onoc.J.和Sasakid.A.收集了日本123栋钢结构和66栋钢筋混凝土结构在小振幅条件下实测的阻尼数据，定性分析建筑结构的阻尼比和各彫响因素Z间的关系，分析结论为［15］:钢筋混凝土的阻尼比人于钢结构的阻尼比；阻尼比随着结构自振频率的增人而提

6、高；随着建筑高度的增加，结构阻尼比减小；桩基础结构的阻尼比稍人于平板基础结构的阻尼比；填充墙多的结构的阻尼比大于填充墙少的结构的阻尼比；建筑结构长度方向的阻尼比大于宽度方向的阻尼比；建筑物阻尼比与振型的关系没有明确的趋势。国内同济人学张相庭等在1979年~1980年对钢和钢筋混凝土两种材料制成的悬臂梁、两端固定梁、--端固左饺支梁、矩形板、门式框架等五种结构形式的口由振动和简谐荷载下进行了强迫振动作了大量试验，取得了近200个测试数据，测得同一结构的自振阻尼比为常数，强迫振动的第一-振型阻尼系数与应力和振幅有关，振幅越大，阻尼也越人，钢筋混凝土结构阻尼变化幅度在3倍左右，

7、钢结构阻尼的变化幅度约在13倍左右。重庆建筑人学黄宗明用动静对比试验來区分阻尼耗能利滞回耗能，即结构在振动过程屮的恢复力滞冋曲线取为按照与动力反应相同的位移历程对该结构进行静力加载所得到的力）位移曲线，恢复力曲线变形能是该静力加载滞冋曲线所围血积，阻尼耗能为动力反应的惯性力）位移滞冋曲线（m&gx）x曲线）所

8、韦

9、面积与静力滞回所围面积之差，通过完成了三对6个小型单层钢框架的动力与静力对比试验，用以考察不同地而运动作用，不同结构自振周期和不同位移延性反应等对结构阻尼的影响，探讨了在基底为刚性约朿的条件下一般建筑结构的地震反应时