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90年代末，液體黏滯阻尼器開始用于我國的結構抗震工程項目，結構的消能減振設計也慢慢受到人們的重視，日趨成熟。論文就結構消能減振設計中采用液體黏滯阻尼器的減振技術做一簡單介紹，內容包括產品、檢測、設計計算方法的發展及種類和特點介紹，以及部分典型工程實例的介紹，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.

【關鍵詞】阻尼器；抗震；抗風；加固；附加阻尼比

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

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

1 發展簡介

液體粘滯阻尼器最初用在軍工領域中，從20世紀70年代后，人們開始逐漸把采用阻尼器吸振耗能的這項技術運用在建筑、橋梁等工程中，從以膠泥為介質的第一代產品發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，發展十分迅猛。在液體黏滯阻尼器（以下簡稱“阻尼器”）的發展中，有以下幾件代表性事件：

①在2003年發生的7.6級極具破壞性的墨西哥地震中，安裝了98個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構的一個榜樣[1]。

②阻尼器在我國建筑行業的發展近年來也非常快。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，主要用來控制結構受風振的影響；鄭州會展中心，為大跨度空間結構，其上使用了36套TMD調諧質量阻尼器系統，用來減少二樓舞廳人群跳舞可能引起的樓板共振。此外，我國的相關設計規范和規程也正在逐步完善，盡管目前還存在很多問題，但從發展趨勢看來，液體粘滯阻尼器的應用必將成為一種趨勢。

2 阻尼器減振設計目標和理念

傳統建筑已經有上百年的抗風抗震歷史，為什么還要考慮使用結構消能減振系統？為什么要將液體粘滯阻尼器使用在建筑上？從概念上看，這是因為：

①科學技術不斷發展，為結構工程問題的解決提供了新的思路；

②消能減振設計為結構抗震、抗風提供了更加經濟有效的方法；

③地震為偶然荷載，因此用結構保護系統代替結構的豎向承力系統來承擔地震力，更為合理；

④結合國內外阻尼器發展應用的情況以及工程經驗體會，簡單地說，安置阻尼器有以下幾個目的。

第一，增加抗震、抗風能力；

第二，用阻尼器去防范大地震或大風；

第三，減少結構內部附屬結構、設備、儀器儀表等的振動；

第四，解決常規辦法難予解決的問題；

第五，結構上的其它需要。

3 阻尼器的技術特點

①準確的定量產品；

②不設置閥門和油庫的耐用產品；

③完全實現不漏油的產品；

④抗震和抗風能準確工作的產品；

⑤1.5-2倍以上的安全系數；

⑥各種特殊需要的阻尼器。

4 阻尼器的應用

4.1 高層結構阻尼器抗震

新疆某項目為框架剪力墻鋼筋混凝土結構，高78米，共計26層（含兩層地下室）。其減震設計思路如下：該項目場地設防烈度8度（0.3g），該結構主體采用8度（0.2g）對應的地震影響系數進行設計，然后通過對原結構安置阻尼器，使該結構可以在8度（0.3g）對應的地震加速度時程作用下，仍然符合規范的各項要求。本工程安置了56個液體黏滯阻尼器，阻尼器的參數為：C=1400kN（s/m）α，α=0.3[2]。安裝前后對比結果如圖1：

4.2 結構加固

20世紀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構安全隱患，但加固的費用如果低于拆除重建，我們就會選擇采用結構加固的辦法，花少量投資來維修、加固來恢復其承載力，確保其安全使用。

目前加固方法很多，主要都是在構件層次的加固。要提升結構整體性能，阻尼器提供了很好的解決辦法。下面是一個工程實例，（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構，原結構建造年代較早，為板柱抗震墻結構，抗震性能較差。該結構高42.45米，地上11層（頂上為兩層塔樓）。按照工程所在地8度進行抗震加固設計。阻尼器在結構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現結構整體抗震性能的提升。

4.3 配合基礎隔振加設的阻尼器

采用基礎隔振的方法主要是利用加入隔震墊之后結構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結構主體的。隔震層的柔性連接發揮了主要作用。然而，這一柔性連接在地震中的巨大變形導致的上部結構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，一端與下部基礎連接，另一端與上部結構連接，可以有效減少結構位移，同時通過阻尼器的大變形耗散地震能量。阻尼器已經成為基礎隔震系統中必不可少的減震手段。

4.4 配合層蓋系統與柱頂連接用阻尼器

大跨度鋼結構空間結構類似于橋梁結構，經常需要控制結構在溫度下的變形。和基礎隔振的體系類似，我們又不希望它在動力荷載下運動過大。特別是屋蓋系統過大的運動會給整個結構帶來不安全。阻尼器則是理想的減少運動的連接方式。希臘和平與友誼奧林匹克體育場是個成功應用的工程，（見圖3）水平和垂直雙向使用的阻尼器對這馬鞍形屋頂的整體運動位移起了很好的控制作用。為了使結構更加穩定，設計者在加固改造時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”的連接部的餃結節點也可以放置阻尼器來減少其相對位移，（見圖4） 這種連接屋蓋的阻尼器也可以對整體耗能起到作用，但更重要的是對位移的減少。

4.5 多塔連接間的阻尼器

多塔連廊或多塔蕊結構連接部分更為理想的減振連接方式，應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可以在中小風振地震中保持不動，而按設計的要求在大風和強烈地震中起到減少相對位移和耗能的良好作用。

4.6 減少整體結構水平振動的TMD系統

常用于高層、超高層結構中的結構抗風TMD和TLD （Tuned Liquid Dampers）系統，它的減振原理是：為了控制與結構某一振動周期接近的風振振動，而在結構頂部加設一個由質量塊，彈簧（或擺）以及阻尼器組成的與該周期一致的小系統，用來以小系統的振動抑制結構的振動。而阻尼器就是為了控制這個附加 質量塊的運動，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，我們已經詳細討論了這種阻尼器的優點所在。在建筑結構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品，液體黏彈性阻尼器、風限位阻尼器、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），未加說明時都是指這種阻尼器。

F=CVα

這里， F——阻尼力；C——阻尼系數；α——速度指數；V——為活塞桿的速度。這是個簡單的公式。有關設計人員在拿到阻尼器廠家提供的阻尼器參數時，可以根據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、小震及風振項目中使用并參與計算，可以實現非常好的減震效果。

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彈簧提供剛度的雙重作用，同時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計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工作。阻尼器部分活塞往復運動產生阻尼，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計彈簧剛度，但其最大彈簧力應小于最大阻尼力的一半，該裝置的計算公式為

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；u為活塞桿的位移，■為活塞桿的速度，α為速度指數。

5.3 風限制器阻尼器

在傳統液體黏滯阻尼器上加一個簡單的機械元件來防止阻尼器受到較低水平的風力和其它荷載可能帶來的阻尼器兩端運動（見圖6），就可以構成這種風限制阻尼器。這種阻尼器可以應用到橋梁和高層建筑上，抵抗風荷載引起的結構震動。一般地說，阻尼器可能受到的最大風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，該環與阻尼器外筒的磨擦力可以調節到25%的最大地震力。在阻尼器連接兩端受風振作用時，風限制裝置磨擦力阻止了阻尼器兩端滑動，相當于有了一個受力開關或限制器。而當阻尼器工作的結構受到較大地震荷載的作用， 阻尼器兩端的受力大于我們設定的開關最大力時，也就是超過風限制裝置的最大靜磨擦力時，磨擦環脫開，兩端發生相對運動，阻尼器開始發生耗能作用。然后，該結構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計人員在應用時作一定范圍的調整。這種風動限制器設計安裝方便，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）區別于其它普通抗震阻尼器的特性，表現在阻尼器相對運動過程中幾乎沒有摩擦力產生。隨著阻尼器油缸和活塞的相對運動，油會被壓入或者流出金屬波紋管，在導熱條件更好的金屬波紋管中交換相對運動產生的熱量，因此可以提供更大的功率，產生的熱量隨時消散，可以承受更高的內部溫度而不破壞，這就可以使得阻尼器的耐久性、穩定性得到大幅提高。這類阻尼器可用于振動幅度大、頻率高的振動控制。在土木工程領域已有部分項目采用這類阻尼器。

5.5 帶泄壓閥的阻尼器

為了能夠同時對日常的風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部設置一個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整合到該新型阻尼器中，根據特殊泄壓閥的關閉，對結構在不同荷載的作用下起到相應的減震效果。上文所述的舊金山弗里蒙特街181號便使用的是此種阻尼器。

泄壓閥打開之前所表現出來的性質和鎖定裝置一樣，主要用于抗風；當地震發生后，對閥門所產生的壓力超過泄壓閥打開之前阻尼器的最大鎖定力時，特殊泄壓閥打開，該阻尼器表現出黏滯阻尼器的功能。當地震荷載作用后，特殊泄壓閥關閉，該阻尼器又恢復到初始安裝時阻尼器具有的狀態。

6 阻尼器的附加阻尼比

6.1 規范方法

消能部件附加給結構的有效阻尼比，可按抗震規范給出的如下方法估算：

ξa=■Wcj /（4πWS） （6-1）

式中：ξa——消能減震結構的附加有效阻尼比；

Wcj 第j個消能部件在結構預期層間位移Δuj下往復循環一周所消耗的能量；

WS設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。

其中：WS=（1-2）ΣFiui （6-2）

Fi——質點i的水平地震作用標準值；

ui——質點i對應于水平地震作用標準值的位移。

6.2 采用等效對比的方法

取兩個完全相同的結構模型，其中一個模型加設阻尼器，另一個未加設阻尼器，但設置了一個特定大小的阻尼比，采用同樣的地震波進行時程分析，調整阻尼比使結構反應達到同一個水平，此時我們將該阻尼比看做設置阻尼器的等效附加阻尼比。

6.3 對結構施加一個動力脈沖δ-函數，進行時程積分

Td=tk/k （6-3）

δ=1/k·ln（Xi/Xi+k） （6-4）

ξ=δ/■≈δ/2π （6-5）

7 阻尼器測試

7.1 阻尼裝置的原型測試

美國FEMA聯邦緊急管理局第450 號文件和ASCE 美國土木工程協會荷載規范 7～10版本中提出每種類型的阻尼器要抽取兩個作原型試驗。如果制造商以前作過非常接近的阻尼器試驗，又能提供正式的書面報告，在得到業主和設計負責人認可后，應該可以免去這一測試。測試的內容，除了下面提到的出廠測試內容外，還應該有：

① 溫度測試：每種阻尼器抽取一個樣品按以下三種溫度條件-15℃，15℃，40℃，重新進行上述測試項目中的耐壓測試和動力測試。

②頻率相關性測試：抽取一個阻尼器樣品，在不同頻率下，以最大沖程進行三次循環試驗。三次循環中最大阻尼力的變化需控制在15%以內。測試頻率分別為0.6Hz、1.0Hz和1.5Hz。

③疲勞能力試驗：經過10000次以上脈動風（位移±5mm，速度≥2mm/s，頻率<1Hz）循環試驗后，觀察密封系

統是否漏油，用肉眼檢查密封系統是否由于疲勞磨損引起退化，裝置在第2個和第9999個周期的力-位移特征反應曲線的變化應小于15%，阻尼器力學滯回曲線的變化應小于15%。

7.2 產品的出廠檢驗測試

阻尼器及支座等產品的要求應嚴格符合設計圖紙的各種要求；阻尼器的力學性能要符合阻尼器的技術參數要求。檢驗內容包括：外形測試、耐壓測試、慢速位移最大阻尼力測試及動力測試。

請注意：所有試驗要求， 都是針對性很強的

①對于循環次數、抗震用的低周試驗應為最大位移下3～10次倍循環，而抗風荷載的高周疲勞試驗，位移和受力都應符合風荷載的實際要求。

②所有的試驗要求都要能符合基本公式：

7.3 3～5年后的檢測

我國抗震規范說明中要求阻尼器要有工作十年后的再檢測，但在國內均沒有執行。

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

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

在這些檢測中，泰勒公司所做的檢測是為了發現問題并最終保證能做到獨有的35年保質期。

8 結論

以上是我們在液體黏滯阻尼器在結構工程設計和應用中的一些體會，同時我們也在不斷學習和研究相關的分析和設計資料，希望能給大家帶來幫助，也更希望大家能對以上內容提出建設性意見，在我國的實際工程中更好地使用這一最新技術，對阻尼器的理論和實際應用的發展做出貢獻。

【參考文獻】

【1】陳永祁，杜義欣.液體粘滯阻尼器在結構工程中的最新進展[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濟性能分析[J].鋼結構，2011（04）：45.