液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展

1、液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展摘要：随着科学技术的发展，液体粘滞阻尼器在大型结构工程中抗震、抗风等消能领域中的应用越来越广。本文在收集大量资料的基础上，从制造技术、新产品、新的安装工艺等几个方面总结了液体粘滞阻尼器在近十几年内的新发展，并对粘滞阻尼器在我国土木工程界应用发展上的问题和前景进行了探讨。关键字：粘滞阻尼器；工程抗震；抗风；振动Abstract: The fluid viscous damper is applied widely in civil engineering with the development of the science and technology. I

2、t is applied on the huge bridges, high-rise buildings and steel structures to stand against the force caused by earthquake and wind. This paper has summarized the recent development of the fluid viscous damper from the perspective of new manufactory technology, new products and new installing method

3、s. At last, the problems and prospects of the fluid viscous damper will be under discussion.Keywords: fluid viscous damper, anti-seismic engineering, wind resistance, vibration作为二十世纪结构工程界最伟大的科技成果之一 结构的保护系统，特别是各种耗能阻尼器，得到了广泛的认同。从五十年代开始在机械、车辆、航天和军事工系统中得到应用的液体粘滞阻尼器，八十年代末开始在美国的建筑结构和桥梁工程界试验、研究及应用。虽然只有十几年的

4、历史，却发展非常迅速，超出了我们的想象。近些年来，液体粘滞阻尼器在我国土木工程界也逐步得到了发展和应用，被逐步应用到桥梁工程、高层建筑和机器基础等工程中。近二十年来，随着粘滞阻尼器在土木工程中的广泛使用，液体粘滞阻尼器无论从制造技术上，还是设置方式上都有了很大进展，本文试图把这一发展作个介绍和阶段概述，从最新的制造技术、新产品、新的安装模型和新的结构应用进行简要的说明。1, 阻尼器应用的设计目标和理念我国现行桥梁设计规范中并没有关于有关阻尼器的明确规定。结合国内外有关阻尼器应用发展情况，我们提出在结构上使用阻尼器的目标和理念。简单的说我们安置阻尼器可以有以下四个目的。A 增加抗震、抗风能力原设

5、计可能已经可以满足所有规范规定的抗震抗风要求，加上液体粘滞阻阻尼器，在振动过程中起到耗能和增加结构阻尼作用，从而降低结构反应的基底剪力，也就可以减少整个结构的受力，从而大大提高结构的抗地震能力。同时，只要阻尼器安装的合适，尽量将阻尼器设置到不同的需要方向，还可以预防原设计没有考虑或考虑不足的振动受力。对特别重要的结构，高发地震区，花钱不多，设置这一第二防线是很值得的。对于非严重地震区，国外也常用阻尼器达到增加抗震能力的目的。B 用阻尼器去防范罕遇大地震或大风 按小震不坏大振不倒的原则，我们可以用常规的设计办法使设计满足多遇地震的抗震要求。对于罕遇的大地震可能显得不足或不经济。用结构的被动保护系

6、统来等待和解决这罕遇大地震的问题，是加固原设计未设防抗震或设防不足的固有结构和新建结构建议采用的设计理念。 这一理念会带来经济实用可靠的结果，设计的好，可以为工程节省费用。国外大都采用这一理念，也是我们主要想提出推广的设计理念。在所有可能发生地震的地区，我们都建议按这一理念来作设计。 C解决常规办法 难予解决的问题 在结构设计中有时遇到高地震烈度、土质情况恶劣的地区，单纯的加大梁柱的尺寸会引起结构刚度增加周期减小，其结果可能引起更大的地震力。结构落入这一恶性循环中。有时用常规的办法难于解决。著名的墨西哥市长大楼就提供了一个解脱这一恶性循环的榜样。 结构用的抗震阻器如果参用液体粘滞阻尼器，本身没

7、有刚度，也就不会改变结果的频率，阻尼器增加了结构的阻尼比，起到耗能的作用，比较容易解决这一困难问题。在高烈度地震区，设计变得很困难的情况下，建议加入液体粘滞阻尼器重新作一下分析， 可能你会得到预想不到的好结果。D结构上的其它需要 除了帮助结构主要的抗振动能力外， 阻尼器还能帮助结构很多其他方面，如：l 大跨空间钢结构，体育场馆，特别是开启式屋顶运动中的减振l 超高层钢结构建筑抗风的TMD系统l 减少楼板和大型屋盖垂直振动的TMD 系统l 配合基础隔震的建筑，加大阻尼，减少位移l 设备基础减振l 特别重要的建筑-核电站、机场控制室l 结构复杂，难于计算的建筑l 加固工程中，空间受限，最好的选择l

8、 军事工程，抗爆工程对我们结构上的应用说来，阻尼器还是个新生事物。它的应用方面和理念都在发展。2 制造技术的改进提高最初，人们用一种粘性固体 硅胶作为阻尼器的中间介质。随后却很快的被发现，这种受温度影响大的固体材料作阻尼器的介质有很大的不足。性能稳定的液体硅油是更理想的材料。图1 早期的油阻尼器早期的液体粘滞阻尼器像一个长方形的容器，其中充满油料，由活塞杆带动一组平板，与固定在另一组平板之间产生剪切运动，由于油的粘性产生阻力，起到阻尼器的作用（如图1所示）。这种阻尼器的效率很低，受温度的影响也比较大。19世纪中叶，法国的一家军火公司首先采用节流孔来控制流体运动的阻力，称之为流体惯性阻尼器。后来

9、经过各国竞相发展和改进，形成一种体积比较小、能提供很大阻尼力、受温度影响也很小的油阻尼器（如图2所示），一直应用到现在。改进后的液体阻尼器由装备活塞的圆管中灌满硅油制成，当活塞在外力作用下往复运动时，活塞头挤压油通过导油小孔，从而产生很大的阻力。当活塞杆向油缸内部运动时，缸体内的油受到压缩。相反，当活塞杆向油缸外运动时，密封部分的油缸体积将增大，出现类似于抽成真空的现象，导致阻尼器产生在拉压情况不同的性态。为了消除这种现象，阻尼器设置了图2中的调节油压室，允许主油缸中的高压油有控制地向调节油压室流动或反之，这样可以起到平衡的作用，这类阻尼器的设计和制造的关键技术在导油孔、补油和泄压装置。 图2

10、 改进前的液体粘滞阻尼器 图3 美国Taylor公司液压粘滞阻尼器构造近几年，美国泰勒公司在研究应用阻尼器几十年成果的积累下，对液体粘滞阻尼器的构造作了进一步的改进。图3展示了其技术上的独到之处。对比图2和图3 美国泰勒公司对阻尼器的主要改进在以下几个方面：1）在单出杆的基础上改进成双出杆，提高了稳定性。 活塞头设在活塞杆中间位置的双出杆的系统。增加了双向运动阻尼器的对称性。也就提髙了其结构的稳定性。2）在确保不漏油的基础上取消了内设油库，提高了可靠性。液体粘滞阻尼器的设计一般需要一个储备室。储备室可以和阻尼器用同一个金属缸体，用一个控制阀控制室内的液体的进出，也可以是一个分开的金属缸。其目的

11、是用来控制和补充液压油的多少。泰勒公司现在设计的产品采用的是高度平衡的活塞杆，再加上绝对不漏油，也就不需要储备室。减少了这种储备室，就减少了一个装置带来破坏和不稳定的因素。 3）活塞孔的改进。泰勒公司改动前后的活塞孔如图4所示，其改变了加速油孔的位置，提高了工作效率；由原来的一侧设置辅助吸入孔和加速吸入孔改为两侧对称设置，并且增加了单向流动转向坝，硅油在其中只能单向流动，设计更为合理、效率更高。4）阻尼器中不设置任何阀门。早期的液体阻尼器，为了达到控制硅油流量或使速度指数小于0.3的目的时，设置内部阀门，所增加的内部易损零件会减少阻尼器的寿命，降低可靠性。5）改进密封技术。阻尼器内装液体受压并

12、要求在长期载荷作用下不泄漏，密封好坏就成了关键所在。泰勒公司采用尼龙制成的双重密封系统，可以确保阻尼器内部硅油使用35年不泄漏。 6）材料进行了改进。活塞杆用不锈钢取代易磨损的电镀，阻尼器的使用寿命更长，更不容易损坏。缸体用一个无缝的圆柱整体钢管组成，阻尼器的缸体装满液体，承担着阻尼器工作压力和可能的超载压力，该设计使钢管在承受1.5倍设计压力时，没有任何液体屈服、变形破坏、泄露等现象。为了避免焊缝对阻尼器运动中寿命的降低，在阻尼器上的任何焊接是不允许的。7）更精密的加工。高度抛光的活塞杆不允许有任何变形、锈蚀，泰勒公司公司采用高强不锈钢活塞杆，活塞杆的设计要求承受运动过程中的任何载荷，不允许

13、变形。要求和活塞缸紧密结合的活塞头把阻尼器分成两个液腔，活塞头上的小孔和活塞与缸体的空隙使两个腔体中的液体，在一定的活塞压力下可以按设计要求来回流动。阻尼器缸体精确的加工和抛光是阻尼器不漏油的另一保证。 (a)改进前 (b)改进后图4 改进前后的阻尼器内控液体流动小孔结构比较泰勒公司液体粘滞阻尼器上述制造技术的改进，确保了其产品的质量和35年的免维护。3. 新品种阻尼器在结构工程中应用的不断发展，不同的工程也对阻尼器提出了不同的要求，各大阻尼器公司不断推出新产品，像泰勒公司生产和应用的：液体粘弹性阻尼器，风限位阻尼器、熔断阻尼器和大型桥梁加限位阻尼器等，下面就目前已经应用到工程中的新型阻尼器分

14、别进行介绍。3.1 粘弹性阻尼器 (Fluid Viscoelastic Dampers) 在实际工程中，有时我们需要阻尼器同时具有速度型耗能和位移型刚性弹簧的双重作用，这就是我们常说的粘弹性阻尼器。Taylor公司为这一目的设计和制造了这种新阻尼器（图5），粘弹性阻尼器外表跟一般的液体粘滞阻尼器一样，只不过稍微长一些而已，长度最大可长出约30cm左右。这种阻尼器的液压缸分成阻尼和液体弹簧两部分。在阻尼器部分是完全相同于传统的液压粘滞阻尼器，而弹簧部分是一个双向作用的液体弹簧。在缸中运动的是串在一根轴上的两个活塞，这两个活塞各在一部分油缸内工作。阻尼器部分活塞往复运动产生阻尼，另一个活塞引起液

15、体弹簧的弹簧力。这种阻尼器可以按要求设计弹簧刚度，但其最大弹簧力应小于最大阻尼力的一半，该装置的计算公式为 其中，Feff为液体弹簧等效刚度；C为阻尼器的阻尼值；u为活塞杆的位移，为活塞杆的速度，为速度指数。图6 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器的本构关系可以用阻尼器部分加上弹簧部分来反映。上示公式可以直接输入SUP2000或ETABS等计算机程序中进行分析计算。在安置中，该装置可以设置成对角支撑型式，也可以放置成传统的人字形式上，它也能配合基础隔振的滑动支座使用。将粘滞阻尼器转变成粘弹性阻尼器，这一另加的刚度，对结构在风荷载下限制位移能够起到良好的作用，在希腊和平与友谊体育场上成功的应用了这种阻尼器

16、。3.2 风限制器阻尼器 (Dampers with Wind Restraints)美国Taylor公司在液体粘滞阻尼器上加一个简单的机械元件来防止阻尼器受到较低水平的风力和其它荷载可能带来的阻尼器运动（图7），这种阻尼器应用到桥梁和高层建筑上，抵抗风荷载引起的结构震动，这种阻尼器就是风限制阻尼器。一般地说，阻尼器（或锁定装置）可能受到的最大风力和其它力总是小于地震最大力的25%。我们在阻尼器（或锁定装置）的外表面加一个可以滑动的金属卡环，该环与阻尼器外筒的磨擦力可以调节到25%的最大地震力。在阻尼器连接两端受风振作用时，风限制装置磨擦力阻止了阻尼器两端滑动，相当于有了一个受力开关或限制器。

17、而当阻尼器工作的结构受到地震荷载的作用， 阻尼器两端的受力大于我们设定的开关最大力时，也就是超过风限制装置的最大静磨擦力时，阻尼器开始发生耗能作用，该结构像普通阻尼器一样工作，减振和耗能。这一装置给阻尼器带来模型上的变化可见速度和力的变化曲线（图8），该限制装置的磨擦力的大小可以自已在应用时作一定范围的调整，这种风动限制器设计安装方便，在一般的粘滞阻尼器上也可以安置，方便推广。图7 风限制器阻尼器 图8 风限制器阻尼器的本构关系当这种阻尼器可以用来配合基础隔震系统来限制结构位移，在阻止风荷载带来的位移的同时，还能够保持阻尼器在地震作用下的耗能作用。对于柔性建筑，用风限制阻尼器设安装设置的对角支

18、撑在风振时能像刚性连杆一样提供一定支撑的刚度，而当地震发生时，它又可以像传统的阻尼器那样工作，起到耗能隔震的作用。座落在美国旧金山地区的Som Jose的南海湾办公楼，是30年前建成的几座钢筋混凝土塔楼，塔楼之间用悬挂式钢枢架连接。这个钢连接部分很容易产生楼板的振动。特别是在风荷载下引起很大振动问题。过去只是简单地安装了一些钢杆阻止风动，这种简单的钢杆有很多缺欠，当地震发生时，它还会破坏，不能重复使用。Saiful-Bouquet设计并采用了风限制阻尼器，得到了理想的解决方案，风限制器设计承受1015%最大地震力，有限地阻止了风对这个钢框架的影响。而超过限制力的最大力时阻尼器发生作用，更好地保

19、护了结构，该装置可以重复使用，从目前的运行状况来看十分成功。图 9 南海湾办公楼 3.3 熔断阻尼器( Fuse Damper) 类似风限制阻尼器，熔断阻尼器比一般的液体粘滞阻尼器多一个金属熔断装置，这个熔断装置限制阻尼器直到达到一个特定值时才可以工作。在Richmond San Rafael大桥上，泰勒公司提供了一种设计值为500kip的熔断阻尼器装置，这个装置有一个在275kip时断裂的金属保险丝。因此，如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载时，当这些荷载低于275kip时，阻尼器并不摆动；如果有地震导致275kip甚至更大的荷载时，金属保险丝将断裂，阻尼器将像一个一般的500ki

20、p的阻尼器那样工作。当保险丝断裂以后，熔断单元需要进行更换，更换后阻尼器可继续使用。图9熔断阻尼器3.5 限位阻尼器世界跨度最大的斜拉桥，我国苏通大桥为了防止预想不到的特大风和地震可能给桥带来的超量位移。设计要求了一种新型带限位的阻尼器。该阻尼器在两端最大位移超过750mm时阻尼器进入两端弹簧限位阶段。限位由非线性弹簧板组成。限位可达最大附加位移100mm， 限位力可达1000吨。这一超大的阻尼器见下列图 10。图 10 苏通大桥限位阻尼器4 新的安装方式阻尼器安装在建筑的不同位置，可以达到设计的不同目的。随着阻尼器在结构抗震、抗风等项目上应用的发展，很多结构上都采用了不同安装方式、组成不同类

21、型的安置模型。总结目前阻尼器在结构上的安装方式，主要有对角支撑、人字型支撑、套索式支撑、剪刀式支撑等几种，如图13所示。 ，此外，还可以配合基础隔震系统、TMD系统等使用。图11 阻尼器的常见安装形式最初阻尼器的安装方法主要局限在人们熟悉的对角安装（diagonal）和人字形(chevron)支撑两种形式。美国泰勒公司报了专利的套索式安装形式把阻尼器两端的位移放大，也就起到把阻尼器的效果放大的作用。这样的安装系统，使阻尼器更容易地应用到阻尼器两端位移较小的刚性框架结构体系中。美国Constantinou 教授申报专利的剪刀支撑安装方式，比套索安装形式更紧凑，特别适用柱间距离或允许放置阻尼器的位

22、置小的结构更容易推广。图13给出了各种安装方式的阻尼力放大系数f和阻尼比。以一个单层结构为例，u和uD分别表示结构的层间位移和阻尼其两端的相对位移，则 式中，f为放大系数，具体取值如图13所示。从图中，按照力的平衡，可以分析出整个阻尼装置提供的力F和阻尼器的阻尼力FD分别为 根据阻尼器的工作原理，有 式中，C0为阻尼器的阻尼系数。将公式（2）、（4）代入公式（3），可以得到 式中，为层间速度。这样，单层框架结构安装的线性流体粘滞阻尼装置的阻尼比可以写成 从式（6）中可以看出，放大系数对整个装置的阻尼比影响是很大的，阻尼比正比于放大系数的平方。4介绍几个最新应用工程近年来，我国桥梁、建筑结构工程

23、师们在桥梁和建筑物的抗震加固和新建工程中有了越来越多的应用。这里我们简单介绍国内外几个新工程：1） 世界跨度最大的斜拉桥苏通大桥。将使用的世界上首次加附加限位的特大型阻尼器（3075kN、750）正在生产中。该阻尼器设计组提出了一整套我国目前还没有条件作的阻尼器出厂和予检测。无疑，观察和学习研究这一测试过程会给我国桥梁界编制设计规范和检测规程起到很大帮助。该阻尼器上还将设置一套我国首例阻尼器的健康检测系统。2） 北京目前最高建筑 银泰中心座落在北京长安街上65层的柱筒型钢结构是目前北京最高建筑265米。该结构设计使用了73个液体粘滞阻尼器（1200kN、100mm）来增加结构抗风能力。当然，在

24、设置了阻尼器后对结构抗震也有很大帮助。该阻尼器不仅在美国经过了严格的出厂检验，运到国内后还在哈尔滨建工学院进行了测试检验。这些检测对我国专家更好的认识阻尼器、更好的编制阻尼器测试标准和规程、都是很有帮助的。3） 郑州会展中心TMD 楼板减振系统在郑州会展中心工程中， 考虑到会议厅二层作为舞厅，可能会引起二楼楼板巨大的振动。为了减少这一振动，设计者设置了36套与楼板自振频率相同的TMD系统。经试验后全部安装已经完成。除此之外，在南京长江三桥引桥上设置了54 个阻尼器（1500kn、150mm）；吉林省龙岩松花江上7孔连续梁桥桥上安置了16个1800kN的锁定装置；山东兖州电厂设备基础设置了阻尼器减振系统。在我国，越来越多的桥梁、中高层建筑、大型场馆中应用到了液体粘滞阻尼器，这一新的技术，为我们结构工程师开辟了一个减振控制的新途径。5 阻尼器在我国应用产生的问题及其前景近些年来，随着我国基础建设的加强，大型公共建筑和桥梁的飞速发展，阻尼器