土木工程专业工民建方向毕业设计

具备高刚度提升流体阻尼器配置开发与测试结构

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北托纳旺达，纽约14120-0748

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迈克尔·康斯坦丁努，博士，教授，纽约州立大学布法罗分校

土木工程系

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布法罗，纽约州14260人们普遍公认，具备高刚性结构特点能够作为具备相对较小位移发生时震动输入。这些小挠度执行附加阻尼元件等已被证实是非常困难。结合流体阻尼器，一个简单机械切换支撑组装放大结构小排量同时，生产所需阻尼力进行了研究。切换括号和流体阻尼器安装3磅结构遭受地震地面上大地震摇表议案瞬变，提供测试结果。引言增加减震装置结构，以提升冲击和震动输入下性能概念已被彻底证实了广泛应用，在过去一个世纪。这些应用范围从汽车悬架，建筑和桥梁，受到武器军事结构影响。依照不一样应用，最优阻尼水平千差万别。比如，汽车悬架通常在20-30％临界范围阻尼，利用所谓液压减震器，提供所需阻尼水平。受到风输入高楼大厦往往配置各类减震器提供5-10％总阻尼，其中包含从结构本身只有1-3％。军事系统固有坚固耐用，但往往是依照武器优化？经过增加阻尼非常大金额，往往相当于100％-％临界品位休克。泰勒和康斯坦丁努（1994）[8]和泰勒和李（1987）[9]提供额外背景和历史数据使用上，增加了结构阻尼。康斯坦丁努，等。（1996）[1]宋和Dargush（1996）[6]上使用阻尼器在建筑和桥梁结构汇报。实施内相对僵硬结构系统阻尼装置已被证实是非常困难。这是因为小位移，发生这种类型结构时受到震惊和/或震动输入。阻尼元素，假如需要跨越建设海湾，附件和支撑要素固有灵活性，成为一个重大问题，这个问题变得愈加困难。为了消除过多支撑和附件挠度，这些元素必须作出大规模截面积和惯性弯矩。然而，甚至当一个设计可容纳重，超大组员结构，减震装置本身固有灵活性成为一个设计问题。比如，考虑图简单长方形建筑湾。1，其中包含一个完整流体阻尼器简单斜撑。这个海湾是高10英尺，30英尺宽。假设建设是相对刚性，结构工程师预计约0.5％横向漂移（作为层高百分比表示）产生之前，会发生夸大形式在图描述了这种横向漂移。图1建设海湾与阻尼使用简单几何和处理斜撑长度下都显示位置，显示一共只有0.56英寸对角线缩短下定义输入。这种类型流体阻尼器一个经典设计规范要求总挠度基于以下总结：0.5％故事漂移下动态运动56英寸抗震设计规范安全系数（100％）=.56英寸提供热膨胀/收缩=.13英寸，共有所需偏转能力=1.25英寸。一个简单流体阻尼块布局如图2，流体经过一个活塞头配置orificing产生阻尼力。托架（基于图1尺寸）对于一个经典建筑，阻尼器会在50,000-100,000磅泰勒和康斯坦丁努（1994年）范围内，输出力[8]报道？现实世界工作压力？建设阻尼器不一样从2,000-10,000PSI。阻尼压力低于磅过大设备价值结果。10,000磅以上压力，需要特殊和昂贵设计考虑。当一个设计了阻尼器适适用于小挠度，经营2,000-10,000磅，可压缩性工作流体和压力阻尼器clinder壁扩张压力不容无视。这些影响都共同采取行动，这么阻尼器，将需要提升业务水平流体压力有限位移量。这种效应被称为：上升偏转或鼻子角度阻尼力-挠度曲线，并经过测试阻尼器一个阶梯函数速度输入验证。一个合理近似这种效果通常能够由液柱流体压缩百分比总长度乘最大阻尼压力倍减振器活塞ully在一个方向偏移。泰勒（1971）[7]，硅胶减震液各种制造商已经发表在8000psi5％体积压缩压缩值汇报。加或减1.25英寸位移，在我们例子中，将出现上升最大挠度当活塞完全抵消在一个方向，然后向相反方向流离失所。假如我们假设8000psi工作压力，使用硅为5％压缩值，阻尼器将有一个上升偏转：0.5×（2×1.25）=.125英寸所以，要达成充分阻尼力阻尼器位移要求.125英寸。实际产生动态位移是0.56英寸僵硬结构定义。所以，阻尼器基本上浪费了结构位移只是建立以充分发挥其阻尼力值近四分之一。第二个问题是阻尼响应时，阻尼器在其上升偏转偏转范围经营，提供了非常少能量消耗。这是因为相对较低力量提供，而实际上，流体初步反应是有点弹性性质，甚至提供电阻流程阻尼孔，。假如设计师希望保持风或重复地震输入下弹性结构，偏转将被限制在较小值比.56英寸产生。这将深入降低阻尼器成效。图2流体阻尼器改进阻尼配置发展在刚性结构提供足够阻尼性能最直接处理方案是简单地使用大口径阻尼器在非常低压力下采取行动，以尽可能降低上升时间影响。该处理方案是不切实际，在阻尼器，打包因为其大信封，再加上一个一样高成本变得困难。第二个直接处理方案是找到一个可压缩流体。这个处理方案也已证实是不切实际，因为现在全部可用产品与较低压缩或者有毒，易燃，或温度敏感。一个更有效处理方案包括利用杠杆式机制，在阻尼器安装点，同时降低所需金额作用力乘以建筑物偏转。这种方法研究了先前各研究人员。图3描述了一个经典处理方案，在这种情况下，大成企业梦幻？系统，日比野，等汇报。（1989）[3]。图3结合了驾驶臂铰链销连接列和上层大幅支撑柱。最终结果是，使用一个简单机械杠杆，以增加有效阻尼中风。不幸是有实际使用，如在建筑物或桥梁结构设计主要障碍。首要关注是，整个机制设计必须有非常小弯曲或在其元素应变。不然，弯曲机制本身是同一水平上升直接作用减振器偏转，从而取得无设计改进。僵化机制要求，必须使用极为亲密配合，最好用圆锥滚子轴承或类似紧密间隙轴承，铰链点。另外，全部机械该机制链接必须是相对大而重，以预防弯曲载荷下。一个梦幻般系统第二个问题，包括面议案。因为地震和风力运动极少将被应用于一个单一建设轴沿，支撑系统必须接收，没有屈曲或结合大量平面议案。从图中能够观察到。3，相同铰链点必须紧密配合，让平面反应不能绑定在平面方向，这是非常困难事没有过多费用。图3插图梦幻般系统切换支撑机制这一研究项目包括改进机制发展，消除与传统设计方法，以减振器安装在一个相对僵硬结构问题。早在设计过程中，人们认识到存在类似问题在行动（运行机制）小型武器设计，尤其是那些无所不包半自动或全自动射击模式与机制。在这种武器类型，作用机制必须是轻量级出来必要性，但足够刚性，果断查封武器武器发射时膛。另外，行动必须是能够关闭和解锁臀位允许允许提取和燃煤墨盒弹射发射，周期，加上饲料和室另一轮。全部这些功效都必须取得一个低作用力。小武器设计审查显示切换机制成功应用，以完成上述任务。其中之一是所谓杠杆作用，在火山，亨利和温彻斯特重复步枪，大约1845-至今。二是，首先由瑞士军队改编在19，德国军队在第一次世界大战和第二次世界大战中使用鲁格手枪（鲁格）。这两个武器之间存在一些相同之处，因为购置手枪行动基本设计，原先从雨果·博查特，曾在1890年被聘为工程师温彻斯特武器事实。图4是所谓原理？切换臀位，由乔治·鲁格专利1900，描绘完整后坐力位置。当臀位幻灯片返回到电池（前锋），切换几乎完全伸展，作为一个惯性臀位锁。图4切换臀位机制模型po8鲁格手枪图5切换括号阻尼系统检测过架这一机制，以适应建筑框架，包括使用切换为斜撑，安装阻尼器一端与近似切换支点，另一端连接到建筑框架。基本设计图描绘。5，这也是本汇报实际帧测试。在此配置中，在一个相对较小建设框架横向偏转会造成在阻尼器更大偏转，因为切换机制，在阻尼器安装点乘以变形。各种刚体几何研究进行，这表明在3和4之间，全尺寸框架可用偏转放大倍率。因为所需阻尼耗能是一个特定值，使用切换括号乘以挠度降低从阻尼器本身所需要力量，因为每个周期吸收能量是不可分割阻尼力与尊重流离失所。请注意，在图测试配置。5因使用现成施工材料和部件。在一个实际结构，连接细节将固定在每个括号连接梁列交界处，以尽可能降低弯曲应力。图5还处理了平面外屈曲条件，因为切换低角度偏转允许使用简单弯曲连接。在这种情况下，所需曲被确定为第一个四分之一英寸厚钢板，填补切换两种结构管件之间焊接到位。类似板弯曲用来连接切换机制建设框架。弯曲允许使用低力添砖加瓦阻尼运动飞机，同时提供大量顽强抵抗平面议案。实际上，假如弯曲不够深，其平面惯性弯矩能够是任何价值，甚至给点铰链更耐比结构管，形成了平面运动平衡肘支撑。肘撑阻尼系统图。五是显著比图梦幻般系统建设成本更低。3，要求只有几个简单结构形状和建设平原焊缝。图5是显著比图梦幻般系统建设成本更低。3，要求只有几个简单结构形状和建设平原焊缝。测试结构测试结构由两个相同框架图配置。3磅。顶部连接混凝土块体。基本上是一个半帧长度与广大柱连接在水平方向上提供一个3.2赫兹基本频率与梁进行测试，测试结构设计。这个基本频率是相对僵硬结构代表。一个单一阻尼器被安装在每一个测试帧，从而提供了一个共2阻尼器在结构。组件级测试每个阻尼器显示基本上是线性阻尼，与90lb-sec/in不停。0-20/秒以上速度范围。每个阻尼器测量1.75英寸直径18英寸加长，加上或减去2英寸可偏转竖立在位于纽约州立大学布法罗分校表大地震震动整个结构。共有31传感器安装在结构上，包含18个加速度计，11位移传感器，称重传感器。摇表在0-50Hz范围内带状白噪声激励输入结构，以取得与帧相关传递函数，无阻尼。传递函数分析表明，测试结构基本上表现为一个单自由度体系，基本频率3.0和3.2之间全部测试赫兹。基本频率改变，似乎是因为在测试过程中一系列连接刚度，这反过来又依赖于在各帧从测试测试连接螺栓担心。阻尼比，得到传递函数，被认为是4.5％，裸结构关键，和21.5％，与安装阻尼器结构关键。使用不一样强度11个不一样地震统计，共执行80个独立测试，结构性能进行了评价。全部测试均顺利完成，无异常。无损坏或永久变形，指出在测试过程中帧，括号，或阻尼器。表I列出了选定震动，从测试矩阵。全部测试在原型规模，这包括到压缩时间议案2平方根一个原因，从而满足二分之一长度缩尺模型相同要求表一、地震摇表测试中使用原型规模和特点议案（全部组件是水平）地震统计地震加速度地震周期地震强度厄尔，先涛数码科技企业S00E帝王谷CA1940年5月18日S00E组件0.3413.164.27塔夫特N21E柯恩计数，CA1952年7月21日N21E组件0.166.192.64八户市NS日本东京地震168年5月16日NS组件0.2314.064.68墨西哥N90W墨西哥城1985年9月19日STC建筑N90W组件0.1723.818.34地震测试结果表二与表一所列地震输入结构测试结果，在表二中列出数据，包含以下信息：激发

这包含详细地震瞬时强度因子。比如，50％强度因子表示统计加速度是0.5倍乘以所列出测试。统计峰值摇表加速度，速度和位移加速度和位移，直接统计。速度，得到了位移统计数值微分时间。框架提案

汇报漂移测量位移上梁，柱基与柱连接。联合加速度测量柱连接在上梁横向加速。列出值是两帧离散运动平均水平。结构对称性是这种具备高刚度大小结构非常好。从一边到另一边漂移值与阻尼器全部情况下，对方在10％内为无阻尼情况下15％。一样，在对方15％，从一侧到另一侧关节加速度与阻尼器情况下，内为无阻尼情况下20％。阻尼器响应

阻尼力和位移端到端报道，沿减振器中心线测量。值是两个阻尼器，安装每帧平均水平。对方13％，在全部测量边侧阻尼器位移测量误差在15％以内。表二、地震测试激发峰表运动帧运动阻尼器运动加速度速度displ漂移速度加速度displ力厄尔，先涛数码科技企业,25%0.0842.270.400.230.222无阻尼厄尔，先涛数码科技企业,50%0.1504.340.810.160.1870.39768厄尔，先涛数码科技企业,100%0.3208.741.630.400.3770.931641塔夫特100%0.1654.420.860.350.309无阻尼塔夫特100%0.1554.031.720.170.1910.39680塔夫特200%0.3097.840.480.350.3510.821351八户市25%0.0592.100.480.100.110无阻尼八户市50%0.1074.100.970.220.225无阻尼八户市50%0.1184.030.970.130.1470.30557八户市100%0.2348.141.940.250.2840.581060墨西哥100%0.18816.343.940.180.1990.48427结果包含无结构基准激发每个阻尼器瞬态墨西哥城除外。墨西哥城地震往往猛烈共鸣轻度阻尼结构，并决定不把风险测试无阻尼器结构（测试试验室）测试人员。先前研究人员汇报说，除了遭受地震结构非线性流体阻尼器提供了一个应力和挠度降低。所以，允许地震输入，可大大提升流体阻尼器时，提供总阻尼比在20-30％临界范围得到。从表二结果清楚地表明了这一级别流体阻尼结构预期改进。相比其余阻尼器装置，结果清楚地表明肘支撑能力，能够非常有效地乘以结构漂移。表二全部测试平均值表明，阻尼器位移测量漂移2.372倍。经过对比其余测试阻尼器配置，如康斯坦丁努和Symans（1992）[2]，Reinhorn，等。（1995）[4]，Seleemah康斯坦丁努（1997）[5]，切换支撑所需阻尼力是大大缩小了。这是因为切换括号能力乘以阻尼器结构漂移。整个测试中使用弯曲连接证实既高效又可靠。试验后检验发觉，在任何弯曲不开裂，即使只是屈焊接到位，再受到一共有80个人地震输入。结论结构高刚性经验相对小变形和地震或类似类型瞬态冲击条件下interstructural速度。正因为如此，耗能设备常规应用程序未必可行或成本效益。一个改进阻尼配置已展开调查，利用放大内部结构变形切换机制，允许添加减震装置更有效地实施。试验结果取得了3磅试验利用两种流体阻尼器和两个拨动支撑元素结构。帧是相对刚性，在水平方向上采取了一块3.2赫兹基本频率。在全部测试中，结构横向漂移小于0.5英寸简单焊接弯曲连接，切换铰链和终端附件。因为切换支撑机制，加上或减去2英寸可偏转一个相对较小1.75英寸直径流体阻尼器被用于与预期预期改进。一个大地震振动台试验结构受到瞬态激励。测试输入，包含一些80个人地震瞬态，不论是在波形式和强度改变。结果表明切换机制能力，放大位移显着。这提供了极好阻尼性能，最大测量水平偏转，即使是只有0.5％结构ertical高度。阻尼器安装传统方法会不会有可能被测试结构上，因为相对较小变形。大括号和弯曲连接表现出足够平面刚度这么，没有出平面运动观察。即使很简单弯曲设计，被证实是完全可靠。阻尼器性能优良，具备更灵活结构上其余研究人员取得这些比较结果，直接作用在传统对角线或人字形支撑阻尼器使用。切换括号'繁殖能力挠度允许利用直径较小，更长行程阻尼器。僵硬结构上，如在这里测试，成本高力，短行程阻尼器与传统支撑将要高得多，可能成本高昂设计方案。总之，肘撑阻尼系统似乎是一个极好处理方案实施刚性结构各类增