颗粒阻尼技术应用在建筑工程上的初步试验

EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.颗粒阻尼应用在建筑上试验初探摘要：分析了颗粒阻尼技术应用于建筑结构可能性，并指出了颗粒阻尼在建筑物上应用的具体位置和安装方式；通过单层和多层钢框架模型的振动台试验，探讨了砂子、钢珠等材料作为建筑结构颗粒阻尼材料的减振性能和减振效果。实验表明：粗砂作为建筑结构的颗粒阻尼材料，可以提供较大的等效阻尼比，能够明显减轻结构的大震反应。关键词：颗粒阻尼；建筑物；减振控制；振动台试验1引言将一定粒径的颗粒材料（如铁砂、铅粒等）装入相应的结构空腔内，当系统产生振动时，颗粒体在结构空腔内往复运动，与腔壁碰撞，同时颗粒之间也相互碰撞和摩擦，从而消耗振动能量，这种耗能作用称为颗粒阻尼(ParticleDamping，简称PD)。PD技术具有应用环境范围广，对原结构改动小，产生的附加质量小，作用频带宽，布置灵活，减振效果显著等优点，且具有与温度独立性，也无材性退化与疲劳效应等问题，使得其适用性大大增强，是二十世纪九十年代以来，航空航天、机械等领域减振控制的研究热点之一，而在建筑物上应用则很少有研究。本文探讨了颗粒阻尼在土木工程领域的应用问题，包括颗粒阻尼材料的选取及其在结构中的可能安放位置，并通过振动台试验对砂及钢珠的减振效果进行了实验分析。2PD在建筑物内的安装位置在建筑物中应用PD技术，占用一定的建筑空间，但不能占用使用空间和使用面积。通过对比，以下位置可作为PD技术的应用空间。(1)建筑隔墙位置。隔墙是较为理想的颗粒阻尼技术应用位置，对于轻质砌块隔墙，可以在其砌筑过程中安装PD（如图1a所示）；(2)地暖的水管之间位置。地暖是目前冬季需要采暖的城市正在推广使用的地面采暖方式，热水管及其面层的空间高度在100mm左右，水管之间有300-400mm的空间填充轻骨料混凝土。颗粒阻尼器可以布置在水管之间（如图1b所示）；(3)梁侧。在梁侧安装PD，既不占用使用空间，隐蔽性又较好（如图1c所示）；(4)屋顶保温隔热层。保温隔热层是所有位置中最理想的颗粒阻尼安装位置，颗粒阻尼布置在保温材料或找坡层中（（如图1d所示）。abcd图1PD安装位置3PD材料的选取3.1材料初选目前，阻尼颗粒主要选用比重较大的金属颗粒，如钢颗粒、碳化钨颗粒等。这类颗粒体积小、比重大，可以很好地发挥相互间的冲击和摩擦等耗能作用，但其造价昂贵，不适合在建筑物中应用。考虑到土木工程的特点及砂粒和卵砾的粉体力学性质与低廉的价格，选用砂粒或卵砾作为颗粒阻尼材料将会具有良好工程应用前景。由于砂本身粗细不均，需要按照颗粒直径筛选，并尽量选择颗粒等级相似的砂。为准确分析，选取筛取不同粒径的砂(粗砂:1～2mm；细砂：0.5mm以下)和直径在5mm以上的卵石，烘干后进行实验。3.2实验筛选慎将自频咐为艰3.7H似z罚、阻尼比挖为酬0.75雅%桶的单层钢框架诚缩尺模型槐（如图锹2昆所示）塌安装于淹电磁奶振动台上，在昏粘接于其顶部驱的不锈钢圆盘朗中盛放一定质石量（与结构总扬质量比佣为赤10伙%恰）的捞阻尼颗粒辛，为对比减振斗效果址，将同质量的拒铁块附于结构精表面进行配重漂对比削。霸通过振动台输凉入则不同频率，不斥同加速度峰值每的朗正弦波，测试吃模型的拜加速度逼反应捡。测试久结果管表明，义模型拒加速度超反应怪达到杜0.4蚊g遗后，盘内的挎粗骂砂开始运动，奶而细砂则需要客更高的加速度狱，卵砾闻起动加速度较居粗砂因略低较。旺不同阻尼材料热的龟模型姐加速度殖反应滴不同，但均比捞盘俯内乓未加奔砂时明显鞭减讨轻半，姻说明励三种材料都有铺一定的阻尼效够果，其中接结构的箱加速度符反应以粗砂跳最小，沿卵石雅最大。哪瞬时阻尼比罗对比领（见图泡4盏）伶表明纳粗砂和卵石阻玻尼比较大，细困砂较小。综合插以上实验结果吹，粗砂减震效斤果最为理想。环图最2绿畏单层框瓶架钞呼女周概图俊3勺加十层钢框架澡3.4雷昆环境振动和地炭震动作用下定砂颗粒阻尼宾减振效果试验处为进一步考查痕砂颗粒阻尼晃（以下简客称呆SPD嫌）灿的减振效果，轧制作了暴一睬个清前三阶频率分初别而为粮1.79赞Hz鸟、辣5.44录Hz木、舅和碗9.08Hz誓的拘1肾1烛层钢框架踏缩尺漫模型尤（如兰图骆3消所示）爷，选定粗砂作殊为暖颗粒欧阻尼材料姐，并辅以钢珠砌作为对比材料临。发根据橡振动台输入革振动波君及其加速度峰权值僻的不同甚、机颗粒阻尼爸材料及其质量徒和位置的不同务，挪共进行了崇近制4乳0用种工况的试验于。挑其中，伤振动台输入分玉别为丸ElCen固tro勤波、宁河波和廊某高架桥交通侄诱发振动的实由测记录（简称湾环境振动波）安，承表亭1迹列出了灭ElCen诱tro阅波输入下的振雁动台试验工况注。醋试验结果茂表明闯（如忌图挠4蹦所示）姥：莲添加颗粒阻尼春器后时的搅加速度厅反应充均小于不加阻到尼器的对比工似况纲，这说明砂阻哀尼处器任起到了风良好无的减震效果乳；睬从表1振动台试验工况（ElCentro波输入）工况号加速度峰值(g)阻尼材料质量比位置（层）10.2粗砂2%1020.2粗砂2%7-1030.2粗砂3.5%7、1040.2粗砂3.5%4-1050.4粗砂2%1060.4粗砂2%7-1070.4粗砂3.5%7、1080.4粗砂3.5%4-1090.2钢珠2%10100.2钢珠2%7-10110.4钢珠2%10120.4钢珠2%7-10退减椅震率来咳看屯，顶部减震效吴果明显，减震诵率造可寄达蹈到召5齐0菠％，底部减震法率勿也厕不低侨于笛10%润；幸3.5%担质量比突工况的端减震效果要惑比红2昏%烘质量比序的丽工况山好一些眉，澡也就衔是说阅质量比增大后竟，减震效果有材一定提高；钢料珠傲的跃减震效果略好戒于同等情况下殿的粗砂，但谎前者在棉经济和跃耐腐蚀方面处等于劣势贫；盖分散和集中布策表1振动台试验工况（ElCentro波输入）工况号加速度峰值(g)阻尼材料质量比位置（层）10.2粗砂2%1020.2粗砂2%7-1030.2粗砂3.5%7、1040.2粗砂3.5%4-1050.4粗砂2%1060.4粗砂2%7-1070.4粗砂3.5%7、1080.4粗砂3.5%4-1090.2钢珠2%10100.2钢珠2%7-10110.4钢珠2%10120.4钢珠2%7-10才a偏三种材料引起典瞬时阻尼比对浅比痕拿利班b雷加细砂前后加窃速度对比歉图恳4肢减振效果对比步图粒5童减震和未减震言模型怒各层加速度时圆程阿曲线4结论继通过振动台试担验，对颗粒阻符尼技术在建筑款物振动控制中茶的应用进行了淡探索肾，棒研究结果祖表明铅，们粗砂取材方便挺，价格低廉，昨可以作为阻尼自材料毒在建筑上应用蕉；系建筑物的隔墙信、地面、屋顶埋等位置都可以股放置颗粒阻尼元器咸；覆粗骑砂热颗粒阻尼腥器谢需到振动振动毙加速度达闯到品0.4驶g室后才有较好的图减振效果，因品此币对建筑物的长大勒震反应具有良额好的抑制多作用狮，找对小震及四环境振动的减籍振效果不明显码。参考文献与徐志伟，陶宝置祺唤，断营黄协通清演.NOP馋D刊颗粒减振机理津的理论及实验虏研虽究伪[J]漫.绍航空学报黎.隶2001腔，待22(3)权，乡347-35阁0首,,做乞ngong.秀Energ秤ydiss疗ipatio恒npred馅iction界ofpa前rticle茫dampe嚼rs[J]挺.垂Journ信alof椒Sound陶andVi介bratio筐n持，册2009助，炒(319)旗9鲁1带–蜘118.旱毛宽民验,段师汉民柳,耗黄其柏祸,捧陈天宁贯,虏黄协俭清板.NOP敏D马的椭球状散体遥元建描模捧[J]册.庭工程力学蛛.符2000赞,丙17(6)葛,短65-72斑Friend肚R.D.避,擦KinraV蝴.K.20世00粒.容Partic忧leImp第actDa培mping.僚捞[J]寒.Soun阅dVib.背2000因,场1(6):9扯3~118盘Poppl购ewell积N.惰,分Semerc于igilS枝.E.Per躺forman奴ceof窜thebe荣anbag风dampe酒rfor唇asinu绵soidal曾exter鸟nalfo驴rce[J]甘.Journ朱alof告Sound壶andVi冰bratio鼻n气,京1989骑,盆133(2)耗:193-2抹33.遮陈天宁直,垂陈花玲鸡,撇黄协统清雕.烤豆包消振器的浊阻尼