液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展_陈永祁

液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展

第28卷第3期　

2006年6月

工程抗震与加固改造

EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting

Vol.28,No.3

Jun.2006

[文章编号]　1002-8412(2006)03-0065-08

液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展

陈永祁,杜义欣(1.北京奇太振控科技有限公司,北京

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100037;2.清华大学土木工程系,北京100084)

[摘　要]　随着科学技术的发展,液体粘滞阻尼器这一新的消能技术,在大型结构工程抗震、抗风等领域中的应用越来越广泛。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。[关键词]　粘滞阻尼器;工程抗震;抗风;振动[中图分类号]　TU352.1　　　[文献标识码]　A

LatestDevelopmentoftheFluidViscousDamperinCivilEngineering

ChenYong-qi,DuYi-xin

Beijing100084,China)

Abstract:Theapplicationofthefluidviscousdamperincivilengineering,particularlyinseismicandwindprotection,hasbecomeincreasinglypopularalongwiththedevelopmentofscienceandtechnology.Ithasbeenextensivelyappliedtothehugebridges,thehigh-risesbuildingsandothersteelstructuresagainstearthquakesandwind.Inthispaper,thelatestdevelopmentofthefluidviscousdampersfromtheperspectiveofthenewmanufacturingtechnology,andthenewproducts,thenewinstallationmethodsetcaresummarized.AndtheproblemsandtheprospectsofthetrendofthefluidviscousdampersapplicationinChinascivilengineeringarediscussed.Keywords:fluidviscousdamper;anti-seismicengineering;windresistance;vibration

1

2

(1.BeijingQitaiVibrationControlTechnologyCompany,Beijing100037,China;2.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,

　　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、航天和军事工业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。虽然只有十几年的历史,却发展非常迅速,超出了我们的想象。最初的几年,有如百花齐放,很多种阻尼器都得到了试验和发展。如果加上这几年在我国高校里的发展,至少也有十几种之多,如,摩擦阻尼器、各种金属阻尼器、支座阻尼器等等。无论从理论和试验研究上看,这些阻尼器都有很多创新之处。经过结构工程界的鉴定和挑选,最受工程师们青昧,现在得到了广泛应用的是液体粘滞阻尼器。这是因为,这种阻尼器有以下明显的优点:

(1)内置液体,本身没有可计算的刚度,不影响整个结构周期和原有的设计;

(2)呈椭圆型的滞回曲线(图1),保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移的状态下受力为零,最大受力情况下位移为零,这一性能对减小结构反应十分有利

;

图1　液体粘滞阻尼器的滞回曲线

(3)可在地震和大风荷载下重复使用;(4)只要内置液体选用合适,会有很好的抗火性,几十年没有老化、变质问题。

该阻尼器的基本关系式为:

α

FD=-C·sign(V)V

[收稿日期]　2006-02-08

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这里,FD为阻尼力;C为阻尼系数;α为速度指数。本文主要介绍这种被工程界看好的液体粘滞阻尼器的最新发展,且主要侧重它的工程应用。

最近几年,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,逐步走向成熟。这种阻尼器,在我国土木工程界也逐步得到了发展和应用,如桥梁工程、高层建筑和设备基础等工程中。本文试图将这一发展作以介绍和阶段概述,从最新的制造技术、新产品、新的安装模型和新的结构应用方面进行简要的说明。

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。在我国抗震设计规范中虽有了一定的规定,有的问题尚需近一步的工作。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。简单地说我们安置阻尼器可以有以下四个目的。

(1)增加抗震、抗风能力

原结构设计可能已经满足所有规范规定的抗震抗风要求,加上液体粘滞阻尼器,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,可以大大提高结构的抗震抗风能力。同时,只要阻尼器安装的合适,如果能将阻尼器设置到不同的需要方向,还可以预防和减少原结构设计没有考虑、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。

(2)用阻尼器去防范罕遇大地震或大风

按“小震不坏,大震不倒”的设计原则,我们可以用常规的设计方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统-特别是阻尼器来等待和解决

罕遇大地震的问题,不仅使新建结构适于采用既有的设计理念,加固原设计未设防或设防不足的既有结构时也很适合。

这一理念会带来经济实用和可靠的结果,设计的好,可以为工程节省费用。国外抗震先进国家大都采用这一理念,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。

(3)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。

结构用的抗震阻尼器如果使用液体粘滞阻尼器,本身没有刚度,也就不会改变结构的频率,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。

(4)结构上的其它需要

除了提高结构主体的的抗震抗风能力外,阻尼器还能在很多其他方面的抗振动上对结构有所帮助,可以汇总如下:

①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

②超高层钢结构建筑抗风的TMD系统

③减少楼板和大型屋盖垂直振动的TMD系统④配合基础隔震的建筑,加大阻尼,减少位移⑤设备基础减振⑥特别重要的建筑———核电站、机场控制室⑦结构复杂,难于计算的建筑⑧加固工程中,空间受限,最好的选择⑨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也还在发展。2　液体粘滞阻尼器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。

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,与固定的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2所示)。这种阻尼器的效率很低,受温度的影响也比较大。

and　

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间位置,成为双出杆的系统。增加了双向运动阻尼

器的对称性,也就提高了其结构的稳定性。

(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

图2　早期的油阻尼器

制阀控制室内液体的进出,也可以是一个分开的金属缸(图5),其目的是用来控制和补充液压油的多少及阻尼参数。泰勒公司现在设计的产品采用的是高度平衡的活塞杆、活塞头,再加上绝对不漏油,也就不需要储备室。减少了这种储备室,也就减少了可能提前破坏的一个因素

。

改进后的液体阻尼器由装备活塞的圆筒中灌满硅油制成,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3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5　有外设油库的阻尼器

(3)独特的阻尼器中不设置任何阀门

有的液体阻尼器,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。

图3　改进的液体粘滞阻尼器

(4)活塞孔的改进

改进前后的活塞孔如图6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。

(5)改进密封技术

图4　美国Taylor公司液压粘滞阻尼器构造

阻尼器内装液体往复受压并要求在长期载荷作用下不泄漏,密封好坏就成了关键所在。美国泰勒公司采用的专利产品,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层,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倍以上的设计压力时,没有任何屈服、

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4展示了其技术上的独到之处。对比图3和4,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

活塞头从设置在活塞杆的一端到设在活塞杆中

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变形破坏、液体泄露等现象。

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都是不允许的。

(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。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

。

些,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

α

F=Keff·u+C﹒u

(2)

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,﹒u为活塞杆的速度,α为速度指数

。

图7　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

图6　改进前后的阻尼器内控液体流动

小孔结构比较

放置成传统的人字形式上,当然,它也能配合基础隔震的滑动支座使用。将传统的粘滞阻尼器转变成粘弹性阻尼器,增加了刚度,对结构在风荷载下限制位移能够起到良好的作用,在希腊2004奥运会的主赛馆,和平与友谊体育场上成功的应用了这种阻尼器。3.2　风限制器阻尼器(DamperswithWindRestraints)

在传统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两端运动(图8),就可以构成这种风限制阻尼器。这种阻尼器可以应用到桥梁和高层建筑上,抵抗风荷载引起的结构振动。一般地说,阻尼器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摩擦力可以调节到25%的最大地震力。在阻尼器连接两端受风振作用时,风限制装置摩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。而当阻尼器工作的结构受到较大地震荷载的作用,阻尼器两端的受力大于我们设定的开关最大力时,也就是

and　作到了上述制造技术的改进,使得美国泰勒公司生产的液体粘滞阻尼器确保了产品的质量和35年的免维护。

3　阻尼器的新品种

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,各公司不断推出新产品,我们介绍几种在原有液体粘滞阻尼器基础上的改进和工程应用:液体粘弹性阻尼器、风限位阻尼器、熔断阻尼器和大型桥梁限位阻尼器等,下面就目前已经应用到工程中的新型阻尼器分别进行介绍。3.1　粘弹性阻尼器(Viscous-elasticDampers)

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。泰勒公司为这一目的设计和制造了这种新阻尼器(图7),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

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超过风限制装置的最大静摩擦力时,摩擦环脱开,两

端发生相对运动,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。这时,摩擦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9),该限制装置的摩擦力的大小可以自己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都可以安置,方便推广

。

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10%～15%最大地震力,有效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

[3]

。

图8　风限制器阻尼器

图10　南海湾办公楼

3.3　熔断阻尼器(FuseDamper)

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受力达到一个特定值时才可以工作。在美国旧金山附近的RichmondSanRafael大桥上,泰勒公司提供了设计值为2270kN的熔断阻尼器装置,这个装置有一个在1250kN时断裂的金属保险片。

图9　风限制器阻尼器的本构关系

如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载,当受力低于1250kN时,阻尼器两端间并不运动;如果有地震导致1250kN甚至更大的荷载时,金属保险片将断裂,阻尼器将像一个一般的2270kN的阻尼器那样工作。当保险片断裂以后,需要进行更换,简单地更换保险片后阻尼器可继续使用

。

当然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。由连廊连接的两个以上塔型复合结构,很容易因为塔的运动不同使连廊在连接处破坏。由隔振垫和风限制阻尼器联和使用可以有效地避免和控制这一破坏发生。对于柔性建筑,用风限制阻尼器设置的对角或其它形式的支撑,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SanJose的南海湾办公楼(图10),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框架连接。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的振动问题。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欠缺,当地震发生时,它还会破坏,不能重复使用。Saiful-Bouquet设计

.3图11　熔断阻尼器

3.4　限位阻尼器

我国交通公路规划设计院设计的世界跨度最大的斜拉桥-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±