用于结构振动控制的电流变阻尼器的设计

　　1 前言

　　地震是一种随机振动,有难以把握的复杂性和不确定性,一旦地震发生将引起结构振动,从而危害建筑结构和人民生命的安全,甚至造成建筑物的倒塌,给人类社会带来灾难,造成不同程度的人身伤亡和经济损失。且由于地震干扰能量巨大,要使建筑物在遭遇到强烈地震时具有很强的抗倒塌能力和较高的安全储备,仅从结构设计角度考虑将很不经济。

　　随着科学技术的进步,“智能材料--结构系统(smartPIntelligentmaterial-structure System)”作为一种新兴的多学科交叉的综合结构体系正在迅速地发展着,并越来越引起各个行业的工程科学家的兴趣[1]。智能减震结构体系是“智能材料--结构系统”在土木工程中的主要应用途径之一,其主要目标是减小土木工程结构的地震反应。由于土木工程结构体形粗大,材料粗糙和地震干扰能量巨大,智能减震结构体系是以动力传感器作为结构振动状态的“感觉神经”,并由可调参数的智能材料结构构件和普通结构构件组合而成的结构系统。

　　根据目前已有智能材料的性能和土木工程结构的特点可知,目前的智能材料只能做成可调参数智能材料结构构件中调整参数的调节器。另一方面由于结构的地震反应是在结构静力平衡位置的正负二个方向随时间瞬息变化,因此要求智能材料结构构件中调整参数的智能材料调节器的力学性能反应正反向可逆且十分迅速(一般要求达到在10-2~10-3s之内力学性能改变1次)。目前能适用于智能减震结构体系中调整参数使用的智能材料只有ER电流变材料,压电材料和磁致伸缩材料。其他的智能材料,如MR磁流变材料、记忆合金等,还达不到逆向反应也如此迅速的要求,有待进一步改进。

　　用ER电流变材料做智能材料结构构件中调整结构构件参数的调节器的唯一途径是用它做成电流变阀控制的ER智能可调阻尼器,并把智能可调阻尼器与结构构件结合,最终制成智能可调参数结构构件。

　　目前ER电流变阻尼器的设计、制造已开始研究,并取得了相当的进展[2,3],但ER电流变阻尼器的形式仅是单通道的形式,且由于ER电流变材料在加电场的情况下屈服应力较低,故阻尼较小,不能满足实际工程中的需要。本文在对ER智能阻尼器的原理和力学模型进行分析的基础上,设计了一种用于结构振动控制的具有较大可调力范围和较高可调力的电流变阻尼器。

　　2 ER可控阻尼器的原理

　　2.1 ER智能材料的基本特性

　　ER智能材料常称为/电流变液0(Electrorheolog-ical Fluid),它是用不导电的母液(常为硅油或矿物油)和均匀散布其中的固体电解质颗粒(无机非金属材料,有机半导体材料,高分子半导体材料)制成的悬浮液。在电场的作用下,电流变液中的固体电解质颗粒会形成一束束纤维状的链,横架于正负二级之间(见图1)。这样,电流变液在电场作用下就能从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为有一定屈服剪应力的粘塑性体,即所谓的“固化”。这种特性就称之为电流变效应。电流变效应具有3个重要的特点: