论文部分内容阅读
颗粒阻尼技术是将颗粒材料按某一填充率放入结构内部或结构附属的空腔中，受控结构振动时，颗粒之间、颗粒与腔体之间将不断地碰撞和摩擦，不但有动量交换，而且能够消耗系统的动能，藉此减轻结构的振动。颗粒阻尼技术具有减振效果好、控制频带宽、布置灵活和对结构自振频率影响较小等优点，在机械和航空等领域已有广泛的研究和一定的应用。对于土木工程结构而言，颗粒阻尼技术应该具有实现分布阻尼以避免造成结构局部损伤或破坏的可能性，但是相关的研究尚处于探索阶段。本文充分借鉴颗粒阻尼技术已有的相关研究成果，对可能用于土木工程结构的颗粒阻尼器及其减振机理、阻尼器参数对其性能的影响、基于颗粒阻尼技术的结构减振方案和分析与设计方法，以及颗粒阻尼器在在高架连续梁桥中的应用，进行了理论分析、数值模拟和试验研究，主要研究工作及成果包括如下几个方面。 (1)颗粒阻尼器减振机理与性能的试验研究以玻璃球、钢珠和混凝土球作为颗粒，分别在初位移激励和简谐激励下对颗粒阻尼器的减振机理与性能进行了系统的试验研究。结果表明，颗粒附加质量比主要影响颗粒的堆积状态和颗粒的起振条件以及颗粒阻尼器的减振方式和效果;颗粒的堆积状态主要影响颗粒与腔体壁发生相对运动和碰撞的条件，即当颗粒不发生堆积时，颗粒与腔体壁之间的净边距可以很好地表征颗粒发挥减振控制效果的条件，当初始净边距很大时，有限的时间内颗粒与腔体壁不发生相对碰撞，颗粒阻尼器的减振效果将很差。当颗粒发生堆积后，颗粒的起振与否直接影响颗粒的减振性能，若颗粒与腔体壁不发生相对运动则仅相当于附加质量;激励幅值和激励频率主要影响颗粒与腔体壁发生碰撞的几率和碰撞力的大小，从而影响其减振性能。 (2)颗粒阻尼器减振机理与性能的分析模型与数值模拟在试验研究的基础上，将颗粒与颗粒之间的相互作用视为内力，并忽略颗粒与腔体壁之间的碰撞耗能，应用结构动力学、摩擦学和碰撞力学等相关理论，建立了颗粒-结构体系的运动方程和简化分析模型，编制了基于MATLAB平台的分析程序，对颗粒阻尼器减振机理与性能进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比分析。结果表明，附加质量比、颗粒与腔体之间的净边距及激励强度等参数对颗粒阻尼减振机理和性能影响的数值分析结果与试验研究结果基本一致，颗粒-结构简化分析模型既降低了由于颗粒数量导致的颗粒群数值分析的难度和耗时，又能够有效地模拟颗粒群在结构腔体内的运动状态及颗粒群与受控结构的相互作用。 (3)隔舱式颗粒阻尼器与曲线型高架连续梁桥减震控制试验研究提出了一种隔舱式颗粒阻尼器(Compartmental Particle Damper，简记为CPD)，并依据场地类别选取了3条远场地震波和5条近断层地震波作为地震动输入，对设置CPD前后的1/10缩尺曲线型高架连续梁桥模型进行了振动台试验研究。结果表明:CPD可以方便快捷地安装于曲线桥中，但由于曲线连续梁桥弯扭耦合等作用的影响，CPD对曲线模型桥地震响应的控制效果表现出方向性，且与地震动输入有关;试验模型损伤后由于其自身刚度的降低和阻尼的增加，相同激励条件下阻尼颗粒发生摩擦和碰撞的几率和强度降低，故在试验模型损伤后CPD的控制效果呈下降趋势;对于近断层地震动激励，CPD的减震控制效果较好。 (4)调频型颗粒阻尼器与直线型高架连续梁桥减震控制试验研究提出了一种调频型颗粒阻尼器(Tuned Particle Damper，简记为TPD)及其简化设计方法，对设置TPD前后的1/10缩尺直线型高架连续梁桥模型进行了振动台试验研究。结果表明:E1、E2地震作用下，TPD对模型桥地震响应的平均减震率分别超过了10％和30％，即TPD对直线型高架连续梁桥具有良好的减震效果，且激励强度越大减震效果越好;在小震作用下TPD主要起调频的作用，而在大震作用下TPD不仅提供调频作用同时能够提供较大的附加阻尼;与调谐型阻尼器相比，TPD的减震频带更宽;TPD的简化设计方法简单有效。 (5)调频型颗粒阻尼器的简化线性分析模型研究提出了TPD的简化线性分析模型，该模型将TPD简化为具有质量、刚度的阻尼器腔体与具有质量、刚度和阻尼的颗粒群相串联的双重调谐质量阻尼器(Doubly Tuned Mass Damper，简记为DTMD);分别利用结构力学和能量估算方法得到了该模型等效刚度和等效阻尼的计算方法，并对基于该模型的有限元数值模拟与试验结果进行了对比分析。结果表明:数值模拟与试验研究所得规律大体吻合，该简化分析模型及其参数计算方法可以有效地估计TPD的减震控制效果。 (6)调频型颗粒阻尼器的简化设计方法与简化非线性分析模型研究进行了简谐激励下TPD简化线性模型—DTMD模型的参数分析，提出了TPD的简化设计方法和简化非线性分析模型，并基于简化非线性分析模型对简化设计方法进行了评价。结果表明，依据简化设计方法设计的TPD可以获得良好的控制效果，且相对于单TMD而言，TPD的减振频带更宽，鲁棒性更好。