土木工程专业工民建方向毕业设计

具有高刚度的提高流体阻尼器配置的开发与测试结构

 

道格拉斯体育泰勒总统

泰勒设备公司

90泰勒驱动器。

北托纳旺达，纽约14120-0748

716-694-0800

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

132 Ketter厅

布法罗，纽约州14260

人们普遍公认的，具有高刚性的结构特点可以作为具有相对较小的位移发生时的震动输入。这些小挠度执行附加阻尼元件等已被证明是非常困难的。结合流体阻尼器，一个简单的机械切换支撑组装放大结构的小排量的同时，生产所需的阻尼力进行了研究。切换括号和流体阻尼器安装32000磅结构遭受地震地面上的大地震摇表的议案瞬变，提供测试结果。

引言

增加减震装置结构，以提高冲击和震动输入下的性能的概念已被彻底证明了广泛的应用，在过去一个世纪。这些应用范围从汽车悬架，建筑和桥梁，受到武器的军事结构的影响。

    根据不同的应用，最优的阻尼水平千差万别。例如，汽车悬架通常在20-30％的临界范围阻尼，利用所谓的液压减震器，提供所需的阻尼水平。受到风输入的高楼大厦往往配备各类减震器提供5-10％的总阻尼，其中包括从结构本身只有1-3％。军事系统固有的坚固耐用，但往往是根据武器优化？通过增加阻尼非常大的金额，往往相当于100％-2000％的临界品位休克。泰勒和康斯坦丁努（1994）[8]和泰勒和李（1987）[9]提供额外的背景和历史数据的使用上，增加了结构的阻尼。康斯坦丁努，等。 （1996）[1]宋和Dargush（1996）[6]上使用的阻尼器在建筑和桥梁结构的报告。

    实施内相对僵硬的结构系统阻尼装置已被证明是非常困难的。这是由于小的位移，发生这种类型的结构时受到震惊和/或震动输入。阻尼元素，如果需要跨越建设海湾，附件和支撑要素固有的灵活性，成为一个重大问题，这个问题变得更加困难。为了消除过多的支撑和附件挠度，这些元素必须作出大规模的截面积和惯性弯矩。然而，甚至当一个设计可容纳重，超大的成员结构，减震装置本身固有的灵活性成为一个设计问题。例如，考虑图简单的长方形建筑湾。 1，其中包括一个完整的流体阻尼器简单的斜撑。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，会发生夸张的形式在图描述了这种横向漂移。 

          

图1

建设海湾与阻尼

使用简单的几何和解决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的输入。这种类型的流体阻尼器的一个典型的设计规范要求总挠度基于以下总结：

0.5％的故事漂移下的动态运动56英寸抗震设计规范的安全系数（100％）=.56英寸提供的热膨胀/收缩= .13英寸，共有所需的偏转能力= 1.25英寸。

一个简单的流体阻尼块布局如图2，流体通过一个活塞头配置orificing产生的阻尼力。托架（基于图1的尺寸）对于一个典型的建筑，阻尼器会在50,000-100,000磅的泰勒和康斯坦丁努（1994年）的范围内，输出力[8]报道？现实世界的工作压力？建设阻尼器不同从2,000-10,000 PSI。阻尼压力低于2000磅过大的设备的价值结果。 10,000磅以上的压力，需要特殊和昂贵的设计考虑。当一个设计了阻尼器适用于小挠度，经营2,000-10,000磅，可压缩性工作流体和压力阻尼器的clinder壁扩张的压力不容忽视。这些影响都共同采取行动，这样的阻尼器，将需要提升业务水平的流体压力的有限位移量。这种效应被称为：上升偏转或鼻子的角度阻尼力 - 挠度曲线，并通过测试阻尼器的一个阶梯函数的速度输入验证。一个合理的近似这种效果通常可以由液柱流体的压缩比例的总长度乘最大的阻尼压力倍减振器的活塞ully在一个方向偏移。泰勒（1971）[7]，硅胶减震液的各种制造商已经发表在8000 psi的5％的体积压缩的压缩值的报告。加或减1.25英寸的位移，在我们的例子中，将出现上升的最大挠度当活塞完全抵消在一个方向，然后向相反的方向流离失所。如果我们假设8000 psi的工作压力，使用硅为5％的压缩值，阻尼器将有一个上升的偏转：

                 0.5×（2×1.25）=.125英寸

因此，要达到充分的阻尼力阻尼器位移的要求.125英寸。实际产生的动态位移是0.56英寸的僵硬结构定义。因此，阻尼器基本上浪费了结构的位移只是建立以充分发挥其阻尼力值的近四分之一。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，提供了非常少的能量消耗。这是由于相对较低的力量提供的，而事实上，流体的初步反应是有点弹性性质，甚至提供电阻流程的阻尼孔。如果设计师希望保持风或重复地震输入下的弹性结构，偏转将被在较小的值比.56英寸产生。这将进一步降低阻尼器的成效。

                                图2

                                 流体阻尼器

改进的阻尼配置的发展

在刚性结构提供足够的阻尼性能的最直接的解决方案是简单地使用大口径阻尼器在非常低的压力下采取行动，以尽量减少上升时间的影响。该解决方案是不切实际的，在阻尼器，打包由于其大信封，再加上一个同样高的成本变得困难。第二个直接的解决方案是找到一个可压缩流体。这个解决方案也已证明是不切实际的，因为目前所有可用的产品与较低的压缩或者有毒，易燃，或温度敏感。

一个更有效的解决方案涉及利用杠杆式的机制，在阻尼器安装点，同时减少所需金额的作用力乘以建筑物的偏转。这种方法研究了先前各研究人员。图3描述了一个典型的解决方案，在这种情况下，大成公司的梦幻？系统，日比野，等报告。 （19）[3]。图3结合了驾驶臂铰链销连接列和上层的大幅支撑柱。最终的结果是，使用一个简单的机械杠杆，以增加有效阻尼中风。不幸的是有实际使用，如在建筑物或桥梁结构设计的主要障碍。首要关注的是，整个机制的设计必须有非常小的弯曲或在其元素的应变。否则，弯曲的机制本身是同一水平的上升直接作用减振器偏转，从而获得无设计改进。僵化机制的要求，必须使用极为密切的配合，最好用圆锥滚子轴承或类似的紧密间隙轴承，铰链点。此外，所有的机械该机制的链接必须是相对大而重，以防止弯曲载荷下。一个梦幻般的系统的第二个问题，涉及面议案。由于地震和风力的运动很少将被应用于一个单一的建设轴沿，支撑系统必须接受，没有屈曲或结合大量平面的议案。从图中可以观察到。 3，相同的铰链点必须紧密配合，让平面反应不能绑定在平面方向，这是非常困难的事没有过多的费用。

图3

插图梦幻般的系统

切换的支撑机制

这一研究项目涉及改进机制的发展，消除与传统的设计方法，以减振器安装在一个相对僵硬的结构问题。早在设计过程中，人们认识到存在类似的问题在行动（运行机制）小型武器的设计，特别是那些无所不包的半自动或全自动射击模式与机制。在这种武器的类型，作用机制必须是轻量级出来的必要性，但足够的刚性，坚决查封的武器武器发射时膛。此外，行动必须是能够关闭和解锁的臀位允许允许提取和燃煤墨盒的弹射发射，周期，加上饲料和室另一轮。所有这些功能都必须获得一个低的作用力。

小武器设计的审查显示切换机制的成功应用，以完成上述任务。其中之一是所谓的杠杆作用，在火山，亨利和温彻斯特重复步，大约1845 - 至今。二是，首先由瑞士改编在1900年，德国在第一次世界大战和第二次世界大战中使用的鲁格手（鲁格）。这两个武器之间存在某些相似之处，由于购买手的行动的基本设计，原先从雨果·博查特，曾在10年被聘为工程师温彻斯特武器的事实。图4是所谓的原理？切换臀位，由乔治·鲁格的专利1900，描绘完整的后坐力的位置。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

             切换臀位机制的模型po8鲁格手

                                 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，涉及使用切换为斜撑，安装阻尼器的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，这也是本报告实际帧测试。在此配置中，在一个相对较小的建设框架的横向偏转会导致在阻尼器的更大的偏转，由于切换机制，在阻尼器安装点乘以变形。各种刚体几何研究的进行，这表明在3和4之间，全尺寸的框架可用偏转放大倍率。由于所需的阻尼耗能是一个特定的值，使用切换括号乘以挠度减少从阻尼器本身所需要的力量，因为每个周期吸收的能量是不可分割的阻尼力与尊重流离失所。请注意，在图测试配置。 5因使用现成的施工材料和部件。在一个实际的结构，连接细节将固定在每个括号连接梁列交界处，以尽量减少弯曲应力。

图5还解决了平面外屈曲的条件，因为切换的低角度偏转允许使用简单的弯曲连接。在这种情况下，所需的曲被确定为第一个四分之一英寸厚的钢板，弥补切换两种结构管件之间的焊接到位。类似的板弯曲用来连接切换机制的建设框架。弯曲的允许使用低力添砖加瓦的阻尼运动的飞机，同时提供大量的顽强抵抗的平面议案。事实上，如果弯曲不够深，其平面惯性弯矩可以是任何价值，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。五是明显比图梦幻般的系统建设成本更低。 3，要求只有几个简单的结构形状和建设平原焊缝。图5是明显比图梦幻般的系统建设成本更低。 3，要求只有几个简单的结构形状和建设平原焊缝。

测试结构

测试结构由两个相同的框架图的配置。32000磅。顶部连接的混凝土块体。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赫兹的基本频率与梁进行测试，测试结构设计。这个基本的频率是相对僵硬的结构代表。一个单一的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90 lb-sec/in不断。 0-20/秒以上的速度范围。每个阻尼器测量1.75英寸直径18英寸加长，加上或减去2英寸的可偏转

竖立在位于纽约州立大学布法罗分校的表大地震震动整个结构。共有31传感器安装在结构上，包括18个加速度计，11位移传感器，称重传感器。摇表在0-50 Hz范围内的带状白噪声激励输入结构，以获得与帧相关的传递函数，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，基本频率的3.0和3.2之间的所有测试赫兹。基本频率的变化，似乎是由于在测试过程中的一系列连接刚度，这反过来又依赖于在各帧从测试测试连接螺栓紧张。阻尼比，得到的传递函数，被认为是4.5％，裸结构的关键，和21.5％，与安装阻尼器的结构的关键。

使用不同强度的11个不同的地震记录，共执行80个的测试，结构性能进行了评价。所有测试均顺利完成，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列出了选定的震动，从测试矩阵。所有测试在原型的规模，这涉及到压缩时间的议案2的平方根的一个因素，从而满足一半的长度缩尺模型的相似要求

表一、地震摇表测试中使用的原型规模和特点的议案

（所有的组件是水平）

地震	记录	地震加速度	地震周期	地震强度
厄尔，先涛数码科技公司S00E	帝王谷CA1940年5月18日S00E组件	0.34	13.16	4.27
塔夫特N21E	柯恩计数，CA1952年7月21日N21E组件	0.16	6.19	2.
八户市NS	日本东168年5月16日NS组件	0.23	14.06	4.68
墨西哥N90W	墨西哥城1985年9月19日STC建筑N90W组件	0.17	23.81	8.34

地震测试结果

表二与表一所列的地震输入结构的测试结果，在表二中列出的数据，包括以下信息：

1.激发

这包括具体的地震瞬时强度因子。例如，50％的强度因子表示记录的加速度是0.5倍乘以所列出的测试。

2.记录的峰值摇表加速度，速度和位移加速度和位移，直接记录。速度，得到了位移记录的数值微分时间。

3.框架提案

报告漂移测量位移的上梁，柱基与柱连接。联合加速度测量柱连接在上梁的横向加速。列出的值是两帧的离散运动的平均水平。结构对称性是这种具有高刚度的大小结构非常好。从一边到另一边的漂移值与阻尼器的所有情况下，对方在10％内为无阻尼情况下的15％。同样，在对方的15％，从一侧到另一侧的关节加速度与阻尼器的情况下，内为无阻尼情况下的20％。

4.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，安装每帧的平均水平。对方的13％，在所有测量的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，先涛数码科技公司,25%	0.084	2.27	0.40	0.23	0.222	无阻尼
厄尔，先涛数码科技公司,50%	0.150	4.34	0.81	0.16	0.187	0.39	768
厄尔，先涛数码科技公司,100%	0.320	8.74	1.63	0.40	0.377	0.93	11
塔夫特100%	0.165	4.42	0.86	0.35	0.309	无阻尼
塔夫特100%	0.155	4.03	1.72	0.17	0.191	0.39	680
塔夫特200%	0.309	7.84	0.48	0.35	0.351	0.82	1351
八户市25%	0.059	2.10	0.48	0.10	0.110	无阻尼
八户市50%	0.107	4.10	0.97	0.22	0.225	无阻尼
八户市50%	0.118	4.03	0.97	0.13	0.147	0.30	557
八户市100%	0.234	8.14	1.94	0.25	0.284	0.58	1060
墨西哥100%	0.188	16.34	3.94	0.18	0.199	0.48	427

结果包括无结构的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的共鸣轻度阻尼结构，并决定不把风险测试无阻尼器的结构（测试实验室）测试人员。先前的研究人员报告说，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减少。因此，允许地震输入，可大大提高流体阻尼器时，提供总阻尼比在20-30％的临界范围得到。从表二的结果清楚地表明了这一级别的流体阻尼结构的预期的改善。相比其他阻尼器装置，结果清楚地表明肘支撑的能力，能够非常有效地乘以结构的漂移。表二的所有测试的平均值表明，阻尼器位移测量漂移的2.372倍。通过对比其他测试阻尼器的配置，如康斯坦丁努和Symans（1992）[2]，Reinhorn，等。 （1995）[4]，Seleemah康斯坦丁努（1997）[5]，切换支撑所需的阻尼力是大大缩小了。这是由于切换括号的能力乘以阻尼器结构的漂移。整个测试中使用的弯曲连接证明既高效又可靠。试验后检查发现，在任何弯曲不开裂，即使只是屈焊接到位，再受到一共有80个人的地震输入。

结 论

结构高刚性经验相对小的变形和地震或类似类型的瞬态冲击的条件下interstructural速度。正因为如此，耗能设备的常规应用程序未必可行或成本效益。一种改进的阻尼配置已展开调查，利用放大的内部结构变形的切换机制，允许添加的减震装置更有效地实施。实验结果获得了32000磅试验利用两种流体阻尼器和两个拨动支撑元素的结构。帧是相对刚性的，在水平方向上采用了一块3.2赫兹的基本频率。在所有测试中，结构的横向漂移小于0.5英寸简单的焊接弯曲连接，切换的铰链和终端附件。因为切换的支撑机制，加上或减去2英寸可偏转一个相对较小的1.75英寸直径流体阻尼器被用于与预期预期的改善。一个大的地震振动台试验结构受到瞬态激励。测试输入，包括一些80个人的地震瞬态，无论是在波的形式和强度的变化。结果表明切换机制的能力，放大位移显着。这提供了极好的阻尼性能，最大测量水平偏转，即使是只有0.5％结构的ertical高度。阻尼器安装的传统方法会不会有可能被测试结构上，由于相对较小的变形。

大括号和弯曲连接表现出足够的平面刚度这样，没有出平面运动的观察。虽然很简单的弯曲设计，被证明是完全可靠的。阻尼器性能优良，具有更灵活的结构上的其他研究人员获得这些比较的结果，直接作用在传统的对角线或人字形支撑阻尼器的使用。切换括号'繁殖能力挠度允许利用直径较小，更长行程的阻尼器。僵硬的结构上，如在这里测试，成本高力，短行程的阻尼器与传统的支撑将要高得多，可能成本高昂的设计方案。

总之，肘撑阻尼系统似乎是一个极好的解决方案的实施刚性结构的各类增值阻尼装置。其优点包括阻尼器成本比较低，一个简单的支撑元素的设计，安装成本低。专利正在等待的设计和概念。

参考文献：

[1]康斯坦丁努，三菱商事，宋楚瑜，电汇，Dargush，广发，1996年，被动能源系统的耗散结构设计与改造，国家地震工程研究，水牛城，纽约中心的专着。

[2]康斯坦丁努，三菱商事，Symans，医师，1992年，补充液体粘滞阻尼器结构地震反应的实验和分析调查，NCEER-92-0032的技术报告，国家地震工程研究，水牛城，纽约的中心。

[3]日比野，H。，河村，学，Hisano，研究，山田研究，川村研究，森田研究，响应控制研究利用阻尼放大器的结构体系，大成技术研究杂志，19卷。 22日，第155 - 162。

[4] Reinhorn，上午，，C，康斯坦丁努，三菱商事，1995年，实验和调查分析的地震结构的改造，补充阻尼部分：流体阻尼装置，NCEER-95-0001，国家中心的技术报告地震工程研究，水牛城，纽约。

[5] Seleemah，机管局，康斯坦丁努，三菱商事，1997年，调查线性和非线性粘滞阻尼器与建筑物的地震响应，NCEER-97-0004的技术报告，国家地震工程研究，水牛城，纽约的中心。

[6]宋，电汇，Dargush，广发，1996年，被动能源系统的耗散结构工程，Wiley和Sons，伦敦。

[7]泰勒的DP，液压减振器应用到汽车碰撞保护系统，汽车工程师，1971年，年中会议，710537

[8]泰勒的DP，康斯坦丁努，三菱商事，1994年，用在高输出粘滞阻尼器的测试程序结构消散地震能量，第65届冲击和振动研讨会诉讼。

[9]泰勒的DP，李，伤残，1987年，精确定位冲击隔离器，？诉讼中60的冲击和振动研讨会。