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颗粒阻尼技术利用填充于结构内部或附属空腔内的金属或非金属颗粒碰撞和摩擦作用产生的阻尼效应以减轻结构振动,具有减振效果好、作用频带宽、布置灵活等优点,在航空及机械振动控制领域得到了广泛的研究和一定的应用。对建筑结构而言,考虑到其特点和经济适用性,可以选用砂粒、卵砾等作为阻尼颗粒,并将其分散布置于建筑隔墙、梁式楼梯的楼梯板下、屋顶架空保温隔热层和设备层等位置,从而可较大程度上实现分布阻尼并藉此以获得良好的减震效果。有鉴于此,本文充分借鉴航空及机械振动控制领域已有研究成果,通过试验和数值模拟对颗粒阻尼的性能进行了研究,主要工作和成果分述如下。 1.通过单自由度钢框架结构的自由振动和简谐激励试验,研究了颗粒填充质量、粒径,容器底摩擦系数,以及振动强度和频率等参数对颗粒阻尼性能的影响。 试验结果表明,颗粒堆积状态对颗粒阻尼器的性能具有显著的影响,颗粒堆积使阻尼器的减振性能明显变差,其原因可能在于堆积使颗粒之间的碰撞和能量交换减弱,降低了颗粒碰撞耗能和调谐作用。因此,可以根据颗粒堆积的条件进行颗粒阻尼器的初步设计。 在颗粒未堆积且总质量相同的条件下,颗粒粒径越小,减振性能越好;对于自由振动工况,增加容器底摩擦系数使得颗粒的运动明显变缓,减振效果变差;对于简谐激励工况,容器底摩擦系数对颗粒阻尼控制效果影响较小。 在本文所研究的激励强度范围内,对于自由振动试验,颗粒阻尼减振效果随激励强度增大呈先增加后稳定的趋势,在简谐振动情况下,颗粒阻尼减振效果随激励强度增加呈先稳定后减小的趋势;当激励频率较小时,颗粒可能会对结构的响应有所放大,当外部激励频率等于或大于无控结构自振频率时,附加颗粒可以有效抑制结构的响应。 2.基于赫兹接触理论和滚动摩擦理论对单颗粒-单自由度结构沿一维方向的运动状态进行了分析,利用MATLAB软件编制程序,在自由振动和简谐激励两种工况下分别研究了附加质量,颗粒粒径,颗粒恢复系数,摩擦系数,净边距,激励强度和频率及结构自身阻尼比对颗粒阻尼性能的影响规律。 数值分析指出随附加质量增加减震效果变好;颗粒粒径对结构的影响不明显;调谐作用是颗粒阻尼减振机理的主要部分,颗粒恢复系数对颗粒阻尼性能影响不大;净边距和激励强度过大或过小都导致颗粒阻尼的减震效果降低,均存在一较优值;在本文研究的体系和参数下,结构阻尼比越小,颗粒阻尼减震效果越好;对于自由振动试验,增加摩擦系数颗粒运动变缓,减震效果变差,在简谐荷载激励下,摩擦系数对颗粒阻尼控制效果影响不大。颗粒阻尼在很宽的频带内可以有效减轻结构振动,具有良好的应用前景。 在论文的最后部分,对全文进行了总结,并提出需要进一步研究的问题。