液體黏滯阻尼器介紹的研究探討

趙冬嬌++陳夏楠++陳永祁

（Beijing Qitai Vibration Control Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100037）

【摘 要】從20世紀(jì)90年代末，液體黏滯阻尼器開始用于我國的結(jié)構(gòu)抗震工程項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)的消能減振設(shè)計(jì)也慢慢受到人們的重視，日趨成熟。論文就結(jié)構(gòu)消能減振設(shè)計(jì)中采用液體黏滯阻尼器的減振技術(shù)做一簡(jiǎn)單介紹，內(nèi)容包括產(chǎn)品、檢測(cè)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法的發(fā)展及種類和特點(diǎn)介紹，以及部分典型工程實(shí)例的介紹，供大家參考。

【Abstract】Since the late 1990s， liquid viscous dampers have been used in structural seismic engineering projects in China.At the same time，the design of energy dissipation and vibration reduction of structures has been paid more and more attention，and became a mature technology slowly.In this paper， the vibration reduction technique using liquid viscous damper in structural energy dissipation design is briefly introduced，the contents include the development of the product， inspection， design and calculation methods， the introduction of the types and characteristics， and the introduction of some typical engineering examples，which is for reference.

【關(guān)鍵詞】阻尼器；抗震；抗風(fēng)；加固；附加阻尼比

【Keywords】damper；seismic；wind resistance；reinforcement；additional damping ratio

【中圖分類號(hào)】TU973.31 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）06-0182-05

1 發(fā)展簡(jiǎn)介

液體粘滯阻尼器最初用在軍工領(lǐng)域中，從20世紀(jì)70年代后，人們開始逐漸把采用阻尼器吸振耗能的這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用在建筑、橋梁等工程中，從以膠泥為介質(zhì)的第一代產(chǎn)品發(fā)展至帶油缸的油阻尼器，再到目前以泰勒阻尼器為代表的第三代小孔射流阻尼器，發(fā)展十分迅猛。在液體黏滯阻尼器（以下簡(jiǎn)稱“阻尼器”）的發(fā)展中，有以下幾件代表性事件：

①在2003年發(fā)生的7.6級(jí)極具破壞性的墨西哥地震中，安裝了98個(gè)泰勒阻尼器的墨西哥市長大樓，在地震中安然屹立。而該地震造成了2700多棟建筑倒塌或嚴(yán)重破壞，13600棟建筑不同程度損壞。而這座57層225米高的南美最高建筑卻沒有損壞，成為世界抗震建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)榜樣[1]。

②阻尼器在我國建筑行業(yè)的發(fā)展近年來也非?？?。例如：2005年完工的北京銀泰中心，其上安置了73套泰勒阻尼器，主要用來控制結(jié)構(gòu)受風(fēng)振的影響；鄭州會(huì)展中心，為大跨度空間結(jié)構(gòu)，其上使用了36套TMD調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)，用來減少二樓舞廳人群跳舞可能引起的樓板共振。此外，我國的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程也正在逐步完善，盡管目前還存在很多問題，但從發(fā)展趨勢(shì)看來，液體粘滯阻尼器的應(yīng)用必將成為一種趨勢(shì)。

2 阻尼器減振設(shè)計(jì)目標(biāo)和理念

傳統(tǒng)建筑已經(jīng)有上百年的抗風(fēng)抗震歷史，為什么還要考慮使用結(jié)構(gòu)消能減振系統(tǒng)？為什么要將液體粘滯阻尼器使用在建筑上？從概念上看，這是因?yàn)椋?/p>

①科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，為結(jié)構(gòu)工程問題的解決提供了新的思路；

②消能減振設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)提供了更加經(jīng)濟(jì)有效的方法；

③地震為偶然荷載，因此用結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)代替結(jié)構(gòu)的豎向承力系統(tǒng)來承擔(dān)地震力，更為合理；

④結(jié)合國內(nèi)外阻尼器發(fā)展應(yīng)用的情況以及工程經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，簡(jiǎn)單地說，安置阻尼器有以下幾個(gè)目的。

第一，增加抗震、抗風(fēng)能力；

第二，用阻尼器去防范大地震或大風(fēng)；

第三，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備、儀器儀表等的振動(dòng)；

第四，解決常規(guī)辦法難予解決的問題；

第五，結(jié)構(gòu)上的其它需要。

3 阻尼器的技術(shù)特點(diǎn)

①準(zhǔn)確的定量產(chǎn)品；

②不設(shè)置閥門和油庫的耐用產(chǎn)品；

③完全實(shí)現(xiàn)不漏油的產(chǎn)品；

④抗震和抗風(fēng)能準(zhǔn)確工作的產(chǎn)品；

⑤1.5-2倍以上的安全系數(shù)；

⑥各種特殊需要的阻尼器。

4 阻尼器的應(yīng)用

4.1 高層結(jié)構(gòu)阻尼器抗震

新疆某項(xiàng)目為框架剪力墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高78米，共計(jì)26層（含兩層地下室）。其減震設(shè)計(jì)思路如下：該項(xiàng)目場(chǎng)地設(shè)防烈度8度（0.3g），該結(jié)構(gòu)主體采用8度（0.2g）對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過對(duì)原結(jié)構(gòu)安置阻尼器，使該結(jié)構(gòu)可以在8度（0.3g）對(duì)應(yīng)的地震加速度時(shí)程作用下，仍然符合規(guī)范的各項(xiàng)要求。本工程安置了56個(gè)液體黏滯阻尼器，阻尼器的參數(shù)為：C=1400kN（s/m）α，α=0.3[2]。安裝前后對(duì)比結(jié)果如圖1：

4.2 結(jié)構(gòu)加固

20世紀(jì)50、60年代建造了大批鋼筋混凝土廠房、公建和辦公樓。這些房屋使用至今已有三、四十年的歷史，部分房屋雖然存在一些結(jié)構(gòu)安全隱患，但加固的費(fèi)用如果低于拆除重建，我們就會(huì)選擇采用結(jié)構(gòu)加固的辦法，花少量投資來維修、加固來恢復(fù)其承載力，確保其安全使用。

目前加固方法很多，主要都是在構(gòu)件層次的加固。要提升結(jié)構(gòu)整體性能，阻尼器提供了很好的解決辦法。下面是一個(gè)工程實(shí)例，（如圖2、表1）北京少年宮加固改造工程。本工程為抗震加固結(jié)構(gòu)，原結(jié)構(gòu)建造年代較早，為板柱抗震墻結(jié)構(gòu)，抗震性能較差。該結(jié)構(gòu)高42.45米，地上11層（頂上為兩層塔樓）。按照工程所在地8度進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。阻尼器在結(jié)構(gòu)抗震加固中有很好的效果，可降低水平地震力，而且安裝快捷方便，通過安裝阻尼器配合其他加固措施可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的提升。

4.3 配合基礎(chǔ)隔振加設(shè)的阻尼器

采用基礎(chǔ)隔振的方法主要是利用加入隔震墊之后結(jié)構(gòu)基本周期大幅度變長，所受到的地震力大幅度降低的原理來保護(hù)結(jié)構(gòu)主體的。隔震層的柔性連接發(fā)揮了主要作用。然而，這一柔性連接在地震中的巨大變形導(dǎo)致的上部結(jié)構(gòu)在地震中的大位移往往是讓人難以接受的。而將阻尼器放置在隔震層，一端與下部基礎(chǔ)連接，另一端與上部結(jié)構(gòu)連接，可以有效減少結(jié)構(gòu)位移，同時(shí)通過阻尼器的大變形耗散地震能量。阻尼器已經(jīng)成為基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中必不可少的減震手段。

4.4 配合層蓋系統(tǒng)與柱頂連接用阻尼器

大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)類似于橋梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)常需要控制結(jié)構(gòu)在溫度下的變形。和基礎(chǔ)隔振的體系類似，我們又不希望它在動(dòng)力荷載下運(yùn)動(dòng)過大。特別是屋蓋系統(tǒng)過大的運(yùn)動(dòng)會(huì)給整個(gè)結(jié)構(gòu)帶來不安全。阻尼器則是理想的減少運(yùn)動(dòng)的連接方式。希臘和平與友誼奧林匹克體育場(chǎng)是個(gè)成功應(yīng)用的工程，（見圖3）水平和垂直雙向使用的阻尼器對(duì)這馬鞍形屋頂?shù)恼w運(yùn)動(dòng)位移起了很好的控制作用。為了使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，設(shè)計(jì)者在加固改造時(shí)選用了泰勒公司的液體黏彈性阻尼器。

門式剛架的屋頂和“柱”的連接部的餃結(jié)節(jié)點(diǎn)也可以放置阻尼器來減少其相對(duì)位移，（見圖4） 這種連接屋蓋的阻尼器也可以對(duì)整體耗能起到作用，但更重要的是對(duì)位移的減少。

4.5 多塔連接間的阻尼器

多塔連廊或多塔蕊結(jié)構(gòu)連接部分更為理想的減振連接方式，應(yīng)該是柔性連接的隔震支座加阻尼器耗能體系。這一孿生使用的系統(tǒng)可以在中小風(fēng)振地震中保持不動(dòng)，而按設(shè)計(jì)的要求在大風(fēng)和強(qiáng)烈地震中起到減少相對(duì)位移和耗能的良好作用。

4.6 減少整體結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)的TMD系統(tǒng)

常用于高層、超高層結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)TMD和TLD （Tuned Liquid Dampers）系統(tǒng)，它的減振原理是：為了控制與結(jié)構(gòu)某一振動(dòng)周期接近的風(fēng)振振動(dòng)，而在結(jié)構(gòu)頂部加設(shè)一個(gè)由質(zhì)量塊，彈簧（或擺）以及阻尼器組成的與該周期一致的小系統(tǒng)，用來以小系統(tǒng)的振動(dòng)抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。而阻尼器就是為了控制這個(gè)附加 質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)，并耗能。

5 不同阻尼器的選擇

在液體黏滯阻尼器的一般介紹中，我們已經(jīng)詳細(xì)討論了這種阻尼器的優(yōu)點(diǎn)所在。在建筑結(jié)構(gòu)中常用的液體阻尼器品種目前有：我們最多介紹的液體黏滯阻尼器和四種新產(chǎn)品，液體黏彈性阻尼器、風(fēng)限位阻尼器、金屬密封阻尼器和帶泄壓閥的阻尼器。

5.1 液體黏滯阻尼器

我們常用液體黏滯阻尼器 （Fluid Viscous Dampers），未加說明時(shí)都是指這種阻尼器。

F=CVα

這里， F——阻尼力；C——阻尼系數(shù)；α——速度指數(shù)；V——為活塞桿的速度。這是個(gè)簡(jiǎn)單的公式。有關(guān)設(shè)計(jì)人員在拿到阻尼器廠家提供的阻尼器參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)上式估算力和速度是否合理。

5.2 液體黏彈性阻尼器

液體黏彈性阻尼器使用效率較高，可以在大震、小震及風(fēng)振項(xiàng)目中使用并參與計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)非常好的減震效果。

在實(shí)際工程中，有時(shí)我們需要阻尼器同時(shí)具有速度型耗能和位移型彈簧提供剛度的雙重作用，同時(shí)具備這兩種特性的阻尼器就是我們常說的黏彈性阻尼器。泰勒公司為這一目的設(shè)計(jì)和制造了該類型的阻尼器（見圖5），黏彈性阻尼器外表跟一般的液體黏滯阻尼器相似，只是長度略長（增加30cm左右）。這種阻尼器的液壓缸分成阻尼和液體彈簧兩部分。阻尼部分與普通液體粘滯阻尼器完全相同，而彈簧部分采用的是一個(gè)雙向作用的液體彈簧。在缸中運(yùn)動(dòng)的是串在一根軸上的兩個(gè)活塞，這兩個(gè)活塞各在一部分油缸內(nèi)工作。阻尼器部分活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，另一個(gè)活塞引起液體彈簧的彈簧力。這種阻尼器可以按要求設(shè)計(jì)彈簧剛度，但其最大彈簧力應(yīng)小于最大阻尼力的一半，該裝置的計(jì)算公式為

F=Keff·u+C■α

其中， Keff為液體彈簧等效剛度；C為阻尼器的阻尼系數(shù)；u為活塞桿的位移，■為活塞桿的速度，α為速度指數(shù)。

5.3 風(fēng)限制器阻尼器

在傳統(tǒng)液體黏滯阻尼器上加一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械元件來防止阻尼器受到較低水平的風(fēng)力和其它荷載可能帶來的阻尼器兩端運(yùn)動(dòng)（見圖6），就可以構(gòu)成這種風(fēng)限制阻尼器。這種阻尼器可以應(yīng)用到橋梁和高層建筑上，抵抗風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)震動(dòng)。一般地說，阻尼器可能受到的最大風(fēng)力和其它力總是小于地震最大力的25%。我們?cè)谧枘崞鞯耐獗砻婕右粋€(gè)可以滑動(dòng)的金屬卡環(huán)，該環(huán)與阻尼器外筒的磨擦力可以調(diào)節(jié)到25%的最大地震力。在阻尼器連接兩端受風(fēng)振作用時(shí)，風(fēng)限制裝置磨擦力阻止了阻尼器兩端滑動(dòng)，相當(dāng)于有了一個(gè)受力開關(guān)或限制器。而當(dāng)阻尼器工作的結(jié)構(gòu)受到較大地震荷載的作用， 阻尼器兩端的受力大于我們?cè)O(shè)定的開關(guān)最大力時(shí)，也就是超過風(fēng)限制裝置的最大靜磨擦力時(shí)，磨擦環(huán)脫開，兩端發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，阻尼器開始發(fā)生耗能作用。然后，該結(jié)構(gòu)像普通阻尼器一樣工作，減振和耗能。磨擦裝置給阻尼器帶來模型上的變化可由速度和力的變化曲線（見圖7）看出。該限制裝置的磨擦力的大小可以設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用時(shí)作一定范圍的調(diào)整。這種風(fēng)動(dòng)限制器設(shè)計(jì)安裝方便，在一般安置黏滯阻尼器的位置上都可以安置，方便推廣。

5.4 金屬密封阻尼器

無摩擦金屬密封阻尼器（見圖8）區(qū)別于其它普通抗震阻尼器的特性，表現(xiàn)在阻尼器相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中幾乎沒有摩擦力產(chǎn)生。隨著阻尼器油缸和活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，油會(huì)被壓入或者流出金屬波紋管，在導(dǎo)熱條件更好的金屬波紋管中交換相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量，因此可以提供更大的功率，產(chǎn)生的熱量隨時(shí)消散，可以承受更高的內(nèi)部溫度而不破壞，這就可以使得阻尼器的耐久性、穩(wěn)定性得到大幅提高。這類阻尼器可用于振動(dòng)幅度大、頻率高的振動(dòng)控制。在土木工程領(lǐng)域已有部分項(xiàng)目采用這類阻尼器。

5.5 帶泄壓閥的阻尼器

為了能夠同時(shí)對(duì)日常的風(fēng)荷載以及偶然的地震荷載都能夠起到較好的減震作用，在液體黏滯阻尼器活塞內(nèi)部設(shè)置一個(gè)具有特殊功能的泄壓閥，在特殊泄壓閥的耦連作用下，把鎖定裝置的性能和黏滯阻尼器的性能同時(shí)整合到該新型阻尼器中，根據(jù)特殊泄壓閥的關(guān)閉，對(duì)結(jié)構(gòu)在不同荷載的作用下起到相應(yīng)的減震效果。上文所述的舊金山弗里蒙特街181號(hào)便使用的是此種阻尼器。

泄壓閥打開之前所表現(xiàn)出來的性質(zhì)和鎖定裝置一樣，主要用于抗風(fēng)；當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，對(duì)閥門所產(chǎn)生的壓力超過泄壓閥打開之前阻尼器的最大鎖定力時(shí)，特殊泄壓閥打開，該阻尼器表現(xiàn)出黏滯阻尼器的功能。當(dāng)?shù)卣鸷奢d作用后，特殊泄壓閥關(guān)閉，該阻尼器又恢復(fù)到初始安裝時(shí)阻尼器具有的狀態(tài)。

6 阻尼器的附加阻尼比

6.1 規(guī)范方法

消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按抗震規(guī)范給出的如下方法估算：

ξa=■Wcj /（4πWS） （6-1）

式中：ξa——消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；

Wcj 第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；

WS設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

其中：WS=（1-2）ΣFiui （6-2）

Fi——質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；

ui——質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。

6.2 采用等效對(duì)比的方法

取兩個(gè)完全相同的結(jié)構(gòu)模型，其中一個(gè)模型加設(shè)阻尼器，另一個(gè)未加設(shè)阻尼器，但設(shè)置了一個(gè)特定大小的阻尼比，采用同樣的地震波進(jìn)行時(shí)程分析，調(diào)整阻尼比使結(jié)構(gòu)反應(yīng)達(dá)到同一個(gè)水平，此時(shí)我們將該阻尼比看做設(shè)置阻尼器的等效附加阻尼比。

6.3 對(duì)結(jié)構(gòu)施加一個(gè)動(dòng)力脈沖δ-函數(shù)，進(jìn)行時(shí)程積分

Td=tk/k （6-3）

δ=1/k·ln（Xi/Xi+k） （6-4）

ξ=δ/■≈δ/2π （6-5）

7 阻尼器測(cè)試

7.1 阻尼裝置的原型測(cè)試

美國FEMA聯(lián)邦緊急管理局第450 號(hào)文件和ASCE 美國土木工程協(xié)會(huì)荷載規(guī)范 7～10版本中提出每種類型的阻尼器要抽取兩個(gè)作原型試驗(yàn)。如果制造商以前作過非常接近的阻尼器試驗(yàn)，又能提供正式的書面報(bào)告，在得到業(yè)主和設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人認(rèn)可后，應(yīng)該可以免去這一測(cè)試。測(cè)試的內(nèi)容，除了下面提到的出廠測(cè)試內(nèi)容外，還應(yīng)該有：

① 溫度測(cè)試：每種阻尼器抽取一個(gè)樣品按以下三種溫度條件-15℃，15℃，40℃，重新進(jìn)行上述測(cè)試項(xiàng)目中的耐壓測(cè)試和動(dòng)力測(cè)試。

②頻率相關(guān)性測(cè)試：抽取一個(gè)阻尼器樣品，在不同頻率下，以最大沖程進(jìn)行三次循環(huán)試驗(yàn)。三次循環(huán)中最大阻尼力的變化需控制在15%以內(nèi)。測(cè)試頻率分別為0.6Hz、1.0Hz和1.5Hz。

③疲勞能力試驗(yàn)：經(jīng)過10000次以上脈動(dòng)風(fēng)（位移±5mm，速度≥2mm/s，頻率<1Hz）循環(huán)試驗(yàn)后，觀察密封系

統(tǒng)是否漏油，用肉眼檢查密封系統(tǒng)是否由于疲勞磨損引起退化，裝置在第2個(gè)和第9999個(gè)周期的力-位移特征反應(yīng)曲線的變化應(yīng)小于15%，阻尼器力學(xué)滯回曲線的變化應(yīng)小于15%。

7.2 產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)測(cè)試

阻尼器及支座等產(chǎn)品的要求應(yīng)嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)圖紙的各種要求；阻尼器的力學(xué)性能要符合阻尼器的技術(shù)參數(shù)要求。檢驗(yàn)內(nèi)容包括：外形測(cè)試、耐壓測(cè)試、慢速位移最大阻尼力測(cè)試及動(dòng)力測(cè)試。

請(qǐng)注意：所有試驗(yàn)要求， 都是針對(duì)性很強(qiáng)的

①對(duì)于循環(huán)次數(shù)、抗震用的低周試驗(yàn)應(yīng)為最大位移下3～10次倍循環(huán)，而抗風(fēng)荷載的高周疲勞試驗(yàn)，位移和受力都應(yīng)符合風(fēng)荷載的實(shí)際要求。

②所有的試驗(yàn)要求都要能符合基本公式：

7.3 3～5年后的檢測(cè)

我國抗震規(guī)范說明中要求阻尼器要有工作十年后的再檢測(cè)，但在國內(nèi)均沒有執(zhí)行。

泰勒公司為我國杭州灣東大橋進(jìn)行過安置三年后的內(nèi)壓檢測(cè)，為安置了近五年的北京環(huán)線橋梁——阜成門橋上的阻尼器進(jìn)行內(nèi)壓測(cè)試，這些都屬于中期測(cè)試。（見圖9）

泰勒為英國倫敦千禧橋阻尼器進(jìn)行了十年后的檢查，除現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)了所有阻尼器的工作情況外，還拆下三個(gè)回廠做了檢測(cè)。這一長期檢測(cè)合格是阻尼器的工作保證；（見圖10）

在這些檢測(cè)中，泰勒公司所做的檢測(cè)是為了發(fā)現(xiàn)問題并最終保證能做到獨(dú)有的35年保質(zhì)期。

8 結(jié)論

以上是我們?cè)谝后w黏滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的一些體會(huì)，同時(shí)我們也在不斷學(xué)習(xí)和研究相關(guān)的分析和設(shè)計(jì)資料，希望能給大家?guī)韼椭?，也更希望大家能?duì)以上內(nèi)容提出建設(shè)性意見，在我國的實(shí)際工程中更好地使用這一最新技術(shù)，對(duì)阻尼器的理論和實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳永祁，杜義欣.液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展[J].工程抗震與加固改造，2006（03）：56.

【2】曹鐵柱，陳永祁.安置抗震黏滯阻尼器的某超高層建筑經(jīng)濟(jì)性能分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2011（04）：45.