阻尼器在建筑工程中的应用与发展

郭双双 崔巍

【摘 要】振动控制是建筑结构抵抗地震荷载、风荷载最为行之有效的方法。其中被动控制中的阻尼器装置减震效果好、成本低，在建筑结构抗震中倍受青睐。本文对相关类型的阻尼器的力学性能以及优缺点进行了探讨总结，为相应环境下的阻尼器的选择提供了指导。

【关键词】阻尼器； 减震性能； 抗风性能

1 工程结构减震（ 振） 必要性

近些年来先后发生了汶川地震、日本大地震、海地地震、雅安地震以及近期的尼泊尔大地震，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。建筑结构中安装阻尼器，由于其自身具有较好的性能、低廉的成本，是当前建筑结构进行振动控制的首选。做好结构振动控制工作，具有重要现实意义。

2 结构振动控制分类和耗能原理

2.1 结构振动控制方法分类

根据控制措施是否需要借助外部能源可以分为以下几种方式：主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。结构减震被动控制包括：隔震、调谐质量阻尼系统、阻尼器耗能、调液质量阻尼系统[1]。

图1 被动控制减震分类[1]

2.2 结构耗能原理

建筑结构耗能装置，在风荷载以及小震荷载作用下，这些减震耗能装置具有较大的初始刚度，材料依旧处于弹性阶段，建筑结构具有较大的抗侧刚度达到使用要求。当遭遇强震的时候，结构侧向位移逐步加大，相应的减震装置将会提供较大的阻尼，将结构所输入的地震能量大量消耗，避免结构进入非弹性状态，同时有效的抑制结构的地震响应，包括侧向线位移、加速度和结构内部剪应力等，保证主体结构在大震作用下维持在一个安全的状态[2]。

传统结构： Ein = Er + Ed + Es （1）

耗能结构： Ein = Er + Ed + Es + Ea （2）

其中（1）（2）式中Ein代表地震输入总能量；Er为震中结构自身速所储存的机械应变能；Ea减震装置所消耗的能量；Ed为为结构自身阻尼消耗能量；Es代表结构塑性应变消耗的能量。

3 阻尼器分类及其工程应用

阻尼器的类型较多，为了研究方便我国的抗震规范将其分为位移相关型和速度相关型两种类型。位移相关型阻尼器的耗能原理一般是通过自身变形或者相对位移来完成的，常见的包括金属阻尼器和摩擦阻尼器。速度型阻尼器的特性是根据施加荷载频率予以体现的，常见的包括粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器。

3.1 金属阻尼器

金属阻尼器[3]是通过相应的金属弹塑性滞回变形来完成对能量的消耗，屬于位移相关型阻尼器，对于地震响应的控制效果较好。当前已经开发并投入应用的包括：钢棒阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金、软钢阻尼器等。相应的耗能机理如下：表 1 金属阻尼器分类及耗能原理

屈曲约束支撑[4]又成为防屈曲耗能支撑，也属于一种金属阻尼器，其装置在外部添加金属套管，配合内填混凝土或者灰浆、无粘结材料实现对内部芯材的约束，防止芯材在约束前发生弯曲，从而保证芯材始终处于良好的工作状态，保证主体机构处于弹性范围，地震响应的抗震性能极佳，在国内的应用情况如下表所示：

自复位阻尼的研究发现得益于SMA材料的开发与研究，具有超弹性，滞回效果非常特殊，呈现“双旗形”，滞回环稳定饱满，耗能效果良好，同时具有自复位功能，在经历地震后，建筑结构能够自动复位。自复位阻尼器的开发应用，为建筑结构提供了可靠支撑，大大减小了结构震后的残余变形。

3.2 粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器[5]属于速度相关型耗能减震装置，非常适用小震及风荷载。粘弹性阻尼器利用阻尼材料和约束钢板组合而成的，粘弹性材料随着约束钢板的往复运动，利用粘弹性阻尼材料的剪切滞回变形来完成能量的消耗。其在国内外的应用实例如下表所示。

自复位阻尼的研究发现得益于SMA材料的开发与研究，具有超弹性，滞回效果非常特殊，呈现“双旗形”，滞回环稳定饱满，耗能效果良好，同时具有自复位功能，在经历地震后，建筑结构能够自动复位。自复位阻尼器的开发应用，为建筑结构提供了稳定的可靠支撑，大大减小了结构震后的残余变形。

图2 SMA复合摩擦阻尼器力学特征

3.3 粘滞液体阻尼器

粘滞液体阻尼器也属于速度相关型耗能装置，用于小震的控制。其工作原理依靠气缸内部的硅油以及活塞，震动中将活塞的动能转化为热能，此种阻尼器应用范围广，振动控制效果好。具体的应用情况如下图所示：

3.4 调谐质量阻尼器（TMD）

调质阻尼器[6]主要用于风振控制响应。建筑结构在外界荷载作用下发生了振动，相应的促使TMD发生振动，其所产生的反作用惯性力作用到结构上，通过振动的调谐作用来减缓结构振动。具体应用情况如下所示：

阻尼器小结：

（1）金属阻尼器：性能稳定可靠、构造简单、成本低廉，但是难以实施阀值控制；

（2）耗能能力极佳、构造简单、经济实惠，但在恒定压力下容易发生冷粘结，易发生永久偏拉；

（3）粘滞阻尼器：耗能能力佳，稳定可靠、提供附加阻尼但不改变固有频率，但造价高、加工难度大，且粘滞液体维护难度大，极易发生渗漏。

（4）粘弹性阻尼器：耗能好，适合大震或者小震，但是受温度影响较大，温度升高会导致其耗能能力大打折扣。

（5）调谐质量阻尼器：构造简单、安装方式简单快捷，但是仅仅对相关的频率区域内振动控制有效。

结束语

本文首先对结构振动控制分类和耗能原理进行了简要的阐述，随后分析了相关类型阻尼器的耗能原理，总结了他们的优点、缺点，为不同工程中阻尼器的选择提供了指导。

参考文献：

[1]周祥瑞.阻尼器及其在结构减震中的应用研究[D].武汉： 武汉理工大学，2008.

[2]耿庆和.采用消能减震技术减轻建筑扭转震动的工程应用[D].上海：同济大学，2007.

[3]王桂萱，汪宇.设置金属阻尼器高层建筑耗能建筑分析[J].世界地震工程，2011（ 12） ： 1-6.

[4]Chen.Yung-Hsiag.Application of TLD to Taipei 101 for VibrationalControl[J].Journal of the Chinese Institute of Civil and HydraulicEngineering，2011，9 （23） ： 275-286.

[5] 隋杰英，等.宿迁市交通大厦采用粘弹性阻尼器的减震设计与研究[J]. 建筑结构学报，2000，6 （3） ： 30-35.

[6] 王伍仁，秦继红 阻尼器在上海环球金融中心的应用[J].施工技术，2008，12（ 12） ： 66-69.