颗粒阻尼器的减振机理及其在土木工程中的应用初探

颗粒阻尼器以其简单可靠、对温度变化不敏感、易于用在恶劣环境等优点，成为一种广泛应用在航空航天以及机械工程领域中的热门的减振装置。但是由于其运动形态很复杂，具有高度非线性，且工作性能受很多参数影响，因而其耗能机理还未被完全理解。深入开展颗粒阻尼器的试验和计算分析研究，对于透彻理解颗粒阻尼器的物理本质，对于探索其在土木工程领域的减振应用前景具有重要的理论和工程意义。本课题探索颗粒阻尼器的减振机理及其在土木工程中的应用前景和发展潜力。通过振动台模型试验和理论分析，揭示颗粒阻尼器的减振规律，深入理解其耗能机理，着重考察其对于地震和风振的减振控制效果，并研究对传统颗粒阻尼器的改进方法；建立多自由度体系附加颗粒阻尼器系统的计算机仿真分析方法，探索影响其工作性能的最佳参数，并提出合理有效的计算方法，以期用于实际工程的设计应用。

颗粒阻尼器概念简单、减振频带较宽、温度不敏感，已广泛应用于航空航天和机械工程，但其在土木工程中的应用还处于起步阶段。本项目通过理论分析、数值模拟和振动台试验的手段，对颗粒阻尼器的减振机理及其在土木工程中的应用做出了探索。利用离散单元法，通过合理选择接触模型，计算时步，并引入高效的接触检测算法，建立了颗粒阻尼器的球状离散元数值模型，编制了相应的计算程序，完成了对该数值模拟方法的理想试验和振动台试验验证；系统研究了颗粒阻尼器在不同动力荷载（包括自由振动、平稳激励、非平稳随机激励），尤其是地震作用下的工作性能，揭示了其最优工作状态下的运动机理，探求了其不同组成部分之间相互作用的物理本质，提出了相应的“全局化”指标；开展了三层钢框架附加颗粒阻尼器系统在单向和多向地震波输入下的振动台试验，观测了最优工作状态下的运动形式，检验了理论和数值分析的结论，明确了其对土木结构动力响应的控制效果，试验结果表明附加很小质量比（2.25%）的多单元多颗粒阻尼器能够减小主体结构的动力响应，尤其是反映能量效应的均方根位移响应（减震效果达到40%）；系统考察了影响颗粒阻尼器性能的各个参数，比较了不同形式颗粒阻尼器的优缺点，提出了改进传统颗粒阻尼器性能的方法，给出了实际工程应用阻尼器形式的建议。项目成果建立了土木结构应用颗粒阻尼器的分析方法，并为其设计提供了理论依据，展示了其在土木工程应用的巨大前景，为土木结构振动控制的发展提供了另一种有效的途径，具有重要的理论意义和工程应用价值。