基于物理降阶模型与实验验证的多孔介质非线性调谐液体阻尼器地震振动控制研究

本研究针对传统调谐液体阻尼器(TLD)阻尼不足和易失谐的问题，开发了多孔介质调谐液体阻尼器(PMTLD)的物理降阶模型(ROM)，通过Darcy-Forchheimer流动理论建模非线性阻尼特性，结合自由衰减法和能量损失法量化阻尼参数，并通过振动台实验验证了PMTLD在单自由度(SDOF)摆结构中的优异减震性能，为工程结构抗震设计提供了新思路。

　　

在土木工程和海洋结构领域，如何有效控制结构振动始终是研究者面临的重大挑战。传统调谐质量阻尼器(TMD)虽然广泛应用，但其性能受限于复杂环境荷载。调谐液体阻尼器(TLD)因成本低廉备受关注，但存在固有阻尼不足和易失谐两大缺陷。尽管通过安装挡板等障碍物可增强阻尼，却可能改变系统固有频率。多孔介质调谐液体阻尼器(PMTLD)的出现为解决这一矛盾提供了新途径——既能显著提升阻尼又不引起明显失谐，但其非线性阻尼特性亟需实验验证。

台湾地区的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，建立了基于势流理论的PMTLD物理降阶模型(ROM)，采用Darcy-Forchheimer流动描述多孔介质内流体晃动的非线性阻尼特性。通过自由衰减法和能量损失法量化谐波激励下的阻尼参数，并创新性地采用二次近似将时变阻尼比与波高关联，大幅降低了计算复杂度。研究通过SDOF摆系统振动台实验，验证了PMTLD在共振区及邻近频率对谐波地面激励的减振效果，同时评估了其在地震激励下的时域和频域响应特性。

关键技术包括：(1)基于势流理论和Darcy-Forchheimer方程的ROM建模；(2)采用183.5kg单摆与80cm×14cm×20cm水箱组成的SDOF实验系统；(3)结合自由衰减响应和谐振能量损失的双重阻尼量化方法；(4)通过相位响应和能量转移分析揭示阻尼机制。

【数值建模】章节建立了考虑多孔介质影响的流体运动控制方程，通过降阶处理将非线性阻尼表述为波高的二次函数。【实验方法】详细描述了振动台实验装置：采用9.7cm水深、4.4%质量比的PMTLD系统，通过加速度计和波高仪采集数据。【非线性阻尼特性】部分显示，在0.5mm位移幅值的120秒谐波激励下，PMTLD使结构位移响应降低42%，且自由振动阶段的阻尼比达0.15。【结论】指出该ROM模型能准确预测PMTLD的非线性行为，实验证实其在共振频率附近可有效抑制结构振动，相位分析揭示了能量通过流体粘滞和涡流耗散的机制。

这项研究的重要意义在于：首次通过实验验证了PMTLD的Darcy-Forchheimer阻尼模型，为工程应用提供了可靠的设计工具；提出的二次近似方法简化了非线性阻尼的量化过程；证实了多孔介质在保持调频特性同时增强阻尼的独特优势。Tsao等学者的工作不仅推动了TLD技术的发展，更为浮动式海上风电等对重量敏感的结构提供了新的振动控制解决方案。研究数据已开源共享，有助于后续研究深入开展。