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不同類型的阻尼器是通過不同的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)耗能的，它們發(fā)揮作用的過程也具有一些不同的特點(diǎn)。從消能減震裝置產(chǎn)生附加抵抗力和消耗地震能量的機(jī)理出發(fā)，將它們按照速度型阻尼器、位移型阻尼器、質(zhì)量型阻尼器等進(jìn)行歸類。有些阻尼器產(chǎn)生的附加抵抗力與速度，也就是結(jié)構(gòu)和阻尼器變形的快慢有關(guān)，可以被歸為速度型阻尼器。另一些阻尼器提供的附加抵抗力則與位移，也就是結(jié)構(gòu)和陽尼器變形的大小相關(guān)，可以被歸為位移型阻尼器。還有一些阻尼器的附加抵抗力與變形速度和變形大小均有關(guān)，因此可以被歸為速度-位移型阻尼器。除此之外，還有一類阻尼器的附加抵抗力來源于慣性，被稱為質(zhì)量型阻尼器。
▲圖1
該類型最常見的是黏滯阻尼器，它通過改變硅油或其他高分子黏性材料的運(yùn)動狀態(tài)來產(chǎn)生阻尼力并消耗地震能量，當(dāng)流體通過節(jié)流孔時(shí)會產(chǎn)生節(jié)流阻力，是一種與活塞運(yùn)動速度相關(guān)的阻尼器。黏滯阻尼器的阻尼力與阻尼器的活塞運(yùn)動的速度成比例關(guān)系，即數(shù)學(xué)模型，其中為阻尼系數(shù)，為速度指數(shù)。根據(jù)參數(shù)的不同，這種比例關(guān)系可以是簡單的線性關(guān)系，也可能是比較復(fù)雜的非線性關(guān)系，這主要決定于產(chǎn)品性能。當(dāng)阻尼力與速度線性相關(guān)時(shí)，阻尼力與阻尼器變形的關(guān)系，即阻尼力的滯回關(guān)系呈現(xiàn)出圖2所示的橢圓形，而當(dāng)阻尼力與速度的關(guān)系為非線性時(shí)，阻尼力的滯回關(guān)系就從橢圓形趨向于矩形。此時(shí)，在阻尼力最大值相等的前提下，由阻尼力-變形曲線所圍合的面積，即阻尼力消耗的能量變得更大。
▲圖2
該類型常見的是金屬阻尼器，主要通過金屬屈服后產(chǎn)生的塑性變形和滯回行為消耗地震能量。金屬材料在外力作用下，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)將發(fā)生屈服，屈服后的金屬在恢復(fù)力基本保持不變的情況下，可以產(chǎn)生很明顯的塑性變形。之后隨著外力的解除，恢復(fù)力隨之降低，但大部分的塑性變形仍將以殘余變形的形式存在。
▲圖3
由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外力和變形達(dá)到一定程度時(shí)才會發(fā)生屈服，并伴隨著損傷和殘余變形等。為了盡可能地減小結(jié)構(gòu)的損傷和殘余變形，就需要結(jié)構(gòu)在彈性階段，在較小的外力和變形時(shí)，使金屬阻尼器能夠在率先發(fā)生屈服并開始耗能。因此，各種具有較低屈服點(diǎn)的鋼材，即軟鋼被陸續(xù)開發(fā)出來，并被應(yīng)用于各種消能減震裝置中。同時(shí)，在金屬阻尼器的設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮阻尼器及結(jié)構(gòu)各自的性能特點(diǎn)，以合理地確定阻尼器的形式、安裝位置、參數(shù)取值等。
屈曲約束支撐(BRB)是一種重要的金屬阻尼器，它是一種利用鋼材軸向拉壓變形實(shí)現(xiàn)耗能的阻尼器。鋼材制成的支撐桿件在受拉時(shí)可以表現(xiàn)出較好的塑性變形能力，而在受壓時(shí)卻容易出現(xiàn)屈曲，導(dǎo)致桿件在整體的承載能力和塑性變形能力無法充分發(fā)揮的情況下即發(fā)生破壞。這將導(dǎo)致桿件在反復(fù)的拉壓變形下無法充分地發(fā)揮阻尼器的耗能能力。為解決鋼桿件受壓屈曲的問題，可以在鋼桿周圍包裹鋼管混凝土，或填充有砂漿等材料的約束鋼管和約束鋼板，來約束鋼桿的屈曲，以實(shí)現(xiàn)其在拉壓變形下充分的滯回耗能。因此，這類金屬阻尼器稱為屈曲約束支撐。
▲圖4 天津117大廈的BRB支撐
摩擦阻尼器是另一種典型的位移型阻尼器，它利用兩個(gè)接觸物體相對位移時(shí)在接觸面上產(chǎn)生的摩擦力作為阻尼力以消耗地震能量。摩擦力產(chǎn)生的機(jī)理是比較復(fù)雜的，但是摩擦力的大小可以大致通過經(jīng)驗(yàn)的庫侖公式加以描述。其中為摩擦力，為摩擦系數(shù)，為接觸面上的壓力。由此可知，可以通過改變摩擦系數(shù)的大小來控制摩擦力，這主要通過合理選擇接觸面兩側(cè)的摩擦材料來實(shí)現(xiàn)。圖5所示為Pall摩擦耗能器構(gòu)造，由摩擦滑動節(jié)點(diǎn)和四根鏈桿組成，摩擦滑動節(jié)點(diǎn)由兩塊帶有長孔的鋼板通過高強(qiáng)螺栓連接而成,鋼板之間可填充摩擦材料或是對接觸面做加工處理來調(diào)節(jié)摩擦系數(shù),通過松緊節(jié)點(diǎn)螺栓來調(diào)節(jié)鋼板間的摩擦力,四周的鏈桿起連接和協(xié)調(diào)變形的作用。
▲圖5
Pall摩擦耗能器在外力作用下,當(dāng)外力小于最大靜摩擦力時(shí),耗能器不產(chǎn)生滑動;當(dāng)外力大于最大靜摩擦力時(shí),耗能器中間節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生滑動并通過周圍的四根鏈桿的變形協(xié)調(diào)作用,在避免支撐產(chǎn)生受壓屈曲破壞的同時(shí)保持穩(wěn)定的摩擦耗能能力。在反復(fù)荷載作用下,理想的摩擦耗能器的滯回曲線如圖6所示,由摩擦做功基本原理可知,摩擦耗能器在一個(gè)循環(huán)中所消耗的能量為。其中，為摩擦耗能器摩擦做功所消耗的能量,即圖6中滯回曲線包圍的面積;為摩擦耗能器的起滑力;為最大滑動位移
▲圖6
▲圖7
黏彈性阻尼器是一種典型的速度-位移型阻尼器，其阻尼作用來源于高分子黏彈性材料的變形。圖7a所示為典型的黏彈性阻尼器構(gòu)造，片狀的黏彈性材料被鋼板像三明治一樣夾在中間。與黏滯阻尼器不同，它在發(fā)揮阻尼作用的同時(shí)還提供一個(gè)彈性的恢復(fù)力，因此，其阻尼力-變形關(guān)系表現(xiàn)為圖7b所示的傾斜的橢圓形。它可以被近似地視為一個(gè)彈簧的恢復(fù)力-變形關(guān)系和一個(gè)黏滯阻尼器的橢圓形滯回關(guān)系的疊加。這個(gè)等效的彈簧剛度和等效的阻尼系數(shù)就成了描述黏彈性阻尼器阻尼力-變形關(guān)系的主要參數(shù)。
▲圖8
如圖8所示的結(jié)構(gòu)，按剛度法建立運(yùn)動方程
其中求剛度系數(shù)的過程如圖9
▲圖9
圖8就是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)的力學(xué)模型，一般可以簡化為一個(gè)附加在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量，通過彈簧和阻尼單元(和)與結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)點(diǎn)相連。為了充分發(fā)揮減振效果，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器一般需要設(shè)置在結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大的地方，對于高層建筑而言，在地震或風(fēng)的作用下往往是其頂層的響應(yīng)最大。因此，這里的附加質(zhì)量單元可以通過設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂部的大型質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)，也可以利用樓頂水箱等質(zhì)量較大的設(shè)備和組件。通過對調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的附加質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行合理地調(diào)節(jié)，可以使附加質(zhì)量的慣性力始終對結(jié)構(gòu)的振動起到抑制作用，并使附加質(zhì)量的響應(yīng)盡量增大。附加質(zhì)量的響應(yīng)越大，說明地震或風(fēng)輸入的能量越多地被用于附加質(zhì)量的運(yùn)動，而這些能量還能夠在附加質(zhì)量運(yùn)動的過程中不斷被黏滯阻尼器等消耗掉。這樣一來，用于驅(qū)動結(jié)構(gòu)響應(yīng)的能量被調(diào)諧質(zhì)量阻尼器所吸收和消耗，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就能相應(yīng)地減小。因此，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的減振作用可以理解為通過調(diào)節(jié)附加質(zhì)量的運(yùn)動狀態(tài)盡可能地吸收結(jié)構(gòu)的振動能量，再通過陽尼作用耗散這些能量，以達(dá)到消能減振的目的。
▲圖10 上海中心阻尼器
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