液体黏滞阻尼器介绍的研究探讨

赵冬娇++陈夏楠++陈永祁

（Beijing Qitai Vibration Control Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100037）

【摘 要】从20世纪90年代末，液体黏滞阻尼器开始用于我国的结构抗震工程项目，结构的消能减振设计也慢慢受到人们的重视，日趋成熟。论文就结构消能减振设计中采用液体黏滞阻尼器的减振技術做一简单介绍，内容包括产品、检测、设计计算方法的发展及种类和特点介绍，以及部分典型工程实例的介绍，供大家参考。

【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.

【关键词】阻尼器；抗震；抗风；加固；附加阻尼比

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

【中图分类号】TU973.31 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0182-05

1 发展简介

液体粘滞阻尼器最初用在军工领域中，从20世纪70年代后，人们开始逐渐把采用阻尼器吸振耗能的这项技术运用在建筑、桥梁等工程中，从以胶泥为介质的第一代产品发展至带油缸的油阻尼器，再到目前以泰勒阻尼器为代表的第三代小孔射流阻尼器，发展十分迅猛。在液体黏滞阻尼器（以下简称“阻尼器”）的发展中，有以下几件代表性事件：

①在2003年发生的7.6级极具破坏性的墨西哥地震中，安装了98个泰勒阻尼器的墨西哥市长大楼，在地震中安然屹立。而该地震造成了2700多栋建筑倒塌或严重破坏，13600栋建筑不同程度损坏。而这座57层225米高的南美最高建筑却没有损坏，成为世界抗震建筑结构的一个榜样[1]。

②阻尼器在我国建筑行业的发展近年来也非常快。例如：2005年完工的北京银泰中心，其上安置了73套泰勒阻尼器，主要用来控制结构受风振的影响；郑州会展中心，为大跨度空间结构，其上使用了36套TMD调谐质量阻尼器系统，用来减少二楼舞厅人群跳舞可能引起的楼板共振。此外，我国的相关设计规范和规程也正在逐步完善，尽管目前还存在很多问题，但从发展趋势看来，液体粘滞阻尼器的应用必将成为一种趋势。

2 阻尼器减振设计目标和理念

传统建筑已经有上百年的抗风抗震历史，为什么还要考虑使用结构消能减振系统？为什么要将液体粘滞阻尼器使用在建筑上？从概念上看，这是因为：

①科学技术不断发展，为结构工程问题的解决提供了新的思路；

②消能减振设计为结构抗震、抗风提供了更加经济有效的方法；

③地震为偶然荷载，因此用结构保护系统代替结构的竖向承力系统来承担地震力，更为合理；

④结合国内外阻尼器发展应用的情况以及工程经验体会，简单地说，安置阻尼器有以下几个目的。

第一，增加抗震、抗风能力；

第二，用阻尼器去防范大地震或大风；

第三，减少结构内部附属结构、设备、仪器仪表等的振动；

第四，解决常规办法难予解决的问题；

第五，结构上的其它需要。

3 阻尼器的技术特点

①准确的定量产品；

②不设置阀门和油库的耐用产品；

③完全实现不漏油的产品；

④抗震和抗风能准确工作的产品；

⑤1.5-2倍以上的安全系数；

⑥各种特殊需要的阻尼器。

4 阻尼器的应用

4.1 高层结构阻尼器抗震

新疆某项目为框架剪力墙钢筋混凝土结构，高78米，共计26层（含两层地下室）。其减震设计思路如下：该项目场地设防烈度8度（0.3g），该结构主体采用8度（0.2g）对应的地震影响系数进行设计，然后通过对原结构安置阻尼器，使该结构可以在8度（0.3g）对应的地震加速度时程作用下，仍然符合规范的各项要求。本工程安置了56个液体黏滞阻尼器，阻尼器的参数为：C=1400kN（s/m）α，α=0.3[2]。安装前后对比结果如图1：

4.2 结构加固

20世纪50、60年代建造了大批钢筋混凝土厂房、公建和办公楼。这些房屋使用至今已有三、四十年的历史，部分房屋虽然存在一些结构安全隐患，但加固的费用如果低于拆除重建，我们就会选择采用结构加固的办法，花少量投资来维修、加固来恢复其承载力，确保其安全使用。

目前加固方法很多，主要都是在构件层次的加固。要提升结构整体性能，阻尼器提供了很好的解决办法。下面是一个工程实例，（如图2、表1）北京少年宫加固改造工程。本工程为抗震加固结构，原结构建造年代较早，为板柱抗震墙结构，抗震性能较差。该结构高42.45米，地上11层（顶上为两层塔楼）。按照工程所在地8度进行抗震加固设计。阻尼器在结构抗震加固中有很好的效果，可降低水平地震力，而且安装快捷方便，通过安装阻尼器配合其他加固措施可实现结构整体抗震性能的提升。

4.3 配合基础隔振加设的阻尼器

采用基础隔振的方法主要是利用加入隔震垫之后结构基本周期大幅度变长，所受到的地震力大幅度降低的原理来保护结构主体的。隔震层的柔性连接发挥了主要作用。然而，这一柔性连接在地震中的巨大变形导致的上部结构在地震中的大位移往往是让人难以接受的。而将阻尼器放置在隔震层，一端与下部基础连接，另一端与上部结构连接，可以有效减少结构位移，同时通过阻尼器的大变形耗散地震能量。阻尼器已经成为基础隔震系统中必不可少的减震手段。

4.4 配合层盖系统与柱顶连接用阻尼器

大跨度钢结构空间结构类似于桥梁结构，经常需要控制结构在温度下的变形。和基础隔振的体系类似，我们又不希望它在动力荷载下运动过大。特别是屋盖系统过大的运动会给整个结构带来不安全。阻尼器则是理想的减少运动的连接方式。希腊和平与友谊奥林匹克体育场是个成功应用的工程，（见图3）水平和垂直双向使用的阻尼器对这马鞍形屋顶的整体运动位移起了很好的控制作用。为了使结构更加稳定，设计者在加固改造时选用了泰勒公司的液体黏弹性阻尼器。

门式刚架的屋顶和“柱”的连接部的饺结节点也可以放置阻尼器来减少其相对位移，（见图4） 这种连接屋盖的阻尼器也可以对整体耗能起到作用，但更重要的是对位移的减少。

4.5 多塔连接间的阻尼器

多塔连廊或多塔蕊结构连接部分更为理想的减振连接方式，应该是柔性连接的隔震支座加阻尼器耗能体系。这一孪生使用的系统可以在中小风振地震中保持不动，而按设计的要求在大风和强烈地震中起到减少相对位移和耗能的良好作用。

4.6 减少整体结构水平振动的TMD系统

常用于高层、超高层结构中的结构抗风TMD和TLD （Tuned Liquid Dampers）系统，它的减振原理是：为了控制与结构某一振动周期接近的风振振动，而在结构顶部加设一个由质量块，弹簧（或摆）以及阻尼器组成的与该周期一致的小系统，用来以小系统的振动抑制结构的振动。而阻尼器就是为了控制这个附加 质量块的运动，并耗能。

5 不同阻尼器的選择

在液体黏滞阻尼器的一般介绍中，我们已经详细讨论了这种阻尼器的优点所在。在建筑结构中常用的液体阻尼器品种目前有：我们最多介绍的液体黏滞阻尼器和四种新产品，液体黏弹性阻尼器、风限位阻尼器、金属密封阻尼器和带泄压阀的阻尼器。

5.1 液体黏滞阻尼器

我们常用液体黏滞阻尼器 （Fluid Viscous Dampers），未加说明时都是指这种阻尼器。

F=CVα

这里， F——阻尼力；C——阻尼系数；α——速度指数；V——为活塞杆的速度。这是个简单的公式。有关设计人员在拿到阻尼器厂家提供的阻尼器参数时，可以根据上式估算力和速度是否合理。

5.2 液体黏弹性阻尼器

液体黏弹性阻尼器使用效率较高，可以在大震、小震及风振项目中使用并参与计算，可以实现非常好的减震效果。

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弹簧提供刚度的双重作用，同时具备这两种特性的阻尼器就是我们常说的黏弹性阻尼器。泰勒公司为这一目的设计和制造了该类型的阻尼器（见图5），黏弹性阻尼器外表跟一般的液体黏滞阻尼器相似，只是长度略长（增加30cm左右）。这种阻尼器的液压缸分成阻尼和液体弹簧两部分。阻尼部分与普通液体粘滞阻尼器完全相同，而弹簧部分采用的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

F=Keff·u+C■α

其中， Keff为液体弹簧等效刚度；C为阻尼器的阻尼系数；u为活塞杆的位移，■为活塞杆的速度，α为速度指数。

5.3 风限制器阻尼器

在传统液体黏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（见图6），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震动。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磨擦力可以调节到25%的最大地震力。在阻尼器连接两端受风振作用时，风限制装置磨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，也就是超过风限制装置的最大静磨擦力时，磨擦环脱开，两端发生相对运动，阻尼器开始发生耗能作用。然后，该结构像普通阻尼器一样工作，减振和耗能。磨擦装置给阻尼器带来模型上的变化可由速度和力的变化曲线（见图7）看出。该限制装置的磨擦力的大小可以设计人员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，在一般安置黏滞阻尼器的位置上都可以安置，方便推广。

5.4 金属密封阻尼器

无摩擦金属密封阻尼器（见图8）区别于其它普通抗震阻尼器的特性，表现在阻尼器相对运动过程中几乎没有摩擦力产生。随着阻尼器油缸和活塞的相对运动，油会被压入或者流出金属波纹管，在导热条件更好的金属波纹管中交换相对运动产生的热量，因此可以提供更大的功率，产生的热量随时消散，可以承受更高的内部温度而不破坏，这就可以使得阻尼器的耐久性、稳定性得到大幅提高。这类阻尼器可用于振动幅度大、频率高的振动控制。在土木工程领域已有部分项目采用这类阻尼器。

5.5 带泄压阀的阻尼器

为了能够同时对日常的风荷载以及偶然的地震荷载都能够起到较好的减震作用，在液体黏滞阻尼器活塞内部设置一个具有特殊功能的泄压阀，在特殊泄压阀的耦连作用下，把锁定装置的性能和黏滞阻尼器的性能同时整合到该新型阻尼器中，根据特殊泄压阀的关闭，对结构在不同荷载的作用下起到相应的减震效果。上文所述的旧金山弗里蒙特街181号便使用的是此种阻尼器。

泄压阀打开之前所表现出来的性质和锁定装置一样，主要用于抗风；当地震发生后，对阀门所产生的压力超过泄压阀打开之前阻尼器的最大锁定力时，特殊泄压阀打开，该阻尼器表现出黏滞阻尼器的功能。当地震荷载作用后，特殊泄压阀关闭，该阻尼器又恢复到初始安装时阻尼器具有的状态。

6 阻尼器的附加阻尼比

6.1 规范方法

消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按抗震规范给出的如下方法估算：

ξa=■Wcj /（4πWS） （6-1）

式中：ξa——消能减震结构的附加有效阻尼比；

Wcj 第j个消能部件在结构预期层间位移Δuj下往复循环一周所消耗的能量；

WS设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

其中：WS=（1-2）ΣFiui （6-2）

Fi——质點i的水平地震作用标准值；

ui——质点i对应于水平地震作用标准值的位移。

6.2 采用等效对比的方法

取两个完全相同的结构模型，其中一个模型加设阻尼器，另一个未加设阻尼器，但设置了一个特定大小的阻尼比，采用同样的地震波进行时程分析，调整阻尼比使结构反应达到同一个水平，此时我们将该阻尼比看做设置阻尼器的等效附加阻尼比。

6.3 对结构施加一个动力脉冲δ-函数，进行时程积分

Td=tk/k （6-3）

δ=1/k·ln（Xi/Xi+k） （6-4）

ξ=δ/■≈δ/2π （6-5）

7 阻尼器测试

7.1 阻尼装置的原型测试

美国FEMA联邦紧急管理局第450 号文件和ASCE 美国土木工程协会荷载规范 7～10版本中提出每种类型的阻尼器要抽取两个作原型试验。如果制造商以前作过非常接近的阻尼器试验，又能提供正式的书面报告，在得到业主和设计负责人认可后，应该可以免去这一测试。测试的内容，除了下面提到的出厂测试内容外，还应该有：

① 温度测试：每种阻尼器抽取一个样品按以下三种温度条件-15℃，15℃，40℃，重新进行上述测试项目中的耐压测试和动力测试。

②频率相关性测试：抽取一个阻尼器样品，在不同频率下，以最大冲程进行三次循环试验。三次循环中最大阻尼力的变化需控制在15%以内。测试频率分别为0.6Hz、1.0Hz和1.5Hz。

③疲劳能力试验：经过10000次以上脉动风（位移±5mm，速度≥2mm/s，频率<1Hz）循环试验后，观察密封系

统是否漏油，用肉眼检查密封系统是否由于疲劳磨损引起退化，装置在第2个和第9999个周期的力-位移特征反应曲线的变化应小于15%，阻尼器力学滞回曲线的变化应小于15%。

7.2 产品的出厂检验测试

阻尼器及支座等产品的要求应严格符合设计图纸的各种要求；阻尼器的力学性能要符合阻尼器的技术参数要求。检验内容包括：外形测试、耐压测试、慢速位移最大阻尼力测试及动力测试。

请注意：所有试验要求， 都是针对性很强的

①对于循环次数、抗震用的低周试验应为最大位移下3～10次倍循环，而抗风荷载的高周疲劳试验，位移和受力都应符合风荷载的实际要求。

②所有的试验要求都要能符合基本公式：

7.3 3～5年后的检测

我国抗震规范说明中要求阻尼器要有工作十年后的再检测，但在国内均没有执行。

泰勒公司为我国杭州湾东大桥进行过安置三年后的内压检测，为安置了近五年的北京环线桥梁——阜成门桥上的阻尼器进行内压测试，这些都属于中期测试。（见图9）

泰勒为英国伦敦千禧桥阻尼器进行了十年后的检查，除现场观测了所有阻尼器的工作情况外，还拆下三个回厂做了检测。这一长期检测合格是阻尼器的工作保证；（见图10）

在这些检测中，泰勒公司所做的检测是为了发现问题并最终保证能做到独有的35年保质期。

8 结论

以上是我们在液体黏滞阻尼器在结构工程设计和应用中的一些体会，同时我们也在不断学习和研究相关的分析和设计资料，希望能给大家带来帮助，也更希望大家能对以上内容提出建设性意见，在我国的实际工程中更好地使用这一最新技术，对阻尼器的理论和实际应用的发展做出贡献。

【参考文献】

【1】陈永祁，杜义欣.液体粘滞阻尼器在结构工程中的最新进展[J].工程抗震与加固改造，2006（03）：56.

【2】曹铁柱，陈永祁.安置抗震黏滞阻尼器的某超高层建筑经济性能分析[J].钢结构，2011（04）：45.