碳纤维粉末基剪切增稠流体调谐质量阻尼器：实现自适应刚度与阻尼的振动控制新策略

本文创新性地提出一种基于碳纤维粉末剪切增稠流体（CFP-STF）的非线性调谐质量阻尼器（TMD），通过其频率依赖的流变特性拓展了传统TMD的有效控制带宽。研究结合固定点理论建立优化设计方法，证实CFP-STF-TMD能显著提升宽频振动控制性能，有效缓解传统系统的失谐效应，为建筑结构抗风抗震提供新型自适应被动控制方案。

　　

亮点

• 首创将碳纤维粉末剪切增稠流体（CFP-STF）应用于调谐质量阻尼器（TMD）设计

• 建立连续流变本构方程，突破传统分段模型的局限性

• 基于固定点理论提出频率自适应的被动控制策略

CFP-STF系统模型

剪切增稠流体（STF）的粘度会随外部剪切速率显著增加。不同于以往简化分段模型，本研究采用Sun等提出的连续模型（图1），通过平行板流变仪（MCR 301）测量CFP-STF的流变特性。实验表明，含20%二氧化硅纳米颗粒的CFP-STF在临界剪切速率下呈现显著粘度跃升，其能量耗散效率较传统STF提升37.5%。

结果与讨论

温度、平板间距和质量分数是影响STF变阻尼特性的关键参数。以20%二氧化硅纳米颗粒的CFP-STF为基准，通过机械能耗公式（式3）量化不同条件下的阻尼效能。有趣的是，当质量分数超过15%时，体系会出现"剪切硬化-流体锁止"的相变现象，这种非线性响应恰好匹配建筑结构在不同地震波频段的能量分布特征。

结论

本研究提出的CFP-STF-TMD通过可变阻尼装置实现主结构连接，其创新点在于：1）将CFP-STF非线性本构方程转化为频率依赖函数；2）建立无需分区处理的通用阻尼函数；3）通过参数优化使流变特性与主体结构动态特性匹配。数值模拟显示，该系统对El-Centro波和Kobe地震波的减震效率分别达到68.2%和71.5%，且能自动适应0.5-5Hz的宽频激励。