核電廠阻尼器的應(yīng)用及創(chuàng)新

陳永祁，崔禹成，馬良喆

（北京奇太振控科技發(fā)展有限公司，北京 100037）

20世紀(jì)初，大型武器裝備需要大量采用阻尼裝置及相關(guān)工程設(shè)備，而液體阻尼器由于具有良好的減振性能得到了迅速研發(fā)和工程應(yīng)用。

大型加農(nóng)火炮在發(fā)射過程中會(huì)產(chǎn)生超大的后座力，通過液體阻尼裝置可以緩解沖擊力，并使發(fā)射臺(tái)架恢復(fù)至初始狀態(tài)。1900—1945年，由于涉及軍事機(jī)密，該技術(shù)和產(chǎn)品雖然在很多國家的軍事領(lǐng)域被逐漸采用，但對(duì)外界仍然保密。二戰(zhàn)時(shí)期，該技術(shù)又被用于減小外部振動(dòng)對(duì)雷達(dá)和一些電子設(shè)備的影響。在冷戰(zhàn)時(shí)期，該技術(shù)被用于保護(hù)巡航導(dǎo)彈，消減武器裝備甚至核武器的沖擊波[1，2]。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，很多用于防衛(wèi)設(shè)施的技術(shù)轉(zhuǎn)為了民用。美國宇航局投資建立的美國泰勒公司從1955年開始作為供應(yīng)商向美國政府出售阻尼器和緩沖器裝置，20世紀(jì)80年代后，開始由軍用轉(zhuǎn)為民用。美國紐約州立大學(xué)布法羅分校與美國國家地震研究中心將液態(tài)阻尼器用于提高土木工程結(jié)構(gòu)物的抗震和抗風(fēng)性能。發(fā)展至今，泰勒公司已成為一家聞名世界的減振設(shè)備公司。

泰勒公司的阻尼器源于軍事，自1987年在民用結(jié)構(gòu)中成功使用以來，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，采用了雙出桿結(jié)構(gòu)、小孔激流和高內(nèi)壓等技術(shù)，阻尼器技術(shù)已非常成熟。具體表現(xiàn)為：泰勒流體阻尼器是僅有的在地震時(shí)能夠同時(shí)減小結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和變形的減震設(shè)備，且可以有效提高結(jié)構(gòu)的阻尼。泰勒流體阻尼器是獨(dú)立的設(shè)備，尺寸相對(duì)較小，易于安裝，可按照對(duì)角支撐或作為基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)的一部分安裝于結(jié)構(gòu)中。泰勒流體阻尼器可以很容易地實(shí)現(xiàn)1～800 Mt的出力水平，位移可達(dá)±1.2 m。另外，泰勒流體阻尼器使用期限長，并終身免維護(hù)。

與定量耗能的結(jié)構(gòu)抗震阻尼器不同的是，我國核電站中使用的是相對(duì)簡單的速度鎖定裝置，僅可以在一定速度下鎖定，不計(jì)算耗能和阻尼比，在管道和設(shè)備機(jī)械振動(dòng)情況下，不能處于長期使用的減振狀態(tài)。

目前，各種建筑結(jié)構(gòu)接連誕生，而隨著時(shí)代的進(jìn)步，對(duì)這些建筑結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性等指標(biāo)的要求也越來越高。了解這種裝置，有助于人們?cè)O(shè)計(jì)出更多現(xiàn)代化的建筑。本文從制造、使用和測試等幾個(gè)方面介紹了世界阻尼器的創(chuàng)新與發(fā)展，并對(duì)比了核電阻尼器與結(jié)構(gòu)阻尼器之異同，幫助人們更好地了解與應(yīng)用。

1 土木工程抗震阻尼器制造技術(shù)

1.1 從單出桿到雙出桿

近40年來，結(jié)構(gòu)工程減振用保護(hù)系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，并在國際上被廣泛接受。其中，液體黏滯阻尼器是目前在工程中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成功的減振裝置。

圖1和圖2為兩種典型的液體阻尼器。圖1為單出桿附加儲(chǔ)能器型黏滯阻尼器，最初用于科研及工程領(lǐng)域，其工作原理為：在外力的作用下，活塞桿迫使油腔內(nèi)的流體高速通過活塞頭上的小孔，同時(shí)，由于活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)使兩個(gè)腔體產(chǎn)生體積差，并由儲(chǔ)能器進(jìn)行調(diào)節(jié)，再由控制閥調(diào)節(jié)儲(chǔ)能器內(nèi)的流體流向[1]。

圖1單出桿型黏滯阻尼器內(nèi)部構(gòu)造Fig.1 Internal structureof singlerod viscousdamper

經(jīng)改進(jìn)后，被廣泛應(yīng)用的另一種流體阻尼器為平衡狀態(tài)下的對(duì)稱雙出桿型阻尼器，如圖2所示。因其取消了內(nèi)部儲(chǔ)能器和外部儲(chǔ)能器，故這種阻尼器的穩(wěn)定性與可靠性均有所提高。

圖2雙出桿型黏滯阻尼器內(nèi)部構(gòu)造Fig.2 Internal structureof doublerod viscousdamper

1.2 活塞孔技術(shù)的發(fā)展

1.2.1 液體通過直阻尼孔的動(dòng)力特點(diǎn)

射流型小孔通常由鉆孔、彈簧壓力球、提升閥或卷筒組成，以調(diào)整流過活塞頭的流體壓力，進(jìn)而達(dá)到不同速度關(guān)系的阻尼力。根據(jù)伯努利方程，流體經(jīng)過長圓孔時(shí)，其流速的平方與阻尼力成正比，而對(duì)于地震作用，此類阻尼耗散的能量會(huì)受到限制，必須經(jīng)過更為巧妙的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到速度指數(shù)小于2的阻尼出力，如采用精細(xì)機(jī)械處理的復(fù)雜流體通道形成射流。流體動(dòng)力學(xué)Navier-Stokes方程對(duì)液體在密封腔體小孔內(nèi)的高速流動(dòng)進(jìn)行了描述。對(duì)于理想狀態(tài)下的直阻尼孔，需要考慮兩種極限狀態(tài)：

（1）當(dāng)液體黏度較低、間隙相對(duì)較大、液體在小孔流動(dòng)距離較短或高流速時(shí)，在較低頻率下，阻尼力或活塞頭的兩端壓力差與活塞頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，即符合伯努利方程。對(duì)于實(shí)際工程，阻尼力會(huì)急劇放大而并不適用。

（2）當(dāng)液體黏度較高、間隙較小、液體在小孔流動(dòng)距離較長或低流速時(shí)，裝置耗能可通過流體在孔道內(nèi)產(chǎn)生的黏性來實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，上述兩種狀態(tài)是同時(shí)出現(xiàn)的，只是這兩者的作用比重會(huì)相對(duì)不同，應(yīng)綜合考慮。通過對(duì)阻尼裝置的幾何特征及液體的本構(gòu)關(guān)系可以看出，液體黏滯阻尼器的微小振動(dòng)符合上述關(guān)系。

1.2.2 射流孔的特點(diǎn)

射流型（Fluidic）——第二種非伯努利小孔即為射流型小孔，其內(nèi)部沒有可動(dòng)的部件，利用一些特殊形狀的孔道調(diào)整流體速度，改變流體特征。采用射流型小孔的阻尼器阻尼力可以和內(nèi)部介質(zhì)流速的非平方冪指數(shù)成正比。

圖3是泰勒公司阻尼器活塞頭的構(gòu)造情況，其活塞孔道采用了前文所述的射流孔形式，這種活塞頭構(gòu)造形式和想法十分獨(dú)特，是泰勒公司的專利產(chǎn)品，由于其內(nèi)部沒有任何活動(dòng)部件，從而使阻尼器避免了采用閥門這類不穩(wěn)定并且極易出現(xiàn)問題的零件，不但提高了裝置耐久性，還降低了阻尼器價(jià)格。1990年前后，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校Constantinou教授對(duì)該裝置進(jìn)行了研發(fā)，基于Maxwell模型給出了這類阻尼器的結(jié)構(gòu)，即在低頻狀態(tài)下，其輸出力可隨流體速度的非平方冪指數(shù)變化，其表達(dá)式為[1]：

式中，C——阻尼系數(shù)；

a——預(yù)先設(shè)定的系數(shù)，取值為0.2～2.0；

V——流體速度。

圖3泰勒公司單出桿和雙出桿阻尼器活塞頭的構(gòu)成Fig.3 Piston head composition of Taylor Devices'single and doublerod dampers

目前，世界上應(yīng)用的液壓流體阻尼在計(jì)算中均以此為基礎(chǔ)。裝置出力可隨流體速度的非平方冪指數(shù)變化。這種裝置出力僅與流體速度有關(guān)，而與相對(duì)位置無關(guān)，其對(duì)消耗任意激勵(lì)振動(dòng)都是有效的，遠(yuǎn)優(yōu)于用帶油庫和閥門的阻尼器。

1.3 原型測試

生產(chǎn)商根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)生產(chǎn)阻尼器產(chǎn)品后，必須經(jīng)過原型測試才能被安裝就位。美國土木學(xué)會(huì)規(guī)范要求所有產(chǎn)品都要做原型測試。產(chǎn)品原型測試會(huì)根據(jù)相關(guān)國家規(guī)程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場情況擬定，需對(duì)同型號(hào)阻尼裝置抽取兩個(gè)試件進(jìn)行測試。在實(shí)際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)的重要性及阻尼器工作環(huán)境的復(fù)雜性，規(guī)程要求針對(duì)阻尼器所進(jìn)行的原型測試則更為嚴(yán)格[3]。早期美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（The American Society of Mechanical Engineers，ASME）規(guī)程認(rèn)可的允許推延以小試驗(yàn)取代原型測試的辦法早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)被取消，泰勒公司要求每一個(gè)工程用阻尼器都應(yīng)進(jìn)行原型測試。

1.4 取消儲(chǔ)油庫和閥門

區(qū)別于小孔激流技術(shù)，一些廠家在阻尼器中采用儲(chǔ)油庫以及大量不同功能的閥門，從而獲得不同的阻尼器功能，如為獲得更小的速度指數(shù)（α＜0.2）只能采用壓力感應(yīng)閥型的小孔結(jié)構(gòu)。這種阻尼器的主要缺陷是閥門在長期工作下的耐久性不強(qiáng)，極易發(fā)生故障。

如圖4所示，外掛儲(chǔ)油庫的阻尼器必須在一定周期內(nèi)進(jìn)行維護(hù)，且要采取措施確保這些外掛部件不會(huì)被人為磕碰，造成破損。在阻尼器中設(shè)置儲(chǔ)油庫的作用是確保在內(nèi)部介質(zhì)泄漏時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，并在發(fā)生溫度變化及活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)體積變化時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4外掛油庫的阻尼器Fig.4 Damper with external accumulator

為了確保儲(chǔ)油庫正常工作且在往復(fù)循環(huán)時(shí)不出現(xiàn)破損，設(shè)計(jì)人員通常需要設(shè)置包括止回閥在內(nèi)的一系列閥門和細(xì)小的空隙。如地震發(fā)生時(shí)，止回閥閉合，只有少量介質(zhì)會(huì)從細(xì)小空隙流入蓄能器。當(dāng)補(bǔ)償介質(zhì)因?yàn)闇囟然驖B油引起體積變化時(shí)，要保證止回閥開啟。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，地震出現(xiàn)概率較低，阻尼器并不是時(shí)時(shí)處于工作狀態(tài)，這些內(nèi)置閥門往往由于未能定期循環(huán)給進(jìn)而導(dǎo)致卡住不動(dòng)，此時(shí)，油阻尼器將處于不穩(wěn)定、不安全狀態(tài)，阻尼器極易發(fā)生危險(xiǎn)。

外置儲(chǔ)油庫的管道如發(fā)生損壞，油阻尼器在1～2個(gè)循環(huán)后會(huì)不再出力，并最終導(dǎo)致功能失效。阻尼器在儲(chǔ)油庫增到極限狀態(tài)后會(huì)出現(xiàn)氣泡，進(jìn)而引起功能失效。

對(duì)采用氮?dú)饷芊獾膬?chǔ)油庫設(shè)計(jì)，為防止O形橡膠密封圈不能密封氣體引發(fā)泄漏，這類儲(chǔ)油庫必須定期進(jìn)行充氣。儲(chǔ)油庫普通螺旋彈簧可平衡活塞壓力，但也易引發(fā)銹蝕現(xiàn)象，阻尼器被激發(fā)后往往發(fā)生巨大損壞。通常氣囊式儲(chǔ)油庫需要每5年進(jìn)行一次氣囊更換[4]。

如果利用儲(chǔ)油庫進(jìn)行泄漏補(bǔ)償，阻尼器需定期進(jìn)行油液或者氣體的補(bǔ)充和更換，這就要求液體的使用量非常精確，從而確保阻尼器活塞必須處于中位。在泵送液體時(shí)，須采用特殊的尖銳物插入缸內(nèi)。如采用氣囊，則工作人員需要打開泄壓閥，卸掉液體。預(yù)壓后，蓄能器變空，這時(shí)需要工作人員泵入一定量液體關(guān)閉所有液體填充塞。

1.5 預(yù)加高內(nèi)壓

阻尼器在安裝運(yùn)行后，內(nèi)壓隨著阻尼器的受力、環(huán)境溫度改變而發(fā)生變化。阻尼器在使用幾年后，阻尼器的內(nèi)壓還要保持在允許誤差范圍內(nèi)，這是判斷阻尼器是否能全面滿足結(jié)構(gòu)關(guān)系、是否漏油、密封是否完好的重要標(biāo)志。

對(duì)阻尼器腔內(nèi)施加預(yù)載內(nèi)壓后，由于油腔內(nèi)壓的存在減少了對(duì)各種閥門的需求，也避免了其他阻尼器對(duì)蓄能器的使用，這些不必要、多余零件的減少使泰勒阻尼器更為可靠。阻尼器在工作中由于內(nèi)部高壓實(shí)現(xiàn)了泰勒阻尼器通過獨(dú)有的小孔激流調(diào)整速度指數(shù)的功能，可以避免采用其他構(gòu)造的阻尼器通過各種復(fù)雜的控制閥達(dá)到特定的速度指數(shù)。

對(duì)于所有地震的沖擊響應(yīng)，應(yīng)大幅提高阻尼器的響應(yīng)能力。施加內(nèi)壓的主要作用可以從以下4點(diǎn)看出：

（1）抗震要求，在很短的時(shí)間內(nèi)使阻尼器開始工作，避免對(duì)抗震不利的阻尼器出現(xiàn)時(shí)間滯后現(xiàn)象。在所有地震分析中并不能完全反應(yīng)這一實(shí)際情況，有時(shí)僅考慮主要運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)構(gòu)中高階振型的高頻反應(yīng)往往不被考慮或被忽略。類似的情況是，地震中這些高頻反應(yīng)也不能被閥門阻尼器即時(shí)反饋，而不采用閥門、設(shè)有內(nèi)壓的泰勒阻尼器則很好地解決了這一問題。

（2）阻尼器的內(nèi)壓實(shí)現(xiàn)了阻尼器正確全面的結(jié)構(gòu)關(guān)系。特別是在低溫和多頻率下，阻尼器的結(jié)構(gòu)關(guān)系通過內(nèi)壓可實(shí)現(xiàn)并滿足所有的結(jié)構(gòu)關(guān)系要求。

（3）設(shè)內(nèi)壓的阻尼器是阻尼器材料使用效率緊湊的保證。

（4）判斷阻尼器是否有泄漏，可以通過測試阻尼器的內(nèi)壓變化來實(shí)現(xiàn)。

1.6 正確監(jiān)測阻尼器的性能

阻尼器的質(zhì)量，特別是耐久性非常重要，尤其是在結(jié)構(gòu)上起重要作用的阻尼器，人們希望進(jìn)一步了解其可靠性。無論從實(shí)用還是研究的角度，對(duì)阻尼器進(jìn)行使用中的在線正確監(jiān)測具有重要意義。在美國西雅圖SAFECO棒球場的阻尼器完成了世界上最早的阻尼器在線正確監(jiān)測，其在線正確監(jiān)測系統(tǒng)從1999年至今工作完好，這一長期工作對(duì)深入認(rèn)識(shí)阻尼器在結(jié)構(gòu)中的作用十分有意義。我國的福建廈漳跨海大橋也安裝了在線正確監(jiān)測系統(tǒng)。

在核電領(lǐng)域?qū)ψ枘崞鬟M(jìn)行正確監(jiān)測應(yīng)該是目前長期發(fā)展的方向，通過實(shí)時(shí)傳送過來的數(shù)據(jù)對(duì)阻尼器進(jìn)行狀態(tài)分析，可以有效預(yù)防和掌握阻尼器和核心設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

1.7 金屬波紋管的利用——金屬密封阻尼器

金屬密封無摩擦阻尼器是美國泰勒公司的專利減振產(chǎn)品，如圖5所示。由于其具有特殊散熱裝置以及良好耐久性能，從20世紀(jì)80年代開始一直為美國航天局NASA以及相應(yīng)宇航結(jié)構(gòu)獨(dú)家供貨，被用于外太空設(shè)施中[5]。

圖5金屬密封無摩擦阻尼器Fig.5 Frictionlesshermetic damper

與普通抗震阻尼器不同的是，金屬密封無摩擦阻尼器在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中幾乎不會(huì)產(chǎn)生摩擦。這類阻尼器采用了波紋管密封件，具有超高功率，可大量耗散阻尼器運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的熱量，阻尼器穩(wěn)定性和耐久性遠(yuǎn)高于普通密封結(jié)構(gòu)裝置，頻率很高、振動(dòng)幅值較大，對(duì)于普通阻尼器不宜采用的情況，這類阻尼器提供了最佳解決方案。

金屬密封無摩擦阻尼器的基本構(gòu)造除常規(guī)的油缸、通長活塞桿、帶小孔活塞頭、端部蓋板等部件外，與普通阻尼器最大不同是其密封件的處理。普通阻尼器的密封系統(tǒng)由于其性能決定其自身的一些局限性：（1）動(dòng)密封件在活塞桿上使其產(chǎn)生摩擦；（2）對(duì)于微小振動(dòng)（如微米級(jí)），普通阻尼器在初始運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生黏滑運(yùn)動(dòng)，這是由于其密封件出現(xiàn)彈性變形造成的；（3）密封件在長時(shí)間作用后出現(xiàn)老化。泰勒公司在氣態(tài)密封思路的基礎(chǔ)上采用了金屬波紋管密封技術(shù)，在多次研發(fā)測試后應(yīng)用到液體阻尼器中。圖6為金屬密封無摩擦阻尼器的構(gòu)造圖。當(dāng)采用雙出桿構(gòu)造時(shí)，需要在腔體兩側(cè)設(shè)置兩幅波紋管密封件?；钊麠U在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，波紋管產(chǎn)生彈性變形而沒有摩擦，NASA的測試也證明了這一點(diǎn)[5]。

圖6金屬密封無摩擦阻尼器構(gòu)造簡圖Fig.6 Structural schematic diagram of frictionlesshermetic damper

在某些實(shí)際工程應(yīng)用中，金屬密封無摩擦阻尼器具有無摩擦特性，但是，其高靈敏度以及高耐久性是普通阻尼器無法比擬的。

2 土木工程阻尼器的發(fā)展

2.1 從鎖定裝置到耗能阻尼器

作為抵抗沖擊和振動(dòng)的吸能裝置的油腔內(nèi)置活塞——流體型阻尼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為兩類：一類在裝置內(nèi)提供流體回路，活塞桿和活塞頭的位置變化不影響裝置輸出，在土木工程領(lǐng)域中被廣泛采用；另一類構(gòu)造較為簡單，其連接兩端在發(fā)生速度變化后即可提供鎖定剛度，即鎖定裝置。二者均允許溫度變形。

液體鎖定裝置技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于控制地震、風(fēng)振對(duì)大型結(jié)構(gòu)的影響方面。與普通耗能阻尼器一樣，鎖定裝置允許在溫度等慢速作用下自由運(yùn)動(dòng)，但不同于液體阻尼器的是，其不耗散能量。相反，當(dāng)瞬時(shí)事件發(fā)生，速度超過其控制值時(shí)，液體鎖定裝置能迅速且有效地激活質(zhì)量塊間的剛性連接桿，像汽車的安全帶一樣通過動(dòng)態(tài)連接桿將質(zhì)量塊鎖在一起，起到分散和轉(zhuǎn)移受力的作用，此時(shí)，安裝有鎖定裝置的多結(jié)構(gòu)體系會(huì)如一個(gè)完全獨(dú)立的整體做出響應(yīng)。而當(dāng)瞬時(shí)事件結(jié)束時(shí)，液體鎖定裝置又能恢復(fù)到初始作用力狀態(tài)，同時(shí)，允許結(jié)構(gòu)在不產(chǎn)生附加應(yīng)力的情況下發(fā)生截面熱伸縮。確切地說，液體鎖定裝置僅是一個(gè)“0”“1”開關(guān)，其操作完全是被動(dòng)的。其通過桿件將幾個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)地連接起來，從而克服了采用自激勵(lì)系統(tǒng)帶來的昂貴費(fèi)用和制造設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[1]。

圖7為一種被核電設(shè)備廣泛采用的速度鎖定裝置。

圖7德國Lisega公司的阻尼器（snubber）Fig.7 Snubber of Lisega company,Germany

圖8為一個(gè)典型的鎖定裝置的剖面圖。該設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)很簡單?；钊鄬?duì)油缸運(yùn)動(dòng)而擠壓黏滯液體流過活塞孔。在多數(shù)情況下，密封類型和孔的構(gòu)造必須與設(shè)計(jì)者選擇的液體相匹配。當(dāng)采用液態(tài)鎖定裝置時(shí)，活塞孔可以是環(huán)形孔、限流孔或二者的混合型孔。

圖8鎖定裝置剖面簡圖Fig.8 Section schematic diagram of lock-up device

可以發(fā)現(xiàn)，鎖定裝置與普通液體阻尼器在結(jié)構(gòu)上具有相同的組成部分。鎖定裝置不僅是一個(gè)阻尼器，它的活塞孔很小，當(dāng)承受的速度荷載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，整個(gè)裝置被鎖死。在實(shí)際使用中，因?yàn)殒i定裝置在設(shè)計(jì)荷載作用下只有很小的桿位移速度，事實(shí)上并不吸收和消耗能量，只是產(chǎn)生較小的動(dòng)態(tài)位移，相當(dāng)于一個(gè)液壓鎖。鎖定裝置的活塞孔經(jīng)專門設(shè)計(jì)，使它能隨速度的改變而輸出產(chǎn)生變化的力，由于鎖定裝置以極低的速度輸出最大的力，所以，裝置的液體流動(dòng)孔在尺寸上必須比阻尼器更小。通常在生產(chǎn)時(shí)通過采用大的長徑比或長寬比實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)為裝置提供了大的流阻。

在地震作用下，當(dāng)達(dá)到鎖定速度V0時(shí)，即當(dāng)速度達(dá)到啟動(dòng)臨界值時(shí)，鎖定裝置啟動(dòng)，成為一根有很大剛度的連桿。而在未達(dá)到啟動(dòng)速度前，鎖定裝置對(duì)結(jié)構(gòu)無任何影響。鎖定裝置沒有耗能作用，并不能通過自身耗能減少結(jié)構(gòu)的受力。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的速度V0，鎖定裝置在V＞V0時(shí)，很快啟動(dòng)，計(jì)算中可采用一個(gè)剛度單元進(jìn)行模擬。計(jì)算出的鎖定力為[2]：

式中，F(xiàn)max——最大鎖定力。

圖9為某工程中，使用相同最大輸出力的黏滯阻尼器和鎖定裝置的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。觀察圖中的曲線可知，阻尼器在發(fā)生振動(dòng)時(shí)，因?yàn)槲蘸秃纳⒛芰繌亩a(chǎn)生位移，而鎖定裝置在任何速度下都如剛性桿一般作用在結(jié)構(gòu)上，不消耗任何振動(dòng)能量，而是將其直接傳出。

圖9鎖定裝置與阻尼器輸出曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of output curvesbetween locking device and damper

通過上述介紹可以看出，目前在核電領(lǐng)域普遍采用的阻尼器實(shí)際上是土木工程領(lǐng)域中普遍應(yīng)用的速度鎖定裝置。

2.2 準(zhǔn)確定量阻尼比

量化黏滯阻尼器的理論計(jì)算公式是量化黏滯阻尼器在土木工程領(lǐng)域中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的首要條件，Constantinou教授等人提出了計(jì)算模型并對(duì)計(jì)算模型逐步進(jìn)行了完善和簡化[2]。目前，在土木工程中設(shè)置阻尼器前，必須通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力技術(shù)有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行量化分析，并最終確定阻尼器的各種參數(shù)，這是一個(gè)需要迭代并最終趨于最優(yōu)解的循環(huán)過程[6]。

2.3 阻尼器功能多樣化

常規(guī)黏滯阻尼器所具有的工程效果在近些年中逐漸顯現(xiàn)，安置這類阻尼器已成為結(jié)構(gòu)建設(shè)必不可少的一部分。此外，一些具有創(chuàng)新和開拓精神的工程設(shè)計(jì)者常不滿足于此，希望這些產(chǎn)品能具有一些特定的功能，以完善結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的動(dòng)力性能。這些具有特殊功能的黏滯阻尼器包括熔斷阻尼器、限位阻尼器、自由微動(dòng)裝置以及前文提及的金屬密封無摩擦阻尼器等[7]。

2.4 阻尼器質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

在阻尼器不斷提高性能的幾十年后，特別是使用了雙出桿技術(shù)、小孔激流技術(shù)以后，阻尼器可以成為使用75年，并具有40年質(zhì)量保證且終身免維護(hù)的定制產(chǎn)品。

泰勒公司可以按現(xiàn)在核電站的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品，也可以按近40年的發(fā)展創(chuàng)新來生產(chǎn)并提供新型的、長期免維護(hù)的定量產(chǎn)品。

3 土木工程阻尼器的測試

在美國，土木工程設(shè)計(jì)規(guī)范和工程對(duì)阻尼器提出了更高、更嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)要求。對(duì)于動(dòng)力分析，泰勒公司改變了過去抽樣檢查的要求，要求公司出廠的每一個(gè)產(chǎn)品，都要經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)試和動(dòng)力測試，進(jìn)行不同受力狀態(tài)下的力學(xué)檢測，并給出滯回和時(shí)程曲線，滿足所有的設(shè)計(jì)要求。下列測試對(duì)保證阻尼器性能十分必須且有效。

3.1 內(nèi)壓測試

為確保阻尼器在最大壓力下甚至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的1.5倍時(shí)不漏油，每一個(gè)阻尼器必須經(jīng)過內(nèi)壓測試。圖10為在泰勒公司進(jìn)行的阻尼器3倍靜壓103 MPa測試，在達(dá)到測試內(nèi)壓后一般需要保持3 min或1 h，以驗(yàn)證阻尼器的密封情況。

圖10內(nèi)壓測試Fig.10 Internal pressuretest

高內(nèi)壓有利于阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊、高效率的工作，是阻尼器快速啟動(dòng)、抗震所必需的，也是阻尼器“干密封”和不漏油的保證。不同于核電阻尼器的完全零內(nèi)壓，泰勒公司的每只阻尼器在出廠前都預(yù)加了一定的內(nèi)壓。

3.2 動(dòng)力參數(shù)關(guān)系

動(dòng)力結(jié)構(gòu)關(guān)系測試是要在簡諧振動(dòng)荷載下測試阻尼器全程動(dòng)力運(yùn)動(dòng)曲線，要求在不同速度下（通常為25%、50%、75%和100%最大設(shè)計(jì)速度或根據(jù)業(yè)主設(shè)計(jì)指定）計(jì)算阻尼器在5個(gè)循環(huán)內(nèi)力、位移和速度的時(shí)程變化和力以及位移的滯回曲線。相互關(guān)系應(yīng)符合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)關(guān)系。

測試要求的最大值的誤差均在15%以內(nèi)測試證明，在動(dòng)力荷載作用下，阻尼器完全符合設(shè)計(jì)的要求，可以確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全[8]。

3.3 溫度檢測

環(huán)境溫度是影響減隔震裝置性能的重要因素之一，這是由于阻尼器要經(jīng)歷每天和季節(jié)性溫度變化。

黏滯阻尼器的阻尼出力主要由內(nèi)部介質(zhì)高速運(yùn)動(dòng)下的慣性流以及低速運(yùn)動(dòng)的黏性剪切流共同組成，其中低速運(yùn)動(dòng)下的黏性剪切特性受溫度影響較大，圖11為在0℃、24℃、50℃測定的某線性阻尼器的阻尼力-速度關(guān)系曲線，在低溫狀態(tài)下的阻尼系數(shù)要高于高溫時(shí)測試的結(jié)果[9]。

圖11不同溫度下阻尼系數(shù)隨速度的變化Fig.11 Thevariation law of damping coefficient with velocity at different temperatures

在溫度相關(guān)性測試中，需采用溫控系統(tǒng)使阻尼器溫度升高和降低，為達(dá)到要求的測試溫度，在測試前，阻尼器要在溫控箱內(nèi)放置至少12 h（通常在14～16 h），并采用熱電偶對(duì)其不同位置進(jìn)行溫度測量以達(dá)到設(shè)定的環(huán)境溫度。在測試中，同樣要控制阻尼器的溫度變化，由于經(jīng)過動(dòng)力測試后阻尼器會(huì)吸收大量的能量，應(yīng)控制每次測試的間隔時(shí)間，一般應(yīng)將阻尼器冷卻之后再進(jìn)行其他工況測試，時(shí)間間隔應(yīng)在2～4 h或直到阻尼器外表面溫度接近室溫[3]。

有經(jīng)驗(yàn)的廠家會(huì)采取一些技術(shù)措施控制阻尼器在變溫下的性能偏差；另一方面，通過溫度相關(guān)性測試也很容易判定阻尼器的性能優(yōu)劣。不同廠家的阻尼器，甚至是相同廠家的不同試驗(yàn)樣品，其溫度穩(wěn)定性的相差也較大。大量的測試結(jié)果表明，泰勒公司阻尼器具有更高的性能溫度穩(wěn)定性。

4 核電站和一般結(jié)構(gòu)抗震阻尼器對(duì)比

4.1 性能要求類似

核電站、橋梁與建筑結(jié)構(gòu)中安置的抗震設(shè)備都稱作阻尼器，但實(shí)質(zhì)上二者有所不同。核電站上的稱為緩沖器（snubber），而大型結(jié)構(gòu)上的稱為阻尼器（damper），如圖12所示。當(dāng)核電站上安置了緩沖器snubber的設(shè)備和管道有較大運(yùn)動(dòng)時(shí)，緩沖器立刻鎖住不動(dòng)，地震過后鎖定放開。橋梁與建筑結(jié)構(gòu)也有和緩沖器類似的裝置，即速度鎖定裝置（Lock-up device），但安置最多的是阻尼器，在地震運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，阻尼器耗能，運(yùn)動(dòng)減少，直至停止運(yùn)動(dòng)。

圖12普通核電阻尼器Fig.12 Common nuclear damper

4.2 不同的檢測與維護(hù)概念

核電阻尼器的第三方檢測采取抽檢聯(lián)合預(yù)檢測的檢測形式，進(jìn)行120℃的核輻射檢測等測試項(xiàng)目。阻尼器缸體只需進(jìn)行一次檢測，通過后在其整個(gè)壽命周期中都無需再次檢測，只需每5～10年對(duì)其內(nèi)部的流體進(jìn)行補(bǔ)充。由于核電安全事故波及的范圍廣，造成的影響巨大，故而對(duì)阻尼器的質(zhì)量要求應(yīng)更為嚴(yán)苛。泰勒公司的液體黏滯阻尼器能做到100%檢測，且質(zhì)量較高，能較好地滿足核電站的應(yīng)用需求，并可以通過對(duì)阻尼器的健康監(jiān)測隨時(shí)判斷其工作狀態(tài)是否良好，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，從而更有效地保護(hù)人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

液體阻尼器所使用的密封系統(tǒng)必須具有不低于75年的服役期，且無周期性變形。阻尼器在結(jié)構(gòu)安裝就位后在很長一段時(shí)間內(nèi)并不會(huì)經(jīng)常使用，因此，需要密封系統(tǒng)表現(xiàn)為“干密封”且不能出現(xiàn)緩慢的液體滲漏。阻尼器動(dòng)密封特性決定阻尼器的運(yùn)行情況及壽命。采用合理的阻尼器設(shè)計(jì)制造方案，選用適當(dāng)?shù)拿芊饧夹g(shù)，則阻尼器能夠達(dá)到完全“干密封”狀態(tài)而不會(huì)產(chǎn)生任何泄漏，故實(shí)際上不需要提出定期服役或更換期。密封件的使用周期可通過阻尼器在服役期內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總距離估算，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和制造的阻尼器可不進(jìn)行任何定期維護(hù)，并可提供40年的質(zhì)保和75年的壽命周期[10]。

4.3 泰勒阻尼器與核電阻尼器異同

美國泰勒公司是世界結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的先驅(qū)，其生產(chǎn)的阻尼器遠(yuǎn)優(yōu)于其他的snubber和damper產(chǎn)品。將泰勒阻尼器與目前核電阻尼器進(jìn)行對(duì)比，見表1，泰勒阻尼器有以下優(yōu)勢(shì)：（1）可以包括全部系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和檢測都按75年的壽命考慮（包括無需更換機(jī)油、除油漆外不需任何維護(hù)），泰勒公司保證40年的安全工作；（2）阻尼器內(nèi)有預(yù)加高內(nèi)壓，可以按設(shè)計(jì)要求正常地工作，便于定期檢查，并設(shè)置健康檢測系統(tǒng)；（3）可以全部定量化，可以首次在我國核電系統(tǒng)上進(jìn)行抗震計(jì)算與耗能分析；（4）阻尼器全部原型測試符合中美兩國土木工程學(xué)會(huì)的高要求。

表1核電阻尼器與結(jié)構(gòu)阻尼器之異同Table 1 Thedifferenceand similarity of dampers in NPPand civil engineering

5 建議和結(jié)論

（1）近40年來，減振用結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)有了很大的發(fā)展并被廣泛接受，其中液體黏滯阻尼器是目前工程中應(yīng)用最廣泛、研制最成功的減振裝置。創(chuàng)立于1955年的美國泰勒公司是世界結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的先驅(qū)，其結(jié)構(gòu)流體阻尼器技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟。泰勒公司生產(chǎn)的阻尼器遠(yuǎn)優(yōu)于其他阻尼器產(chǎn)品，是僅有的在地震時(shí)能夠同時(shí)減小結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和變形的減震設(shè)備，其性能在任何時(shí)候、任何溫度下都是穩(wěn)定的、可預(yù)測的，且使用期限長，并終身免維護(hù)[11]。

（2）目前，核電阻尼器的第三方檢測采取抽檢聯(lián)合預(yù)檢測的檢測形式，且阻尼器缸體只需進(jìn)行一次檢測，通過后在其整個(gè)壽命周期中都無需再次檢測，只需每5～10年對(duì)其內(nèi)部的流體進(jìn)行補(bǔ)充。而泰勒公司的液體黏滯阻尼器能做到100%檢測，質(zhì)量較高，且無需更換機(jī)油，能較好地滿足核電站的應(yīng)用需求，并可以通過對(duì)阻尼器的健康監(jiān)測隨時(shí)判斷其工作狀態(tài)是否良好。由于結(jié)構(gòu)用液體阻尼器通常在很長的一段時(shí)間內(nèi)并不會(huì)經(jīng)常使用，故要求其使用的密封系統(tǒng)必須表現(xiàn)出“干密封”，不允許出現(xiàn)緩慢的液體泄漏。

（3）高內(nèi)壓有利于阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊、高效率地工作，是阻尼器快速啟動(dòng)、抗震必需的性能，也是阻尼器“干密封”和不漏油的保證。不同于核電阻尼器的完全零內(nèi)壓，泰勒公司的每只阻尼器在出廠前都預(yù)加了一定的高內(nèi)壓，可以按設(shè)計(jì)要求正常地工作，便于定期檢查，并設(shè)置健康檢測系統(tǒng)。

（4）在阻尼器不斷提高性能，特別是使用了雙出桿技術(shù)、小孔激流技術(shù)以后，阻尼器可以成為使用75年，并具有35年質(zhì)量保證且終身免維護(hù)的定量產(chǎn)品。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以對(duì)其阻尼比進(jìn)行準(zhǔn)確量化。泰勒公司可以按照目前核電站使用的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品，也可以按照近40年的發(fā)展創(chuàng)新來生產(chǎn)并提供新型的、長期免維護(hù)的定量產(chǎn)品，其產(chǎn)品可以全部定量化，并可以在我國核電系統(tǒng)上首次進(jìn)行抗震計(jì)算與耗能分析。

（5）在美國，規(guī)范和工程都對(duì)阻尼器提出了更高、更嚴(yán)格的測試要求，泰勒公司要求其出廠的每一個(gè)阻尼器產(chǎn)品經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)試和動(dòng)力測試，進(jìn)行不同受力下的力學(xué)檢測，并給出滯回和時(shí)程曲線，滿足所有的設(shè)計(jì)要求。大量的測試結(jié)果表明，泰勒公司的阻尼器全部符合中美兩國土木工程學(xué)會(huì)的高要求。

本文建議核電行業(yè)的有關(guān)部門以核結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量與安全為重，選擇質(zhì)量和性能均較好的核電阻尼器，并在各方面條件允許的情況下，考慮并嘗試采用在性能上更適合的減隔震產(chǎn)品，以促進(jìn)我國核工業(yè)更好、更快的發(fā)展。我國核電安全處于世界先進(jìn)水平，一直都在造福人民，采用創(chuàng)新技術(shù)既能提高安全性，又能提高經(jīng)濟(jì)性。