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阻尼器在建筑结构中的应用毕业作品
BIYELUNWEN
题目：
阻尼器在建筑结构中的应用
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物理学
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摘要
阻尼器在建筑结构中的应用
[摘要]在过去的几年中，地震跟台风在各地的频发，引起了很大程度的破坏，尤其是台风跟地震对建筑物造成了非常严重的毁坏。
对于建筑物的抗震御风的能力得到了越来越多的关注。
为了提高建筑物的防振能力，采取很多措施，在这篇文章中我们主要会介绍到运用阻尼器来应对台风或者地震带来的振动。
本文绪论部分从描述振动跟振动时能量的转换来为下文做起铺垫。
接着是讲述振动中的一种形式—阻尼振动，并介绍了3种不同状态下的阻尼运动。
在论文的中间主要说明了建筑结构的稳定的重要，介绍了高层建筑的发展，建筑结构中的防震的各类控制方法和阻尼器的原理。
在本文的最后，讲述了阻尼器在2种不同建筑结构下应用，一个是台北的101大楼，另外一个是大桥建筑。
[关键词]建筑；建筑结构；阻尼器的应用
Abstract
THEAPPLICATIONOFDAMPERINBUILDINGSTRUCTURE
[Abstract]Inthepastfewyears,earthquakeandtyphoonhappenfrequently,causedgreatdamage,especiallyonthebuilding.sothestabilizationofbuildingintheearthquakeandtyphoongetmoreandmoreattention.Inordertoimprovetheantivibrationabilityofthebuildings,manymeasureshavebeenInthisarticle,itwillintroducethathowitdamperdecreasevibrationofbuildingintyphoonorearthquake.
Thepaperfirstbrieflyintroducesvibrationwithvibrationenergyconversionstartmattingforthefollowing.henitinterpretationthedampingvibrationanditstheory.InthemiddleofpaperItmainlyillustratestheimportantofbuildingstructurestability,introducesthedevelopmentoftallbuilding,buildingstructureintheearthquake;thecontrolmethodandthedamperprinciple.Attheendofthispaper,Itistheofthedamperin2differentarchitecturalstructure,oneistheTaipei101,anotheristhesuperlargebridge.
[Keywords]vibration;buildingstructure;applicationofdamper
引言
随着时代的发展，物理的应用得到的广泛的发展。
力学普遍适用于越来越多的领域，比如生物领域、材料领域、地质领域等等。
而今天我们说要涉及的是建筑结构领域力学的应用问题。
近几年的天灾人祸，很多建筑物都在灾难中被毁坏，而有些建筑物毁坏程度却远远大于另外的建筑物。
这就是不同建筑结构的防护措施的不同导致。
在这篇文章中，我们将说到阻尼器在建筑结构中起到的作用。
为了在地震、大风等自然灾害中减小损失，上世纪80年期起，在美国的东西2个地震研究中心做了大量的研究实验，发表很多关于阻尼器的相关论文。
到了90年代，美国国家科学基金会和土木工程学会等单位组织了2次比较大型的联合，由第三者做出了对比实验，并且给出了标胶具有权威性的报告，来证明阻尼器的效用。
在上述的研究成果得到认同之后，有关的部门规范审查，肯定并且规定了相应的应用办法。
第一部分主要讲述振动。
第二部分讲述阻尼振动。
第三部分建筑结构的稳定和结构控制。
第四部分将建筑结构中阻尼器的应用。
第一章振动
一.1振动的概念和应用范围
我们将要学习的简谐振子，在很多领域有与之非常相识的对象。
虽然我们从弹簧下悬重物、小摆动的单摆或某种其他机械手段开始学习某种微分方程，而该方程一再出现于物理学和其他科学，且实际上如此众多现象中的要素以至对它作仔细的研究是颇有价值的。
---------费曼
物体在平衡位置附近作往返的运动我们称之为振动，或机械振动。
一般来说振动的基础是一个系统在两个能量形式间的能量转换。
比较笼统的将琴弦、锣鼓、机械钟表的摆轮、发动机座、高耸的烟囱和固体晶格点阵中的分子和原子都在振动。
波是振动的传播方式，机械振动的传播即称之为机械波。
掌握振动的普遍规律对于研究波动是一个必不可少的基础。
振动并不仅仅限制在机械运动范围。
在交流电中，电流与电压围绕着一定数值产生往复的变化，这也能称之为是一种振动。
更重要的是波动不限于机械振动的传播，例如我们所知的无线电波x-射线以及光都是由电磁场的振动的传播。
不管属于哪一种运动形式的振动或波动，描写他们的数学形式是想同的。
所以，振动和波动是一种很跨物理学不同领域的一个非常普遍的而重要的运动形式，研究振动和波动的意义远远超过了力学的范围，振动和波的基本原理是声学、光学、电工学、无线电学、自动控制等科学技术部门的理论基础。
这篇文章将更多的涉及到在建筑结构中的应用。
一.2振动中的能量转换
1.2.1简谐振动中的能量转换
弹簧振子或扭摆等系统中线性回复力为弹簧力（或力矩），它们是保守力（或力矩），所以简谐振动系统的总机械能守恒。
关于弹簧振子，应用质点动能公式
，将
代入质点动能公式，得
因
。
所以有
（2.1.1）
至于势能
，将简谐振动运动学方程代入，得
（2.1.2）
由公式（2.1.1）和（2.1.2）可见，弹簧振子的动能和势能按余弦或正弦的平方随时间的变化。
下图表示，当初相位
=0时么动能和势能随时间变化的曲线。
其中实线表示势能
虚线表示动能
很显然的，当动能
达到最大的时候，势能
就在最小的位置；相反的，当势能
达到最大的位置时，动能
就是最小的。
由此可见简谐振动的过程中就是动能
和势能
的相互转换。
将上2式相加得到简谐振动的总能量为
就是所谓的弹簧振子的总能量取决于精度系数和振幅。
一.2.1阻尼振动中的能量转换
振动系统因为受到阻力的作用而开始做振幅减小的运动，我们称之为阻尼振动。
当我们假设振动中没有阻力的时候，就是简单的动能与势能之间的转换，也就是单纯的只有机械能的存在。
而考虑到阻力的存在，我们就涉及到了阻尼振动。
在外界没有能量补偿的时候，振动的振幅将不断的减小，直到最后振动停止。
这时候，就不是简单的机械能见的转换，而是机械能和热能之间的转换。
第二章阻尼振动
二.1阻尼振动方程的推导
假设在振动速度较小的时候，我们通常就认为摩擦阻力正比于质点的速率。
为了能更加简单的分析问题，设质点在一条直线上面，在它的平衡位置附近做简单的反复运动。
这时候，我们就定义这个质点的平衡位置为坐标原点，将坐标轴Ox跟质点运动的轨迹重合，这个时候我们就能得到：
（3.1.1）
为阻力系数，它与物体的形状以及周围的介质的性质有关，负号表示阻力与质点速度的方向相反。
左图，表示阻尼振动的演示实验。
我们可通过改变烧杯中液体的粘稠度或者改变沉没在液体中物体A的大小来调整阻力的大小。
设弹簧振子系统中质点受弹性力以及如（3.1.1）所示阻力的作用，根据牛顿第二定律，
以m遍除各项
并且令
，
就是该振动系统固有的圆频率，
称为阻尼因素，和振动系统以及介质的性质有关。
于是，方程可写为
（3.1.3）
二.2三种不同状态的阻尼振动
二.2.1欠阻尼状态
当阻力很小的时候，以至
<
由公式（3.1.3）求出质点的运动学方程
A与
为待定常数,由初始条件决定。
因子
表示不断随时间而衰减的振幅，
则是以
为圆周频率周期的变化二因子相乘表示质点做运动范围不断缩小的往复运动，这种运动状态称欠阻尼状态。
此是得出位移——时间曲线图和相对应的轨迹
由于质点的运动状态不可能没经过一定的时间便完全重复出现，因此阻尼振动不是周期运动，不过
是周期变化的，它保证了质点每连续两次过平衡位置并沿着相同的方向运动所需要的时间间隔是相同的，于是把
的周期叫做阻尼振动的周期，用T’表示：
显然，阻尼振动的周期大于同样的振动系统的简谐振动的周期
，如下图
随着时间的推移趋于零，表示质点趋于静止。
越大，阻尼越大，振动衰减越快；
越小。
衰减越慢，可用相隔一周期的振动振幅之比的自然对数。
就是所谓的阻尼大小的标志成为对数减缩，即
二.2.2过阻尼状态
如阻力很大，以至
>
根据微分方程定理可知（3.1.3）方程的解为
和
是由初始条件决定的常数。
上式表明，随着时间的推移，质点坐标单调的趋于零，质点运动不仅是非周期的，甚至不是往复的，这种运动状态我们称之为过阻尼状态。
下图可以表示为过阻尼状态，它的位移——时间曲线图
二.2.3临界阻尼状态
如果阻力的影响介于两者之间，且
=
，则（3.1.3）方程的解为
和
是由初始条件决定的常数.
此式仍然不表示往复运动由于阻力较前者较小，将质点移开平衡位置释放后，质点很快回到平衡位置并停下来，这种运动叫临界阻尼状态，
它的位移——时间曲线如下
临界阻尼应用于的实际的例子是电流表的指针，在读完读数回到零点时，指针受到电磁阻尼，为了是指针尽快地回到零点又避免往复摆动，应该使指针的运动接近于临界阻尼状态；恰好的处于临界阻尼状态时比较困难的，为了避免指针运动处于过阻尼状态而妨碍它回到零点，宁可是指针运动稍微偏向于欠阻尼状态。
二.3建筑结构中的阻尼振动
在很多建筑结构中为了避免一些不必要的损失，大多都会采取一些相应的措施来抵抗一些非安全因素。
很大程度上建筑物都会因受到一些自然灾害，而产生建筑物本体的振动，从而导致建筑物的倒塌，给人们的生活带来巨大的危害跟损失。
在这里我们要将到的是阻尼振动在建筑结构中的应用，最明显的就是阻尼器在很多高层建筑或者是桥梁建筑里的应用。
而在谈到这点的时候，我们就有必要先了解一下建筑结构的稳定性给我们带来的安全的重要性和一些如何做到建筑结构控制的方法。
在本文的下一张我们就会具体讲到建筑结构的稳定和一些控制手段。
第三章建筑结构的稳定和结构的控制
很普遍的，地震跟台风是危害人类社会的最严重的自然灾害。
而我国也是世界上地震跟台风灾害影响最严重的国家之一。
在我国台风的影响主要在于沿海地带，尤其是浙江福建广州一带，台风给人类的社火生活造成了相当大的影响。
而地震的特点就是区域广阔并且详单分散，频繁的发生并且强烈。
在世界近代的大地震中，死亡最多的一次是1976年的唐山大地震，死亡人数数以万计。
而最近的四川汶川地震也带来了相当的危害。
2008年5月12日，四川汶川、北川，发生的8级特大地震，造成大规模的房屋农田的破坏给人们的社会生活带来了极大的打击。
地震跟台风给中国人民带来了相当沉重的灾难。
所以说，在中国这样的一个人口大国中，做好抗震防台的工作是多么的重要。
地震跟台风带来的影响主要是建筑物的倒塌所造成的，给人们的财产和人员损伤造成了巨大的破坏。
最初的上世纪80年代，我国经济科学的发展，高层建筑业在迅速的发展，但是大部分的高层建筑却频繁的位于地震区和台风区。
高层建筑的投资需要很大，所以一般位于人口密集较发达的城市，所以当他们一旦遭到破坏，就会给人们的生活和经济造成相当大的危害，它的后果是不堪设想的。
与此同时，为了避免和减小台风和地震给建筑物带来的破坏作用，对于新科技的发展也越来越得到人们的重视和注意。
伴随着建筑结构的高柔化，轻质化，在承受台风和地震的作用是也更容易因为产生振动，而得到大幅的变形和破坏。
因此，为了减小高层建筑在台风和地震的影响下产生的剧烈振动，成为了建筑结构中中啊哟的研究领域。
三.1建筑结构的抗震措施
（1）建筑结构的隔震措施
隔震措施是现今发展最快也是最早开始的结构减震的控制技术。
由于它开始的比较所以在技术上也是比较成熟，造价比较小，构造又容易，主要还是有比较明显的隔震效果。
在理论上和实验上也选对比较丰富更完善，是目前比较广泛使用的结构减震方法。
采用建筑上的隔震措施，不仅可以达到减小地震或者台风对上层部分结构造成破坏，采用这种措施还有可以对室内的装修和设备也得到很大的保护作用。
又根据不同位置的设置，可分为以下几种形式。
如下图，
地基隔震就是将隔震的措施设置在地基层中。
但是由于在地基层中，土的性状不是很容易受人控制，经常会受到自然条件的影响而产生变化，所以地基隔震的效果并不是很好，因此很少使用这个方法。
基础隔震就是在建筑的基础上与上部的系统结构之间安放必要的隔震装置，这样就可以达到减小台风或者地震产生的振动往上面结构的传递，以达到降低上层部分的台风或者地震反应。
基础隔震更适用于底层建筑，一般可以达到百分之六十到百分之八十的减震效果，但是对于高层建筑的抗震效果就不是相当的明显了。
所以基础隔震这种方法不会被用于超高层的建筑。
层间隔震是指在建筑的原结构上安装由质量和隔震支座所一同构成的消耗能量的减震的装置。
当受到台风或者地震的影响时候，层间隔震装置就会吸收能量并且消耗大部分的能量，这样就大大的减小了建筑结构对台风或者地震的反应，从而保护了建筑的稳定。
层间隔震的比较适合于一些旧式的房子的加层，抗震时的加固。
用这个方式可以做到百分之10到百分之40的减震效果。
综上，层间隔震适用于旧房的加固，建筑的改建从而达到抗震的作用，操作简单，效果也比较明显。
悬挂隔震顾名思义就是将建筑结构中大部分或者全部的质量悬挂起来，这样在台风或者地震时，地面运动就很难传递到主体建筑上，这样就不会产生很大的惯性力，从而保护了建筑结构，起到减震的效果。
这个隔震方法传播范围比较大，主用要在桥梁、火电厂锅炉架等方面。
我们比较熟悉的香港汇丰银行的新大楼就是采用了这种方法，来减小振动产生的危害。
（2）耗能减震
耗能减震的用途就比较广泛了，它不但可以用作新建结构的减震设计，还可以为现在的旧式的建筑做好加固抗震的能力；它可以被用于一些钢筋混泥土的结构，这更适合于钢结构，高耸结构。
耗能减震家属是主要通过提高建筑结构内部附加一些阻尼装置以达到减少台风或者地震带来的振动。
耗能减震这个系统有着特别的设置的结构和元件（阻尼器）将台风或者地震带来的能量吸收掉并然后消耗掉，达到保护建筑结构主体的整体安全。
这种耗能减震的方法比传统的方法更有效果。
但也存在着很多不便的地方，比如说耗能元件必须与建筑的主体结合在一起，不能分离开来。
而且更多情况下，这个系统就是建筑结构的一个组成部分，这儿就很容易跟建筑的主体结构一同产生弹塑性的形变。
耗能减震不经克服了一些延展性构件被破坏后很难修复的缺点，还存在着一下优点，耗能减震不但性能稳定，所需要的技术条件也相当简单，使用的范围又比较广泛，而且利用耗能减震的技术所用的花费也不是很高。
有着这些强有力的优点，它已经在新近工程，旧建筑的加固以及震后的修复工程中得到了广泛的运用。
耗能减震的装置很多主要有金属阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器。
粘弹性阻尼器等等，在本片论文的下个章节将详细的介绍到。
（3）机敏减震支持体系
无粘结构钢支撑体系，在内核的钢支撑和外部钢之间带有不粘的结。
或者在内部的钢支撑跟外部之间涂上无粘漆，这样就可以形成一个滑移界面。
这就对工艺的要求比较高，滑移的界面的材料跟几何的大小尺寸必须要经过精心的加工，这样才会使内部的内核钢跟外面的包层有相对的华东，还必须做到约束里面的内核钢的横向变形，用来防止内核钢在压力的征程下发生整体的曲奇和小部分面积的曲屈。
三.2高层建筑的发展史
世界上开始出现大规模的建筑开始于19世纪，在第二次世界大战以前，由于受到很多限制，比如说计算设计理论，建筑材料等，所以高层建筑的发展相对比较缓慢。
到了20世纪的50年代，随着科技的进步，轻质的高强材料也运用了高层建筑中去，抗风和抗震的设备结构体系也得到了发展，新的技术和设备的不断出现，也为高层建筑的迅速崛起提供了很大的动力。
而在我国，在新中国成立前，我国几乎很少可以发现高层建筑，只有在一些比较发达的城市，例如上海、广州。
天津等地，有少数国外设计的高层建筑。
后来直到新中国的成立，我国开始自行的设计建造一些高层的建筑。
到1975年时，广州的白云宾馆建成，标志着哦我们国家自行设计突破一百米高的高层建筑。
而在85年深圳国际贸易中心是当时80年代最高的建筑。
到了90年代，我们国家的高层建筑就开始广泛的发展，比较突出的就是上海的金茂大厦，广州的种田广场和深圳的地王大厦。
最值得关注的就是，这些高层建筑大部分都位于地震区。
三.3结构振动的控制
三.3.1结构振动控制的概念
比较传统的抗震设计是通过增强结构本身的能力来抵御台风或者是地震所产生的振动。
简单的来说就是用到建筑结构中本身储备的能量，以满足结构抗震中应对台风跟地震所带来的危害的设防标准。
但是传统的抗震方式存在的缺点也是比较多的，比如说缺乏简单的自我调节的能力，在未知的地震作用下，很可能无法满足对于安全性的作用；另外呢，在满足设计标准的情况下，可能会给建筑结构的布置带来很大的困难，这也将带来很大的经济投资。
近年来，在科技的发展下，产生了一种新型的抗震形式---建筑结构的振动控制。
就是所谓的，对结构施加控制机构，由控制机构和建筑结构共同一起承担起应对防止台风和地震的反应。
三.3.2传统的阻尼器的发展与应用
传统的耗能减震技术就是把及建筑结构中的某些构造改变设计成耗能的构件或在结构物的以为部位上装设一些比较传统的阻尼器，在台风或者地震的作用下，耗能的建筑结构跟阻尼器同事处于弹性的状态。
而在比较强烈的台风和地震的影响时，建筑物的耗能构件跟阻尼器就会进入非弹性的状态，从而减小振动，来保证建筑物的稳定，减小破坏程度。
传统的耗能阻尼器主要被涉及的我们可以分为以下的几种：
（1）金属阻尼器
由于金属材料具有良好的滞回性能，因此，被用来制作很多不同的耗能装置。
常用的金属阻尼器有：
铅阻尼器和软钢阻尼器。
铅阻尼器是利用了铅的密度比较大，熔点低，可塑性高，强度低，润滑能力强等一系列的特点，而产生的阻尼器。
它具有很多特点，比如说使用的寿命是不受任何限制的，提供的阻尼器是相对比较可靠的，对位移的变化很敏感，不用去维护等。
（2）粘滞阻尼器
粘滞阻尼器一般是由缸体，活塞和流体组成。
根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型阻尼器。
粘滞阻尼器可以提供而后能打的阻尼，有效的减小结构的振动。
并且的是粘滞阻尼器受激励频率和温度的影响相当小。
而粘滞阻尼器存在着加工制作较难，粘滞的流体容易发生漏掉的缺点。
（3）摩擦阻尼器
摩擦阻尼器具有较好的库伦特性，摩擦的耗能比较明显，可以提供较大的附加阻尼。
主要结构比较简单，取材也相对容易，造价也相对来说是便宜很多。
但是也存在着比较大的缺点。
（4）粘弹性阻尼器
粘弹性阻尼器主要是依靠弹性材料的滞回耗能的特性来增加建筑结构的阻尼，减小结构的动力反应。
粘弹性的阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成。
粘弹性阻尼器受到温度、频率和应变幅值的影响比较大。
三.4阻尼器的抗震原理
我们把固体在振动的时候，让固体振动所产生的能量竟可能的消散在阻尼层中的方法，叫做阻尼抗震法。
上文已经讲到，阻尼就是阻碍物体的相对的运动，把物体在运动时的机械能转化为其他能量（比如热能），然后消耗掉，已达到物体的相对静止。
下面就详细的阐述下减震的原理：
假设平面是光滑的，在小车上面用一个轻质的杆连接小球，这时用一个足够大的外力，压缩弹簧使小车靠近墙壁，这是去掉这个力，我们将会看到小车在做振幅不变的简谐运动。
如果我们一直不去触碰它，小车将会一直运动下去，不会产生机械能的消耗
即弹簧势能一部分转变为小车的动能还有剩余的一部分弹簧势能。
现在我们按下图演示，在小车上面用弹簧（弹簧质量不计）连接一个小球。
仍然假设平面是光滑的，仍然给小车一个相同大小的外力，压缩弹簧是小车靠近墙壁，这个时候在消除这个力，我们将会看到小车坐着往复运动，小车上的小球左右摆动，随着时间的流逝，我们发现小车的往复运动的距离越来越短了，直到最后，小车基本停止运动。
这是什么原因呢？
在这个系统中，弹簧
的一部分弹性势能转化成小车的动能，一部分转化为小车上小球振动的能量，剩余部分还是弹簧的势能。
用公式表示就是
随着小球的振动，能量逐渐消耗，小车也就趋于静止。
这就是为什么阻尼器应用于建筑结构中的抗震原理。
因为当一个高层建筑物受到台风或者地震的影响，建筑物本身产生晃动，这时阻尼器就会被带动产生振动。
台风或者地震所是建筑物晃动的部分能量传递给阻尼器，阻尼器开始振动，以达到消耗建筑物晃动的能量，最终达到减震的效果。
因为有阻尼器的存在，高层建筑在地震或者台风时会显的比较稳定。
三.5结构耗能减震原理
从能量的角度上来对耗能减震进行描述。
如下图
在振动中的能量方程为：
（1）
（2）
上面2个公式中
小标为in是减震体系中的总能量
小标为v的是减震体系中的动能
小标为C的是粘滞阻尼耗能
小标为K的是弹性应变能
小标为H的是滞回耗能
小标为d的是耗能装置或者元件吸收或者消耗的能量
在上面两个方程中，
跟
只是2种能量的互相转换，
占的比例很小，可以忽略不计。
比较耗能减震结构跟传统结构，我们会发现耗能减震装置首先进入耗能的工作状态，有效的起到了消耗能量的作用，再加上结构本身自己消耗的能量是非常的少，这就会使振动作用减小，保护了建筑主体的安全性。
我们知道，阻尼力的存在是衰减结构振动的最根本的原因。
但是某些的不确定性，我们就认为阻尼力跟速度是成正比。
还假设粘滞阻尼器的阻尼效果跟建筑结构的阻尼效果是相同的。
我们就得到了动力放大系数
，其表达式为
从上式我们可以得出，动力放大系数
不但跟频率的比
有关，还跟阻尼比
有关。
我们得出相应的
图
，建筑结构的强迫振动表现为放大效应；
建筑结构的强婆婆振动表示为衰减效应。
第四章阻尼器与建筑结构
四.1台北101大楼的阻尼器应用
四.1.1台湾岛地理因素
由于台湾岛处于欧亚大陆板块跟菲律宾海板块的交界处，在台湾本岛的东北部，菲律宾海板块由南向北沿着琉球群岛向下潜入欧亚板块的下方，而在台湾东南部，欧亚板块则又引入菲律宾板块而一直向东延伸直到马尼拉海沟。
所以我们知道台湾岛是个地震发生频繁的岛屿，这就为在台湾岛上建设高楼提出了很高的要求。
再加上，对一般的高层建筑在设计时要考虑到巨风对建筑物的影响。
综上所述，在台湾岛上建设高层建筑必须同时考虑到大楼的耐震与抗风设计的结合。
四.1.2台北101介绍
台北101大楼位于台湾台北市的信义计划区内，它的高度大约为508米，占地面具大约为3
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