橋梁和建筑用黏滯性阻尼器設計開發研究

帥昌俊

（武漢億緯儲能有限公司，武漢430223）

0 引言

傳統的結構抗震一般都是增加結構本身的強度、剛度，從而達到抵御自然災害的破壞性，最終達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。但自然災害的能量和作用往往有著巨大的不確定性和隨機性，我國2008年發生的8.0級汶川大地震，2010年發生的7.1級的玉樹地震，2013年發生的7.0級雅安大地震，對當地橋梁和建筑造成了巨大的損害，造成橋梁、建筑倒塌，導致重大經濟損失甚至人員傷亡。減隔震技術也是近年來在中國基建中廣泛運用，但是，此前的一些舊建筑和橋梁，受當時設計和成本的限制，并沒有過多地考慮抗震減震的需要，隨著現代交通負載的越來越復雜，超載及各種不確定的情況會導致橋梁損壞、交通中斷，造成一系列的直接損失和間接損失。

目前在工程實踐中，運用最多的結構振動控制方法是被動控制，被動控制即在結構的合適位置安裝合適的減、隔震產品，改善結構的阻尼特性，運用于減震耗能的產品有很多種，如摩擦擺支座、黏滯性阻尼器、橡膠支座、BRB耗能支撐等。黏滯性阻尼器是運用非常廣泛的一種，黏滯性阻尼器在橋梁建筑中，能夠給結構一個緩沖時間，吸收和衰減振動和沖擊的能量，從而減小結構的動力反應，即阻尼器可以最大限度地吸收和消耗地震力對橋梁、建筑等結構的破壞沖擊，達到保護結構的目的。黏滯性阻尼器是一種無剛度的速度型阻尼器，工作時不會改變結構的固有動力特性，只對結構提供附加阻尼，其阻尼力-位移滯回曲線近似矩形，使其具有穩定的動力特性和很強的耗散能力，廣泛應用于橋梁、建筑等抗震領域。

隨著黏滯性阻尼器技術的發展，有各種新功能的阻尼器發明出來，主要分為速度型阻尼器和位移型阻尼器，如熔斷阻尼器、黏彈性阻尼器、限位阻尼器、金屬阻尼器、摩擦阻尼器、磁流變液阻尼器、摩擦型液體黏滯性阻尼器，根據橋梁和建筑的具體地震和振動工況，設計使用不同的阻尼器產品，能顯著提高橋梁和建筑的抗震性能。

1 黏滯性阻尼器的性能

黏滯性阻尼器的基本原理是，將黏滯性阻尼器安裝在橋和橋墩之間，當阻尼器受到外部的力和振動時，阻尼器活塞會隨之在缸筒內往復運動，從而帶動缸筒內阻尼介質（一般為二甲基硅油）運動，缸筒內兩個腔體通過活塞上的阻尼孔、活塞與缸筒間隙和活塞上的溢流閥連通，當活塞進行往復運動時，阻尼介質通過活塞上的孔隙和閥，由于阻尼介質本身的特性，活塞會受到一定的黏滯阻尼力，從而吸收和消耗地震力對橋梁結構的破壞沖擊。

黏滯性阻尼器設計一般采用雙出桿油缸式結構，由連接頭、活塞桿、活塞、溢流閥、缸筒、阻尼介質、密封材料等組成（如圖1）。缸筒內裝滿阻尼介質，活塞的往復運動帶動內部阻尼介質的流動，分子之間產生內摩擦力，以及阻尼介質與缸筒表面的摩擦力轉換成熱能，這樣將地震能轉化為分子熱能，達到阻尼耗能的目的[1]。

圖1 黏滯性阻尼器結構

黏滯性阻尼器在性能設計上有3個重要特點：1）必須滿足設計的各項參數，從而保證橋梁和建筑的整體減隔震設計；2）必須保證阻尼器不漏油；3）必須保證阻尼器的設計使用年限，也就是阻尼器的耐久性[2-3]；本文通過對阻尼器產品的結構構造、設計理念、密封材料的選用及試驗驗證等各方面提出建議，供相關設計人員討論與交流。

2 黏滯性阻尼器的設計

1）黏滯性阻尼器本構關系。

目前，關于黏滯性阻尼器的標準主要有以下幾種：《橋梁用黏滯流體阻尼器》（JT/T 926-2014）、《鐵路橋梁黏滯阻尼器和速度鎖定器》（TB/T 3561-2020）、《斜拉索外置式黏滯阻尼器》（JT/T 1038-2016）、美國公路運輸協會（AASHTO）的《美國公路橋梁設計規范》、《歐洲隔震裝置EN15129》、《建筑消能阻尼器》（JG/T 209-2012）、《抗震設計規范》（GB 50011-2016）、《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297-2013）等。目前關于黏滯性阻尼器的標準規范很多，大多以美國AASHTO標準為范本，從阻尼器標準到原理公式清晰明了，但實踐中最重要的問題是試驗，阻尼器的性能主要通過嚴格的型式試驗和出廠試驗來保證，但目前試驗機和試驗中心還非常少，試驗數據需要積累，這也是減隔震產品的一個通用問題[4-5]。

黏滯性阻尼器的阻尼力與速度的關系方程為

式中：F為阻尼力，kN；C為阻尼系數，kN/(m/s)α；V為阻尼速度，m/s；α為速度指數（一般取值范圍為0.01～2之間）。

當α＜1時，為非線性阻尼器；當α=1時，為線性阻尼器；當α=0時，為摩擦阻尼器；當α=2時，為速度鎖定器。圖2為不同α值時的力-速度曲線圖，圖3為不同α值時的力-位移曲線圖，α取值越小阻尼效果越佳，即黏性流體材料滯回曲線所包圍的面積較大，耗能能力較強。一般取α ≤0.15，這樣將獲得更加適合于耗散能量的滯回曲線。

圖2 力-速度曲線圖

圖3 力-位移曲線圖

2）黏滯性阻尼器設計。

某項目中，黏滯性阻尼器的最大阻尼力為2250 kN，其設計輸入參數如表1所示，通過設計輸入參數，計算得到阻尼器結構參數如表2所示。

表2 結構參數

黏滯性阻尼器通過在活塞上選取若干溢流閥（如圖4），選用力士樂的先導式溢流閥。先導式溢流閥的特點是：首先在初始壓力調整點設置溢流閥的開啟壓力，此項目中壓力設置分別為13、20、27 MPa，阻尼器腔體內的壓力先作用在主閥芯上面，壓力也經過節流孔1和2作用在先導閥閥芯上，當阻尼器腔體內壓力大于溢流閥初始壓力時，先導閥打開，使得主閥芯內外產生壓差，主閥芯打開，阻尼介質從出油口流出，達到了調節阻尼器腔體內壓力與流量的作用。

圖4 溢流閥結構圖

溢流閥開啟的壓力和阻尼介質的流量之間的關系壓差方程為

式中：ΔP為缸體內兩腔壓差，Pa；A為溢流閥開口面，m2；ρ為流體的密度，kg/m3；Cd為流量系數；qv為流量，m3/s。

通過調節不同溢流閥的壓力（13、20、27 MPa），設置溢流閥閥座上阻尼孔大小，結合式（1）、式（2），仿真模擬出壓力與流量曲線關系（如圖5）、力與速度曲線關系（如圖6）。根據標準EN 15129，力值允許±15%的偏差。由于地震力比較大，在圖中可以看出，力值在允許的偏差范圍內，滿足設計要求。

圖5 壓力-流量關系圖

圖6 力-速度關系圖

3 黏滯性阻尼器的結構設計

1）黏滯性阻尼器主要的設計就是缸體的設計校核及缸體螺紋剪切力的設計校核，其中：缸體的外徑為De，缸體的內徑為Di，缸徑比a=De/Di；缸體的周向應力σθ=p（a2+1）/（a2-1）；缸體的徑向應力σr= -p；缸體的軸向應力σz=p/（a2-1）。

Von Mises等效應力校核：

最終缸體應力校驗合格。

2）連接筒和缸體之間采用螺紋連接，校核如下：

式中：fd為設計的拉伸應力；φctd為連接筒螺紋公稱直徑；

pct為螺距；lct為螺紋長度；dct1為螺紋小徑；Acts為螺紋剪切面面積。

最終螺紋剪切應力校驗合格。

4 黏滯性阻尼器的密封設計

黏滯性阻尼器的密封設計分為動密封和靜密封設計，靜密封一般選用O形密封圈，動密封一般選用進口的密封圈，比如特瑞堡密封圈或郝萊特（Hallite）密封圈。本文選用專用的活塞密封和活塞桿密封，其中，活塞密封由一個彈性體和一個添加青銅增強物的PTFE表面環組成，通過徑向過盈配合，彈性體的預壓縮變形提供給PTFE表面環密封作用力，在低壓下具有良好的密封效果，當系統壓力升高時，彈性體壓縮變形，施加更大的力，使PTFE表面環緊貼密封面達到良好的密封效果，如圖7所示。

圖7 黏滯性阻尼器用活塞密封

活塞桿密封由一個高性能U型殼體和一個V型不銹鋼彈簧組成，在系統壓力過低時，內置的V型彈簧為密封件，提供預壓縮力，以保證在低溫低壓時密封件具有良好的密封性能，隨著壓力的升高由系統壓力提供主要密封作用力，從而保證了從低壓到高壓可靠的密封效果，如圖8所示。

圖8 黏滯性阻尼器用活塞桿密封

黏滯性阻尼器的鋼件，必須嚴格按照圖樣的公差和表面處理要求，機加工合格，整個鋼件嚴禁焊接，保證運動接觸表面高度光滑，通過密封技術和機加工技術保證黏滯性阻尼器不漏油和耐久性。

5 黏滯性阻尼器的試驗

根據標準EN 15129，黏滯性阻尼器需要做出廠試驗和型式試驗，對新產品必須做型式試驗，對于現有產品再生產，必須進行出廠試驗，試驗項目如表3所示。

表3 阻尼器試驗項目

以本構關系試驗為例，試驗中加載正弦波，加載公式為

根據標準EN 15129，得到力與位移的關系（如圖9）、時間與位移的關系（如圖10）、時間與力的關系（如圖11）、時間與速度的關系（如圖12）。從試驗結果看，設計能夠滿足使用要求。

圖9 力與位移的關系

圖10 時間與位移的關系

6 結論

1）經典的黏滯性阻尼器設計，從理論公式到結構設計、密封設計及試驗研究，是一成套的成熟系統，現在對其加以總結，也是為了更好地提高產品設計質量，從而專注其加工質量。橋梁和建筑都是公共工程，必須保證產品的質量，也必須保證產品的減隔震效果。

圖11 時間與力的關系

2）隨著我國橋梁和建筑的基建項目越來越多，國家開始強制在項目推進減隔震技術，黏滯性阻尼器會運用越來越廣泛，目前關于黏滯性阻尼器的在線監測及健康監測要求也越來越多，通過監測的手段來保證黏滯性阻尼器更好地服務于橋梁和建筑的消能減震。

3）關于黏滯性阻尼器的理論研究與標準規范越來越齊備。但是，關于黏滯性阻尼器的試驗研究，在運行的黏滯性阻尼的狀態數據少，希望將來有更多的黏滯性阻尼器的試驗機和試驗中心，通過對橋梁和建筑的黏滯性阻尼器在線運行情況的了解，進行改進設計。

4）美國泰勒公司的黏滯性阻尼器，取消了溢流閥件，完全采用阻尼孔的形式，是未來黏滯性阻尼設計的一種方向[2-3]。

圖12 時間與速度的關系