液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展

1、文章編號 1002-8412(200603-0065-08液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展陳永祁1,杜義欣2(1.北京奇太振控科技有限公司,北京100037; 2.清華大學(xué)土木工程系,北京100084摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,液體粘滯阻尼器這一新的消能技術(shù),在大型結(jié)構(gòu)工程抗震、抗風(fēng)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。本文在收集大量資料的基礎(chǔ)上,從制造技術(shù)、新產(chǎn)品、新的安裝工藝等幾個方面總結(jié)了液體粘滯阻尼器在近十幾年內(nèi)的新發(fā)展,并對粘滯阻尼器在我國土木工程界應(yīng)用發(fā)展上的問題和前景進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞 粘滯阻尼器;工程抗震;抗風(fēng);振動中圖分類號 TU35211 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ALatest Develop

2、ment of the Fluid Viscous Damper in Civil EngineeringChen Yong -qi 1,Du Yi -xin2(1.Bei j ing Qita i Vibration Control Technology Com pany ,Beijing 100037,China ; 2.Department of Civil En gineering ,Tsin ghua University ,Beijin g 100084,Ch ina Abstract :The application of the fluid viscous damper in

3、civil engineering ,particularly in seismic and wind protection,has become increasingly popular along with the develop ment of science and technology.It has been extensively applied to the huge bridges,the high -rises buildings and other steel structures against earthquakes and wind.In this paper,the

4、 latest development of the fluid viscous dampers from the perspecti ve of the new manufacturing technology ,and the new products,the new installation methods etc are summarized.And the p roblems and the prospects of the trend of the fluid viscous damper p s application in China p s civil engineering

5、 are discussed.Keywords :fluid vi scous damper;ant-i seis mic engineering;wind resistance;vibration收稿日期 2006-02-08作為二十世紀(jì)結(jié)構(gòu)工程界最偉大的科技成果之一:結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng),特別是各種耗能阻尼器,得到了廣泛的認(rèn)同。從五十年代開始在機(jī)械、車輛、航天和軍事工業(yè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用的液體粘滯阻尼器,八十年代末開始在美國的建筑結(jié)構(gòu)和橋梁工程界試驗、研究及應(yīng)用。雖然只有十幾年的歷史,卻發(fā)展非常迅速,超出了我們的想象。最初的幾年,有如百花齊放,很多種阻尼器都得到了試驗和發(fā)展。如果加上這幾年在我國高校

6、里的發(fā)展,至少也有十幾種之多,如,摩擦阻尼器、各種金屬阻尼器、支座阻尼器等等。無論從理論和試驗研究上看,這些阻尼器都有很多創(chuàng)新之處。經(jīng)過結(jié)構(gòu)工程界的鑒定和挑選,最受工程師們青昧,現(xiàn)在得到了廣泛應(yīng)用的是液體粘滯阻尼器。這是因為,這種阻尼器有以下明顯的優(yōu)點:(1內(nèi)置液體,本身沒有可計算的剛度,不影響整個結(jié)構(gòu)周期和原有的設(shè)計;(2呈橢圓型的滯回曲線(圖1,保證了安置在結(jié)構(gòu)上的阻尼器在最大位移的狀態(tài)下受力為零,最大受力情況下位移為零,這一性能對減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)十分有利 ;圖1 液體粘滯阻尼器的滯回曲線(3可在地震和大風(fēng)荷載下重復(fù)使用;(4只要內(nèi)置液體選用合適,會有很好的抗火性,幾十年沒有老化、變質(zhì)問題。該

7、阻尼器的基本關(guān)系式為:F D =-C #sign(V VA(1第28卷第3期2006年6月工程抗震與加固改造Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.28,No 13Jun.2006Earthquake Resistant Engineering and Retrofi tting Vol.28,No.3 2006這里,F D為阻尼力;C為阻尼系數(shù);A為速度指數(shù)。本文主要介紹這種被工程界看好的液體粘滯阻尼器的最新發(fā)展,且主要側(cè)重它的工程應(yīng)用。最近幾年,隨著粘滯阻尼器在土木工程中的廣泛使用,液體粘滯阻尼器無論從制造技術(shù)上,還是設(shè)置方

8、式上都有了很大進(jìn)展,逐步走向成熟。這種阻尼器,在我國土木工程界也逐步得到了發(fā)展和應(yīng)用,如橋梁工程、高層建筑和設(shè)備基礎(chǔ)等工程中。本文試圖將這一發(fā)展作以介紹和階段概述,從最新的制造技術(shù)、新產(chǎn)品、新的安裝模型和新的結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面進(jìn)行簡要的說明。1阻尼器應(yīng)用的設(shè)計目標(biāo)和理念我國現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范中并沒有關(guān)于有關(guān)阻尼器的明確規(guī)定。在我國抗震設(shè)計規(guī)范中雖有了一定的規(guī)定,有的問題尚需近一步的工作。結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)阻尼器應(yīng)用發(fā)展情況,我們提出在結(jié)構(gòu)上使用阻尼器的目標(biāo)和理念。簡單地說我們安置阻尼器可以有以下四個目的。(1增加抗震、抗風(fēng)能力原結(jié)構(gòu)設(shè)計可能已經(jīng)滿足所有規(guī)范規(guī)定的抗震抗風(fēng)要求,加上液體粘滯阻尼器,在振動過程

9、中起到耗能和增加結(jié)構(gòu)阻尼作用,從而降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基底剪力,也就可以減少整個結(jié)構(gòu)的受力,可以大大提高結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)能力。同時,只要阻尼器安裝的合適,如果能將阻尼器設(shè)置到不同的需要方向,還可以預(yù)防和減少原結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有考慮、或考慮不足的振動受力。對特別重要的結(jié)構(gòu),高發(fā)地震區(qū),花錢不多,設(shè)置這一第二防線是很值得的。對于非嚴(yán)重地震區(qū),國外也常用阻尼器達(dá)到增加抗震能力的目的。(2用阻尼器去防范罕遇大地震或大風(fēng)按/小震不壞,大震不倒0的設(shè)計原則,我們可以用常規(guī)的設(shè)計方法使設(shè)計滿足多遇地震的抗震要求。對于罕遇的大地震可能顯得不足或不經(jīng)濟(jì)。用結(jié)構(gòu)的被動保護(hù)系統(tǒng)-特別是阻尼器來等待和解決罕遇大地震的問題,不僅使新

10、建結(jié)構(gòu)適于采用既有的設(shè)計理念,加固原設(shè)計未設(shè)防或設(shè)防不足的既有結(jié)構(gòu)時也很適合。這一理念會帶來經(jīng)濟(jì)實用和可靠的結(jié)果,設(shè)計的好,可以為工程節(jié)省費用。國外抗震先進(jìn)國家大都采用這一理念,也是我們主要想提出推廣的設(shè)計理念。在所有可能發(fā)生地震的地區(qū),我們都建議按這一理念來作設(shè)計。(3解決常規(guī)辦法難予解決的問題在結(jié)構(gòu)設(shè)計中有時遇到高地震烈度、土質(zhì)情況惡劣的地區(qū),單純的加大梁柱的尺寸會引起結(jié)構(gòu)剛度增加,周期減小,其結(jié)果可能引起更大的地震力。結(jié)構(gòu)落入這一惡性循環(huán)中,有時用常規(guī)的辦法難于解決。著名的墨西哥市長大樓就提供了一個解脫這一惡性循環(huán)的榜樣。結(jié)構(gòu)用的抗震阻尼器如果使用液體粘滯阻尼器,本身沒有剛度,也就不會改

11、變結(jié)構(gòu)的頻率,阻尼器增加了結(jié)構(gòu)的阻尼比,起到耗能的作用,比較容易解決這一困難問題。在高烈度地震區(qū),設(shè)計變得很困難的情況下,建議加入液體粘滯阻尼器重新作一下分析,可能你會得到預(yù)想不到的好結(jié)果。(4結(jié)構(gòu)上的其它需要除了提高結(jié)構(gòu)主體的的抗震抗風(fēng)能力外,阻尼器還能在很多其他方面的抗振動上對結(jié)構(gòu)有所幫助,可以匯總?cè)缦?¹大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、體育場館,特別是開啟式屋頂運動中的減振º超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗風(fēng)的TMD系統(tǒng)»減少樓板和大型屋蓋垂直振動的TMD系統(tǒng)¼配合基礎(chǔ)隔震的建筑,加大阻尼,減少位移½設(shè)備基礎(chǔ)減振¾特別重要的建筑核電站、機(jī)場控制室¿

12、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難于計算的建筑À加固工程中,空間受限,最好的選擇Á軍事工程,抗爆工程對我們結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用說來,阻尼器還是個新生事物。它的應(yīng)用方面和理念也還在發(fā)展。2液體粘滯阻尼器制造技術(shù)的改進(jìn)提高最初,人們用一種粘性固體-硅膠作為阻尼器的中間介質(zhì)。隨后卻很快發(fā)現(xiàn),這種受溫度影響大的固體材料作阻尼器的介質(zhì)有很大的不足,性能穩(wěn)定的液體硅油是更理想的材料。早期的液體粘滯阻尼器像一個長方形的容器,其中充滿油料,由活塞桿帶動一組平板,與固定的另一組平板之間產(chǎn)生剪切運動,由于油的粘性產(chǎn)生阻力,起到阻尼器的作用(如圖2所示。這種阻尼器的效率很低,受溫度的影響也比較大。#66#工程抗震與加固改造2

13、006年6月Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June2006 圖2 早期的油阻尼器改進(jìn)后的液體阻尼器由裝備活塞的圓筒中灌滿硅油制成,當(dāng)活塞在外力作用下往復(fù)運動時,活塞頭擠壓油通過導(dǎo)油小孔,從而產(chǎn)生很大的阻力。當(dāng)活塞桿向油缸內(nèi)部運動時,缸體內(nèi)的油受到壓縮。相反,當(dāng)活塞桿向油缸外運動時,密封部分的油缸體積將增大,出現(xiàn)類似于抽成真空的現(xiàn)象,導(dǎo)致阻尼器產(chǎn)生在拉壓情況不同的性態(tài)。為了消除這種現(xiàn)象,阻尼器設(shè)置了圖3中的調(diào)節(jié)油壓室,允許主油缸中的高壓油有控制地向調(diào)節(jié)油壓室流動或反之,這樣可以起到平衡的作用,這類阻尼器的設(shè)計和制造的關(guān)鍵技術(shù)在

14、導(dǎo)油孔、 補(bǔ)油和泄壓裝置。圖3 改進(jìn)的液體粘滯阻尼器 圖4 美國Taylor 公司液壓粘滯阻尼器構(gòu)造近幾年,美國泰勒公司在研究應(yīng)用阻尼器幾十年成果的積累下,對液體粘滯阻尼器的構(gòu)造作了進(jìn)一步的改進(jìn)。圖4展示了其技術(shù)上的獨到之處。對比圖3和4,美國泰勒公司對阻尼器的主要改進(jìn)在以下幾個方面:(1在單出桿的基礎(chǔ)上改進(jìn)成雙出桿,提高了穩(wěn)定性活塞頭從設(shè)置在活塞桿的一端到設(shè)在活塞桿中間位置,成為雙出桿的系統(tǒng)。增加了雙向運動阻尼器的對稱性,也就提高了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。(2在確保不漏油的基礎(chǔ)上取消了內(nèi)設(shè)油庫,提高了可靠性液體粘滯阻尼器的設(shè)計一般需要一個儲備室。儲備室可以和阻尼器用同一個金屬缸體,用一個控制閥控制室

15、內(nèi)液體的進(jìn)出,也可以是一個分開的金屬缸(圖5,其目的是用來控制和補(bǔ)充液壓油的多少及阻尼參數(shù)。泰勒公司現(xiàn)在設(shè)計的產(chǎn)品采用的是高度平衡的活塞桿、活塞頭,再加上絕對不漏油,也就不需要儲備室。減少了這種儲備室,也就減少了 可能提前破壞的一個因素。圖5 有外設(shè)油庫的阻尼器(3獨特的阻尼器中不設(shè)置任何閥門有的液體阻尼器,為了達(dá)到控制硅油流量或使速度指數(shù)小于013的目的時,設(shè)置內(nèi)部閥門,所增加的內(nèi)部易損零件會減少阻尼器的壽命,降低可靠性。(4活塞孔的改進(jìn)改進(jìn)前后的活塞孔如圖6所示,其改變了加速油孔的位置,提高了工作效率;由原來的一側(cè)設(shè)置輔助吸入孔和加速吸入孔改為兩側(cè)對稱設(shè)置,并且增加了單向流動轉(zhuǎn)向壩,硅油在

16、其中只能單向流動,設(shè)計更為合理、效率更高。(5改進(jìn)密封技術(shù)阻尼器內(nèi)裝液體往復(fù)受壓并要求在長期載荷作用下不泄漏,密封好壞就成了關(guān)鍵所在。美國泰勒公司采用的專利產(chǎn)品,尼龍制成的雙重密封系統(tǒng),可以確保阻尼器內(nèi)部硅油使用35年不泄漏。(6材料進(jìn)行了改進(jìn)活塞桿用不銹鋼取代易磨損的電鍍層,阻尼器的使用壽命更長,更不容易損壞。缸體用一個無縫的圓柱整體鋼管組成,阻尼器的缸體裝滿液體,承擔(dān)著阻尼器工作壓力和可能的超載壓力,該設(shè)計使鋼管在承受115倍以上的設(shè)計壓力時,沒有任何屈服、第28卷第3期陳永祁,等:液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展#67 #Earthquake Resistant Engineerin

17、g and Retrofi tting Vol.28,No.3 2006變形破壞、液體泄露等現(xiàn)象。為了避免焊縫對阻尼器運動中壽命的降低,在阻尼器上的任何焊接都是不允許的。(7更精密的加工高度拋光的活塞桿不允許有任何變形、銹蝕,泰勒公司采用高強(qiáng)不銹鋼活塞桿,活塞桿的設(shè)計要求承受運動過程中的任何載荷,不允許變形。要求和活塞缸緊密結(jié)合的活塞頭把阻尼器分成兩個液腔。阻尼器缸體精確的加工和拋光是阻尼器不漏油 的另一保證。圖6 改進(jìn)前后的阻尼器內(nèi)控液體流動小孔結(jié)構(gòu)比較作到了上述制造技術(shù)的改進(jìn),使得美國泰勒公司生產(chǎn)的液體粘滯阻尼器確保了產(chǎn)品的質(zhì)量和35年的免維護(hù)。3 阻尼器的新品種阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用的不

18、斷發(fā)展,不同的工程也對阻尼器提出了不同的要求,各公司不斷推出新產(chǎn)品,我們介紹幾種在原有液體粘滯阻尼器基礎(chǔ)上的改進(jìn)和工程應(yīng)用:液體粘彈性阻尼器、風(fēng)限位阻尼器、熔斷阻尼器和大型橋梁限位阻尼器等,下面就目前已經(jīng)應(yīng)用到工程中的新型阻尼器分別進(jìn)行介紹。311 粘彈性阻尼器(Viscous -elastic Dampers在實際工程中,有時我們需要阻尼器同時具有速度型耗能和位移型剛性彈簧的雙重作用,這就是我們常說的粘彈性阻尼器。泰勒公司為這一目的設(shè)計和制造了這種新阻尼器(圖7,粘彈性阻尼器外表跟一般的液體粘滯阻尼器一樣,只不過稍微長一些,長度最大可長出約30cm 左右。這種阻尼器的液壓缸分成阻尼和液體彈簧

19、兩部分。在阻尼器部分是完全相同于傳統(tǒng)的液壓粘滯阻尼器,而彈簧部分是一個雙向作用的液體彈簧。在缸中運動的是串在一根軸上的兩個活塞,這兩個活塞各在一部分油缸內(nèi)工作。阻尼器部分活塞往復(fù)運動產(chǎn)生阻尼,另一個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,該裝置的計算公式為F =K eff #u +C ÛuA(2其中,F eff 為液體彈簧等效剛度;C 為阻尼器的阻尼值;u 為活塞桿的位移,Ûu 為活塞桿的速度,A 為速 度指數(shù)。圖7 粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器的本構(gòu)關(guān)系可以用阻尼器部分加上彈簧部分來反映。上示公式可以直接輸入SUP20

20、00或E TAB S 等計算機(jī)程序中進(jìn)行分析計算。在安置中,該裝置可以設(shè)置成對角支撐型式,也可以放置成傳統(tǒng)的人字形式上,當(dāng)然,它也能配合基礎(chǔ)隔震的滑動支座使用。將傳統(tǒng)的粘滯阻尼器轉(zhuǎn)變成粘彈性阻尼器,增加了剛度,對結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下限制位移能夠起到良好的作用,在希臘2004奧運會的主賽館,和平與友誼體育場上成功的應(yīng)用了這種阻尼器。312 風(fēng)限制器阻尼器(Dampers with Wind Restraints在傳統(tǒng)液體粘滯阻尼器上加一個簡單的機(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動(圖8,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

21、的結(jié)構(gòu)振動。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%。我們在阻尼器的外表面加一個可以滑動的金屬卡環(huán),該環(huán)與阻尼器外筒的摩擦力可以調(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,風(fēng)限制裝置摩擦力阻止了阻尼器兩端滑動,相當(dāng)于有了一個受力開關(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設(shè)定的開關(guān)最大力時,也就是#68 #工程抗震與加固改造2006年6月Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June 2006超過風(fēng)限制裝置的最大靜摩擦力時,摩擦環(huán)脫開,兩端發(fā)生相對運動,阻

22、尼器開始發(fā)生耗能作用。該結(jié)構(gòu)像普通阻尼器一樣工作,減振和耗能。這時,摩擦裝置給阻尼器帶來模型上的變化可見速度和力的變化曲線(圖9,該限制裝置的摩擦力的大小可以自己在應(yīng)用時作一定范圍的調(diào)整,這種風(fēng)動限制器設(shè)計安裝方便,在一般的粘滯阻尼器上都可以安置,方 便推廣。圖8 風(fēng)限制器阻尼器 圖9 風(fēng)限制器阻尼器的本構(gòu)關(guān)系當(dāng)然這種阻尼器可以用來配合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)來限制結(jié)構(gòu)位移,在阻止風(fēng)荷載帶來的位移的同時,還能夠保持阻尼器在地震作用下的耗能作用。由連廊連接的兩個以上塔型復(fù)合結(jié)構(gòu),很容易因為塔的運動不同使連廊在連接處破壞。由隔振墊和風(fēng)限制阻尼器聯(lián)和使用可以有效地避免和控制這一破壞發(fā)生。對于柔性建筑,用風(fēng)限制阻

23、尼器設(shè)置的對角或其它形式的支撐,在風(fēng)振時能像剛性連桿一樣提供一定支撐的剛度,而當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,它又可以像傳統(tǒng)的阻尼器那樣工作,起到耗能隔震的作用。座落在美國舊金山地區(qū)的San Jose 的南海灣辦公樓(圖10,是30年前建成的幾座鋼筋混凝土塔樓,塔樓之間用懸掛式鋼框架連接。這個鋼連接部分很容易產(chǎn)生樓板的振動。特別是在風(fēng)荷載下引起很大的振動問題。過去只是簡單地安裝了一些鋼桿阻止風(fēng)動,這種簡單的鋼桿有很多欠缺,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,它還會破壞,不能重復(fù)使用。Saifu-l B ouquet 設(shè)計并采用了風(fēng)限制阻尼器,得到了理想的解決方案,風(fēng)限制器設(shè)計承受10%15%最大地震力,有效地阻止了風(fēng)對這個鋼框架的影

24、響。而超過限制力的最大力時阻尼器發(fā)生作用,更好地保護(hù)了結(jié)構(gòu),該裝置可以重復(fù)使用,從目前的運行狀況來看十分成功3 。圖10 南海灣辦公樓313 熔斷阻尼器(Fuse Damper 類似風(fēng)限制阻尼器,熔斷阻尼器比一般的液體粘滯阻尼器多一個金屬熔斷裝置,這個熔斷裝置限制阻尼器直到受力達(dá)到一個特定值時才可以工作。在美國舊金山附近的Richmond San Rafael 大橋上,泰勒公司提供了設(shè)計值為2270kN 的熔斷阻尼器裝置,這個裝置有一個在1250kN 時斷裂的金屬保險片。如果阻尼器受到風(fēng)荷載、剎車荷載或者小的地震荷載,當(dāng)受力低于1250kN 時,阻尼器兩端間并不運動;如果有地震導(dǎo)致1250kN

25、 甚至更大的荷載時,金屬保險片將斷裂,阻尼器將像一個一般的2270kN 的阻尼器那樣工作。當(dāng)保險片斷裂以后,需要進(jìn)行更換,簡 單地更換保險片后阻尼器可繼續(xù)使用。圖11 熔斷阻尼器314 限位阻尼器我國交通公路規(guī)劃設(shè)計院設(shè)計的世界跨度最大的斜拉橋-蘇通大橋為了防止預(yù)想不到的特大風(fēng)和地震可能給橋帶來的超量位移,設(shè)計了一種新型帶限位的阻尼器。該阻尼器在兩端最大位移超過?第28卷第3期陳永祁,等:液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展#69 #Earthquake Resistant Engineering and Retrofi tting Vol.28,No.3 2006# 70# 工程抗震與加固改

26、造 2006 年 6 月 750mm 時阻尼器進(jìn)入兩端彈簧限位階段。限位由非 線性 彈 簧 板 實 現(xiàn)。 限 位 可 達(dá) 最 大 附 加 位 移 ? 100mm, 限位力可達(dá) 980 噸。這一超大的阻尼器見 圖 12。 別適用于柱間距離小、 放置阻尼器困難的結(jié)構(gòu)。圖 13 中還列出了各種安裝方式 的阻尼力放大系數(shù) f 和阻尼比 B。 以一個單層結(jié)構(gòu)安置線性阻尼器為例, u 和 u D 分別表示結(jié)構(gòu) 的層間位移和阻尼器兩 端的相對位 移, 則 uD = f # u ( 3 式中, f 為放大系數(shù), 具體取值如圖 13 所示。從圖 圖 12 蘇 通大橋限位阻尼器 4 新的安裝模型 中, 按照力的平

27、衡, 可以分析出整個阻尼裝置提供的 力 F 和阻尼器的阻尼力 F D 分別為 F = f # FD 根據(jù)線性阻尼器的工作原理, 有 F D = C 0 # ÛD u 入公式( 4 , 可以得到 F = C0 # f # FD = C0 # f # Û u 2 阻尼器安裝在建筑的不同位置, 可以達(dá)到設(shè)計 的不同目的。隨著阻尼器在結(jié)構(gòu)抗震、 抗風(fēng)等工程 項目上應(yīng)用的發(fā)展, 很多結(jié)構(gòu)上采用了不同安裝方 式、 組成不同類型的安置模型?？偨Y(jié)目前阻尼器在 結(jié)構(gòu)上的安裝方式, 在傳統(tǒng)的對角支撐( diagonal 和 人字型支 撐( chevron 的基 礎(chǔ)上又發(fā)展 了套索式 支 撐、

28、剪刀式支撐等幾種, 如圖 13 所示。此外, 當(dāng)然還 可以配合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)、 TMD 系統(tǒng)等使用方式。 ( 4 ( 5 式中, C 0 為阻尼器的阻尼系數(shù)。將公式( 3 、 5 代 ( ( 6 式中, Û 為層間速度。這樣, 單層框架結(jié)構(gòu)安裝的線 u 4 性流體粘滯阻尼裝置的阻尼比可以寫成 B= C0 # f # g # T 4 # P# W 2 ( 7 從式( 7 中可以看出, 對于這個單自由度系統(tǒng), 放大 系數(shù)對整個裝置的阻尼比影響是很大的, 阻尼比正 比于放大系數(shù)的平方。 5 幾個最新應(yīng)用工程 近年來, 各種阻尼裝置在橋梁和建筑物的抗震 加固和新建工程中有了越來越多的應(yīng)用。這里

29、我們 簡單介紹國內(nèi)幾個新工程: ( 1 世界跨度最大的斜拉橋 蘇通大橋 即將使用的世界上首次加設(shè)附加限位的特大型 阻尼器 ( 6580kN、 850mm 正在生產(chǎn)中。該阻尼器 ? 設(shè)計組提出了一整套我國目前還沒有條件進(jìn)行的阻 尼器出廠檢驗和預(yù)檢測。無疑, 觀察和學(xué)習(xí)研究這 一測試過程會給我國橋梁界編制設(shè)計規(guī)范和檢測規(guī) 程起到很大幫助。 圖 13 阻尼器的常見安裝形式 該阻尼器上還將設(shè)置一套我國首例阻尼器的在 線健康檢測系統(tǒng)。 1 ( 2 北京目前最高建筑 - 銀泰中心 座落在北京長安街上 62 層的柱筒型鋼結(jié)構(gòu) 銀泰中心, 是目前北京最高的建筑( 249m 。該結(jié)構(gòu) 設(shè)計 使 用 了 73 個

30、 液 體 粘 滯 阻 尼 器 ( 1200kN、? 100mm 來增加結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力。當(dāng)然, 在設(shè)置了阻尼 器后對結(jié)構(gòu)抗震也有很大幫助。該阻尼器不僅在美 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting June 2006 美國泰勒公司申報了專利的套索式安裝形式把 阻尼器兩端的位移放大, 也就起到把阻尼器的效果 放大的作用, 提高效率 2 倍以上。這樣的安裝系統(tǒng), 使阻尼器更容易地應(yīng)用到阻尼器兩端位移較小的剛 性框架結(jié)構(gòu)體系中。美國 Constantinou 教授 申報專 利的剪刀支撐安裝方式, 比套索安裝形式更緊湊, 特 第 28 卷第 3 期

31、 陳永祁, 等: 液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的最新進(jìn)展 # 71 # 國經(jīng)過了嚴(yán)格的出廠檢驗, 運到國內(nèi)后還在哈爾濱 建工學(xué)院進(jìn)行了測試檢驗。這些檢測對我國專家更 好的認(rèn)識阻尼器、 更好的編制阻尼器測試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī) 程, 都是很有幫助的。我們的計算分析結(jié)果 1, 2 和國 圖 14 Jarret 滯回曲線 外的一些工程結(jié)果一致, 證明在高層結(jié)構(gòu)中只要設(shè) 計的合理, 阻尼器都會起到很好的作用。 ( 3 鄭州會展中心 TMD 樓板減振系統(tǒng) 在鄭州會展中心工程中, 考慮到會議廳二層作 為舞廳, 迪斯科的跳舞者可能會引起二樓樓板巨大 的振動。為了減少這一振動, 設(shè)計者設(shè)置了 36 套與 樓板自振頻率相同的

32、 TMD 系統(tǒng)。經(jīng)試驗后全部安 裝完成。 除此之外, 在南京長江三橋引橋上已經(jīng)設(shè)置了 54 個阻尼器( 1500kN、 150mm ; 吉林省龍巖松花江 ? 7 孔連續(xù)梁橋上安置了 16 個 1800kN 的鎖定裝置; 在 我國著名的目前第一大懸索大橋- 江陰大橋上也將 安置 4 個特大型阻尼器( 1000kN、 1000mm, 6850mm ? 長 ; 山東兗州電廠設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)置了阻尼器減振系 統(tǒng)等工程相繼完成。在我國, 越來越多的橋梁、 中高 層建筑、 大型場館中應(yīng)用到了液體粘滯阻尼器, 這一 新的技術(shù), 為我們結(jié)構(gòu)工程師開辟了一個減振控制 的新途徑。 6 其它粘滯阻尼器 在我國和世界建筑、

33、 橋梁工程中也有其它幾種 粘滯阻尼器得到應(yīng)用, 有的也以新型阻尼器的面目 出現(xiàn)。我們也對這些阻尼器作一個簡單介紹。 611 法國 Jarret 阻尼器 5 阻尼器。它所遵循的本構(gòu)關(guān)系同于公式( 1 , 與其它 阻尼器不同的是選 用很低的速度 指數(shù) 01015, 接近 于 0, 這種阻尼器接近摩擦型阻尼器, 它的外型和滯 回曲線如圖 15、 16 所示。 圖 圖 15 Maurer 阻尼器 圖 16 Maurer 滯回 曲線 613 日本阻尼墻(Viscous Damper Wall 1988 年, 日本 Sumitomo 建筑公司研制了一種粘 滯墻體 , 這種墻體由裝有高粘滯油液的墻和可在 其

34、中運動的板組成。上世紀(jì)九十年代初, 阻尼墻在 日本 Shizuka 市被用于新建的 SUT 大樓的抗震。該 建筑由一個 78m 高的 14 層地上鋼框架結(jié)構(gòu)和一個 兩層鋼筋混凝土地下室構(gòu) 成。在鋼框 架中共用了 170 個阻尼墻, 將建筑的有效阻尼比在 20 e 時提高 了 27% 。阻 尼墻 將結(jié) 構(gòu) 動力 響應(yīng) 降低 了 70% 80% 。 7 阻尼器在我國應(yīng)用存在的問題及其前景 近些年來, 隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的加強(qiáng), 大型公共 建筑和橋梁的飛速發(fā)展, 阻尼器在我國土木工程界 的發(fā)展很快, 還將有更大的發(fā)展空間。在美國阻尼 器的大量應(yīng)用是經(jīng)過十幾年的發(fā)展過程。這是一個 從基礎(chǔ)研究到工程鑒定、

35、 從大量的試驗到設(shè)計規(guī)范、 直到 140 多個大型工程的應(yīng)用過程。在我國, 基礎(chǔ) 研究和大量的使用比起來就顯得不足。各種各樣的 問題有待我們?nèi)ジ倪M(jìn)和提高。這里提出幾點進(jìn)行討 論: ( 1 缺少相 應(yīng)的設(shè)計 規(guī)范和阻 尼器驗收 規(guī)程。 隨著阻尼器的發(fā)展, 最重要的莫過于建立一個完善 的規(guī)范, 我國設(shè)計規(guī)范中的很多問題還有待研究。 ( 2 測試手段和測試規(guī)程。液體粘滯阻尼器是 4 這是一種用硅膠作粘滯材料的阻尼器。在美國 州立大學(xué)布法羅分校作的試驗研究得到該阻尼器的 滯回曲線和本構(gòu)關(guān)系式為: ( K 1 - K 2 x x FD = K 2 x + + C # sign( Û Û

36、; x x 2 x max K 1x 1+ Py A ( 8 該阻尼器的阻尼力分為位移影響的剛度部分和速度 引起的粘滯部分。式中 K 1 、 2 分別為阻尼 器的第 K 一和第二剛度。P y 為阻尼靜壓力。 A為速度指數(shù)。 該阻尼器的耗能系數(shù)小于 40% 。在法國 Jarret 公司被美國 Enidine 公司買去后, 它也可以生產(chǎn)液體 粘滯阻尼器。 612 德國 Maurer 液體阻尼器 德國 Maurer 公司近幾年也 開始生產(chǎn)液體 粘滯 Vol. 28, No. 3 2006 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting # 72#

37、工程抗震與加固改造 2006 年 6 月 速度型的設(shè)備, 阻尼器在有速度的情況下產(chǎn)生阻尼 力, 需要做要求比較高的動力試驗, 這和位移型試驗 有很大不同。目前我國現(xiàn)有的試驗設(shè)備加載速度只 能達(dá)到 100mmP 200mmP 這對于測試阻尼器是遠(yuǎn) s s, 遠(yuǎn)不夠的, 滿足不了工程和設(shè)計的要求。泰勒公司 相應(yīng)的動力設(shè)備可達(dá) 1800mmP 表 1 。 s( 表1 測試設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo) 美國泰勒 公司水平 動力設(shè)備 7500 kN ? 1000mm 美國泰勒 公司垂直 下落設(shè)備 8907 kN 1410mm 提高很有必要。很多人對速度型阻尼器的基本概念 和了解有待加強(qiáng)。 總之, 近十幾年來, 隨著

38、橋梁工程、 抗震工程等 在我國的發(fā)展, 阻尼器在我國土木工程界應(yīng)用越來 越廣泛, 隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大, 阻尼器在我 國有十分廣闊的應(yīng)用空間。我們已有了一個很好的 開始。隨著進(jìn)一步的完善, 一定會有更加廣闊的發(fā) 展前景。 哈爾濱工業(yè)大 學(xué)力學(xué)與結(jié)構(gòu) 試驗中心 測試最大出力 測試最大沖程 測試最大速度 2500kN ? 150mm 100mmPs 參考文獻(xiàn): 1 馬良 , 陳永 祁. 銀泰 中心主 塔樓 采用粘 滯阻 尼器 的 消能減振設(shè)計 A . 第五屆全國結(jié)構(gòu)減震 控制學(xué)術(shù)研討 會論文集 C . 2005, 12. 2 李曉楠, 趙 均, 陳永祁. 高層建筑粘滯阻 尼器安裝的一 種新形

39、式 A . 第十屆高層建筑抗震技術(shù) 交流會論文集 C . 2005, 12. 3 Saiful Islam, Johnny Kwok, Hui Wu. Seismic Retrofit of a Suspend Floor High -Rise 4 Building Using an Energy Dissipation System. AT C 17 2 case studies. - Ani N Sigaher and Constantinou M C. Scissor Jack Damper Energy Dissipation J . Earthquake Spectra, Volume 19, No. 1, page 133 158. 5 Pekcon G Mander J B and Chen S S. The Seismic Response of a 1B3 Scale Model R. C. Structure with Elasto