（机械工程专业论文）桥梁粘滞阻尼器设计及性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 工程结构减震( 振) 技术日臻完善，从传统的减震( 振) 设计方法到如今结构振 动控制理论，可以说是工程结构抗震( 振) 史上的一座丰碑。结构振动控制技术是 指在结构上安装一些特殊装置，如金属阻尼器、锁定装置、摩擦阻尼器和粘滞阻 尼器，通过这些装置来保护结构，使其在地震或者大风中降低损坏程度，提高工 程结构的抗震( 振) 能力。 论文研究的对象是桥梁粘滞阻尼器，即v i s c o u sd a m p e r , 通常安装在桥面和桥 墩之间。当桥梁正常形变时( 如热膨胀、缓慢蠕动等) ，粘滞阻尼器不会对其产生 负作用；当发生剧烈震( 振) 动时( 如地震、爆炸、大风等) ，粘滞阻尼器活塞随 着结构运动，阻尼介质在流经活塞上预留的阻尼孔( 间隙) 时，将地震输入的能 量转化为热能，耗散掉。减轻结构受到震( 振) 动造成的损伤，大大提高结构的抗 震( 振) 能力。 论文对粘滞阻尼器的工作原理进行了分析，阻尼器的耗能主要通过粘滞介质 流经小孔( 或缝隙) 时的孔缩耗能和粘滞摩擦耗能来完成能量的转换和耗散，通 过对耗能原理的分析，推导了出了双出杆孔隙式粘滞阻尼器的理论滞回公式，给 粘滞阻尼器的设计提供理论依据。论文对阻尼器的结构，材料，泄漏原因进行了 分析，选择合适的材料，设计合理的结构，提出了有效的泄漏预防措施。 由于受国内试验设备的制约，阻尼器的测试水平还不能满足要求。因此，本 文提出了一种通过足尺寸模型的仿真测试来完成阻尼器性能的测试。具操作过程 为在p r o e 中建模并将模型导入a n s y si c e m 中划分网格，建立具有较高精度 的粘滞阻尼器流体网格模型，再将划分好的网格导入a n s y sc f x 中，应用计算 流体力学( c f d ) 数值方法对其进行仿真分析。 论文主要通过c f d 仿真模型对粘滞阻尼器进行了动力测试，通过加载不同频 率、不同幅值的正弦简谐荷载，得出粘滞阻尼器的阻尼力、位移和速度之间的曲 线，分析粘滞阻尼器的相关性能。通过本文的仿真分析，测试结果验证了c f d 仿 真分析的正确性，可以认为c f d 仿真模型能够作为粘滞阻尼器仿真测试的一种 方法，为阻尼器的设计提供了一种新的验证手段。 关键词：粘滞阻尼器；c f d ；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h ev i b r a t i o nt e c h n o l o g yo ne n g i n e e r i n gs t r u c t u r eh a sb e e ni m p r o v c dal o t f r o mt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do nd a m p i n gv i b r a t i o nt ot h es t r u c t u r a lv i b r a t i o n c o n t r o lm e t h o d s oi tc a nb es a i dt ob ea l la n t i s e i s m i cm o n u m e n to fe n g i n e e r i n g s t r u c t u r ei nh i s t o r y s t r u c t u r a lv i b r a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ym e a n st oi n s t a l ls o m e s p e c i a ld e v i c e s ，s u c ha sm c t a ld a m p e r , l o c k u pd e v i c e ，f r i c t i o nd a m p e ra n df l u i d v i s c o u sd a m p e ri ns t r u c t u r e t h e s ed e v i c e sc a nb eu s e dt od i m i n i s ht h ed a m a g eo f e a r t h q u a k eo rg a l eo nt h ee n g i n c e r i n gs t r u c t u r ea n dt oi m p r o v et h ea s t i g m a t i c c a p a b i l i t yo f ab r i d g e t h er e s e a r c ha i m sa ts t u d y i n gt h ef l u i dv i s c o u sd a m p e r , w h i c hi su s u a l l y i n s t a l l e di nt h em i d d l eo ft h ed e c ko ft h eb r i d g ea n dt h es u p p o r t i n ga b u t m e n ta n dp i e r s w h e nt h eb r i d g ec h a n g e sn o r m a l l y ( s u c ha st h e r n l a le x p a n s i o na n ds l o w t r a n s f o r m a t i o ne t c ) f l u i dv i s c o u sd a m p e rw i l ln o th a v eab a de f f e c to ni t m i l ei t v i b r a t e sv i o l e n t l y ( s u c ha se a r t h q u a k e ，e x p l o s i o n ，g a l e sa n ds oo n ) ，t h ef l u i dv i s c o u s d a m p c rw i l lm o v ew i t ht h es t r u c t u r e t h ed a m p i n gm e d i u mc h a n g e st h ei n p u te n e r g y i n t oh e a t ，a n dt h e nd i s s i p a t e si tw h e ni tf l o w st h r o u g ht h eh o l ei nt h ep i s t o n t h i sc a n d i m i n i s ht h ed a m a g eo nt h es t r u c t u r ew h e nt h ee a r t h q u a k eh a p p e n s ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v e st h ec a p a c i t yo f t h ea n t i s e i s m i cp o w e ro ft h es t r u c t u r e t h ep a p e l h a sa n a l y s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ef l u i dv i s c o u sd a m p e r t h et r a n s f e ra n dc o n s u m p t i o no fe n e r g yc a l lb er e a l i z e db yw h o l es h r i n ke n e r g y c o n s u m p t i o n a n dv i s c o u se n e r g yc o n s u m p t i o nw h e nt h ev i s c o u sm e d i u mf l o w s t h r o u g hh o l e s b a s e do nt h ea n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o np r i n c i p l e ，at h e o r e t i c a l f o r m u l ao fd o u b l eo u tr o dp o r et y p eo nf l u i dv i s c o u sd a m p e rc a r lb em a d eo u t ， p r o v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf l u i dv i s c o u sd a m p e r sd e s i g n i ta l s oa n a l y z e st h es t r u c t u r e ，m a t e r i a la n dr e a s o n so l ll e a k a g e t h er e s e a r c hc a r r i e s o u te f f e c t i v em e a s u r e so nh o wt op r e v e n tt h ef l u i dv i s c o u sd a m p e rf r o m1 e a k a g e h o wt oc h o i c et h ep r o p e rm a t e li a la n dh o wt od e s i g nap r o p e rs t r u c t u r e h o w e v e r , t h et e s t i n gl e v e lo nt h ef l u i dv i s c o u sd a m p e rc a n tm e e tt h en e e d b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so ft h ed o m e s t i ct e s t i n ge q u i p m e n t b a s e do nt h ef a c t ，t h e r e s e a r c hc a r r i e so u tam e t h o dt h a ti st ot e s tt h ef u n c t i o n so ft h ef l u i dv i s c o u sd a m p e r t h r o u g hs i m u l a t e df u l l s c a l em o d e lt e s t i n g t h ed e t a i l e do p e r a t i n gp r o c e s s e sa r ea s f o l l o w s f i r s t l y , b u i l dam o d e li np r o ea n dp u tt h em o d e li n t oa n s y si c e n t h e g o a li st oh a v ea na c c u r a t em o d e lo nt h ef l u i dv i s c o u sd a m p e r t h e n ，t r a n s f e rt h e m o d e li n t oa n s y sc f xa n da n a l y z ei tb yt h em e t h o da p p l i e do nc f d t h ep a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ed y n a m i ct e s t i n go nf l u i dv i s c o u sd a m p e r t e s t i n gb ys t i m u l a t e dm o d e lo fc f d b yl o a d i n gd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n da m p l i t u d e o ft h es i n eh a r m o n i cl o a d ，t h ec u r v eo ft h ed a m p i n gf o r c e ，d i s p l a c e m e n ta n ds p e e dc a n b eg o tt oa n a l y z et h er e l a t e df u n c t i o n so ft h ef l u i dv i s c o u st e s t i n g a c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c h ，t h es t i m u l a t e dm e t h o do nc f dc a nb ep r o v e dt ob ec o r r e c t t h e r e f o r e t h e m o d e lc a r lb eu s e dt ob eaw a yt ot e s tt h ef l u i dv i s c o u sd a m p e r , w h i c hp r o v i d e sa n e w v e r i f y i n gm e a n sf o rt h ed e s i g no nv i s c o u sd a m p e r k e yw o r d s ：f l u i dv i s c o u sd a m p e r c f ds i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 引言 作为地壳的一种“正常 震动，地震的发生存在偶然性，也有必然性，据统 计每年发生的地震都有5 0 0 余万次，其中有感的就会有5 万余次，能够造成破坏 的地震都能达到1 0 0 0 余次，而造成灾害的约有十几次，每年8 级以上的平均都 有1 2 次【l j 。剧烈的地震能够在短短的几秒中造成严重的破坏，瞬间就可以让一 座繁华的大都市变为废墟。地震还有可能引起次生灾害，如海啸、火山爆发、滑 坡、核电站泄漏，化工厂毒气泄漏等，是破坏性最大，威胁人类及大自然最为严 重的自然灾害之一。这些已经发生和将要发生的地震给我国及世界人民的生命财 产造成了巨大的破坏及威胁。如：2 0 1 1 年3 月日本所发生的大地震，不仅引发 了海啸，还导致了核电站的泄漏，给日本本国甚至周边地区都造成了巨大的影响。 2 0 0 8 年震惊世界的四川5 1 2 汶川大地震，死亡6 9 0 0 0 余人，失踪1 8 0 0 0 余人， 数百万人无家可归，直接经济损失约8 4 5 1 亿人民币。2 0 1 0 年0 4 月1 4 灾难再次 发生在中国大地一7 1 级青海玉树大地震，死亡2 0 0 0 余人，受伤1 2 0 0 0 余人，数 十万人无家可归，直接经济损失约6 4 0 0 余亿人民币。 综上所述，地震有可能对人身安全、建筑物、经济构成严重的破坏。由于地 震的偶然性，不能准确预测，又由于地震发生的必然性，设计合理的减震防灾结 构预防地震所造成的严重破坏成为需要。为了减轻地震所带来的损失，各国的科 研人员以及政府部分都在寻找有效的办法。在工程结构减震方面。各国已经开始 了对减震技术的研究，部分成果已经应用于工程实际。特别是地震频繁国家及地 区减震结构的研究已经成为新的热点。 大家都意识到，对于还不能准确预测的地震，建设耗能减震的工程结构是比 较有效的措施。世界上已经有很多减震好的工程典范。2 0 1 0 年2 月发生于智利 的8 8 级特大地震，尽管距离城区不远，但是运用了耗能减震理论设计修建的房 屋损坏很少，仅有3 0 0 多人死亡。按照耗能减震理论设计的钢筋混凝土工程，耗 能减震阻尼器、剪力墙等结构保护系统的使用都能在地震中对保护人员及结构起 到了良好的作用。 最近几十年发展应用起来的减震结构保护系统，在美国、日本、台湾和智利 等地震中已被证明对工程结构保护起到了良好的作用。各国的专家也都意识到各 种耗能减震阻尼器在桥梁结构与高层建筑与中已经成为非常关键的部件，各国相 应出台的减震设计规范中已经出现了耗能阻尼器的身影，并利用耗能阻尼器的减 震耗能来进行设计。在最近二十来年，各种阻尼器在桥梁结构和高层建筑结构中 广泛使用，开辟了建筑结构的一片新天地，同时还解决了许多传统建筑结构中比 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 较难解决的问题。 1 2 传统减震设计理论及有待解决的问题 传统的减震设计是通过增强结构自身减震能力来抵减地震的作用，由结构自 身来储存并消耗地震所带来的能量，以达到减震预防标准，小震不坏，中震可修， 大震不倒【2 】。但是基于这种减震的方式，结构并没有自我调节的能力，在不能确 定地震等级的作用下，极有可能不能达到安全的要求；另一方面，有些时候为了 达到安全性的要求，结构的尺寸有可能需要做得非常大，这样给建筑的布置造成 非常大的困难，同时还会消耗大量的建材，给有限的资源带来压力，经济上也需 要付出非常大的代价。当遇到大风、大地震等的损坏，不能再继续使用，又必须 得拆除，这样更加大了经济上的损失，同时还制造了大量的建材垃圾，给环境造 成相当大的压力。 为了克服传统减震设计方法的缺陷，一种新的减震方法一结构振动控制应 用于工程结构领域，即在结构上应用控制机构，由结构与控制机构一起承担地震 带来的影响，用来保护结构在地震作用下的安全。结构振动控制分为主动控制 ( a c t i v ec o n t r 0 1 ) 、被动控制( p a s s i v ec o n t r 0 1 ) 、半主动控制( s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 ) 和混合控制( h y b r i dc o n t r 0 1 ) t 3 4 】。 主动控制( a c t i v ec o n t r 0 1 ) 需要能源控制，它的控制力由检测元件检测到 结构的反应，输入到控制器，控制器按照预先设定的某种程序进行工作，产生相 应的输出控制力，检测元件和控制器需要外加能源控制。主动控制的系统由检测 元件、控制器和能源输入装置三部分构成，其工作原理见图1 1 响应 图1 - 1 主动控制的工作原理 被动控制( p a s s i v ec o n t r 0 1 ) 不需要能源控制，它的控制力的产生是由于控 制机构随着结构的振动而变形，是被动产生的。这种控制不需要提供能源装置， 结构振动时才进入其工作状态，具有寿命长，使用方便等优点，其工作原理见图 1 2 响应 图1 - 2 被动控制的工作原理 半主动控制( s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 ) 需要少量能源控制，它是介于主动控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 和被动控制之间的一种控制方法，它的控制力的产生是由于控制机构随着结构的 振动而变形，是被动产生的。但是控制力是可以主动调节的，根据结构的响应情 况，利用外加的能源，通过控制器来调节控制装置的某些参数，进而达到调节控 制力，满足输出的要求。 混合控制( h y b r i dc o n 仃0 1 ) 同时使用被动控制和主动控制。它的控制力由 主动控制和被动控制同时产生，这种控制被动控制装置随着结构振动变形产生控 制力，主动控制装置就根据响应的输入，调节主动控制器，产生控制力，其产生 的力是对被动控制的一个补充，辅助其完成应有的能效。这种控制方法能弥补单 独控制的不足，同时也发挥了各自的优点。其工作原理见图1 3 被动控制藉 外载荷广望控制力 = 刮结构 = = 亍= 冷响应 ( 地震，风等) 隔控制力j l i 主动控制器f # 剖检测元件j 图1 - 3 被动控制的工作原理 这四种控制方法中，主动控制效果最好，但是主动控制需要持续为其提供能 源，其控制比较复杂，在复杂的外界条件中，其控制的可靠度不高，在实际应用 中不多，被动控制，控制方法简单，随着主体结构振动产生控制力，容易实现， 效果比较好，价格低廉，应用比较广泛。半主动控制结合了主动和被动控制的优 点，互补了缺点，有广泛的发展空间。混合控制集合了上面几种控制的优点，发 展潜力巨大。 1 3 结构耗能减震技术研究的目的和意义 消能耗震技术的研究为工程减震结构的设计建造提供了一种新的选择，通过 运用耗能减震技术，能够合理的减小某些结构的大小，节约建材，降低成本，同 时还能有效保证结构在外载荷冲击下的安全性，保障生命财产的安全，结构耗能 减震技术在工程结构设计中逐步推广，由于结构耗能减震技术才发展几十年，尤 其是国内近十年来才开始致力于研究，所以有必要对结构减震技术方面更多的进 行研究和推广。目前，国内对粘滞阻尼器的研发还未达到系统化、系列化和产业 化的程度。研制和开发性能稳定、耗能能力强的阻尼器，打破国外企业的技术垄 断，掌握具有自主知识产权的专有技术，生产性能优良的阻尼器产品具有重要的 经济效益和社会效益【”】。 1 4 粘滞阻尼器的研究进展 1 4 1 国际上的研究进展和应用现状 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 国际上，利用粘滞阻尼器进行结构减振控制的研究始于8 0 年代末，美国和日 本在这方面的研究起步较早，已在产品研发、计算理论、设计方法、产品标准和 工程应用等方面取得了系列研究成果。在进行系列研究的基础上已将该项技术应 用到一些实际工程中，同时也制定了阻尼器应用的设计规范、规程和施工手册 8 0 年代末期，美国泰勒公司和美国国家地震工程研究中心一起开始把阻尼器应 用到建筑工程和桥梁结构上，做了大量吸能减震试验。9 0 年代初，美国国家科 学基金会和结构工程学会分别组织了大型联合测试，泰勒公司的阻尼器均被选为 有资格参与测试的产品。试验的肯定，规范的制定，使泰勒公司的这一产品开始 了在实际结构上的逐步应用。到目前为止，世界上已经在3 3 9 个大型工程结构上 成功地安装了泰勒公司的阻尼器，涉及到高层建筑、桥梁、体育馆、铁道、卫星 发射塔及海洋石油平台( 部分应用见表1 1 ) 【7 8 9 1 。 泰勒公司十分重视产品的研究、更新、改进和提高质量。它拥有阻尼器生产 和检测的全套设备和能力。能加荷载到7 0 0 吨以上的动力液压设备是用来测试的 主要设备之一。在美国、日本、台湾及世界各地，美国泰勒公司的阻尼器是被结 构工程界公认的高质量和信得过的产品。它是世界上唯一真正能做到3 5 年免维 护的过硬振动控制产品。 表1 - lt a y l o r 公司粘滞流体阻尼器在国外的部分应用实例 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 2 国内的研究进展和应用现状 从四川省鹅公岩大桥使用阻尼器开始，阻尼器的使用在我国的建筑结构中迅 速发展，北京最高的钢结构一银泰中心2 0 0 5 年安装了7 3 个粘滞阻尼器，我国 各工程设计院近期设计的桥梁，特别是地震多发区的大型斜拉桥与悬索桥都有考 虑使用阻尼器来减震【l 们。宁波甬江特大桥、杭州江东大桥、江津观音桥、南平闽 江大桥都已经安置或者正在安置泰勒公司生产的阻尼器。 我国公路、高速铁路建设进入了高速发展阶段，对桥梁抗震提出了更高的要 求，随着国内桥梁抗震研究不断的深入，推动了阻尼器在我国结构工程界中快速 发展，并且还有更广阔的发展空间。美国阻尼器的大量应用是经过了十几年的发 展过程，这是一个从基础研究到工程鉴定、从大量的试验到设计规范、直到1 4 0 多个大型工程的应用过程【5 】。九十年代以来，国内多家高校及科研院所对粘滞阻 尼器进行了探索和研究，并取得了一定的研究成果：广州大学结构工程学院院长， 防灾减灾工程研究所所长周云对粘滞阻尼器减震理论、方法和技术及工程应用进 行了深入研究；1 9 9 9 年，欧进萍等研究讨论了不同类型粘滞流体材料的特性， 并对油缸间隙式粘滞耗能阻尼器性能进行了试验研究【l u ；1 9 9 8 年东南大学建筑 工程减震与减震研究中心李爱群教授带领团队初步完成了两种类型的流体阻尼 器单出杆和双出杆粘滞阻尼器，在此基础上，经过反复的论证和修改，研制 出了不同型号的粘滞阻尼器【1 2 1 ，李教授所研制的阻尼器现已经和南京丹普科技有 限公司合作生产，并应用于实际；北京奇太震控科技发展有限公司引进美国泰勒 公司的产品也大量运用于实践；上海材料研究所也在致力于粘滞阻尼器的研发与 生产。 随着桥梁工程、减震工程等在我国的发展，阻尼器在我国结构工程界应用越 来越广泛，随着我国基础建设力度的加大，阻尼器在我国有十分广阔的应用空间， 我们已有了一个很好的开始。随着进一步的完善，一定会有更加广阔的发展前景 瞵j 。国内使用阻尼器的部分项目见表1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表1 2 t a y l o r 公司粘滞阻尼器在国内的部分应用实例 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 5 本文的研究主要内容 本文的研究主要工作包括以下几个方面： 1 根据目前国内外桥梁阻尼器研制、实际使用情况，从阻尼器的材料、性能、 可靠度等方面进行了综合研究，同时对其减震耗能进行了理论分析。 2 根据要求，设计阻尼器各主要参数( 活塞杆、缸简、阻尼介质、阻尼孔， 密封等) 及合理的结构，选择合适的材料及设计合理的尺寸以满足阻尼器的使用 要求。 3 对该阻尼器性能进行研究，运用c f d 模型对该阻尼器进行仿真分析，测试 出该阻尼器承受力、耗能效率、阻尼力、行程和速度时程曲线，行程和阻尼力的 滞回曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章常见桥梁阻尼器介绍 2 1 耗能减震的概念 在地震中，地震的能量传递到工程结构中，由能量转换原理可知，这些能量必然经 过工程结构转换成另一种或者几种形式的能量( 如动能、热能或者其他形式的能量) ， 当遇到小震动时，主要体现为能量转换为热能，然后消散到外界；当遇到较大震动时， 则主要体现在转换为热能及少量的位能，造成工程结构产生一定的位移。当遇到大震 动时，则主要体现在能量转化为位能，以至于结构的损坏或者倒塌。传统的结构工程 防震就是通过损耗自身的办法来达到转换能量的过程【1 3 】。 新型减震技术是给工程结构安装一个辅助元件。当地震发生时，主要通过辅助元件 来承担，消耗地震输入的能量，减轻工程结构在地震中的影响，地震发生后，利用辅 助元件的塑性恢复、弹性恢复、或者滞回恢复帮助工程结构恢复到原来的位置。 2 2 常见桥梁阻尼器及其耗能原理 2 2 1 粘滞阻尼器 常见的粘滞阻尼器结构见图2 1 ( a ) ，这种阻尼器主要由活塞杆、活塞、阻尼孔( 或者间 隙) 、缸筒、阻尼介质和密封装置构成。 粘滞阻尼器的耗能原理：当地震或者风震发生时，与工程结构固连的粘滞阻尼器随 着结构的运动而运动，活塞迫使缸筒内的阻尼介质由一个腔通过阻尼小孔( 或间隙) 运动 到另外一个腔，在这个过程中阻尼介质将地震输入的能量转化成热能传递到外界，从 而减轻工程结构的荷载。这种阻尼器能够往复运动，特别适合于诸如地震之类的简谐 震动。粘滞阻尼器具有耗能能力强、结构简单、制造方便、寿命长、安全可靠等优点。 这种阻尼器已经成功运用于一些工程结构上，如宁波甬江特大桥，在桥面与横梁间的 水平位置安装了8 个1 8 0 0 k n 4 - 5 5 0 r a m 的粘滞阻尼器，用于控制地震和风震带来的影 响；南平闽江大桥，在桥面与横梁间的水平位置安装了4 个1 0 0 0 k n 5 0 0 m m 的粘滞 阻尼器，用于控制地震带来的影响。如图2 1 ( b ) ，阻尼器在桥梁上的安装【5 1 。 尉r 。 带阻尼孔的括墓 ( a ) 粘滞阻尼器结构示意图 图2 - 1 粘滞阻尼器 ( b ) 粘滞阻尼器在桥梁上的使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 金属阻尼器 常见的金属阻尼器如图2 2 所示，金属阻尼器主要应用其屈服变形后有很强的恢复 能力。当地震时，金属阻尼器随着工程结构一起运动、变形、吸收地震带来的能量， 部分通过热能的形式消耗掉，部分通过屈服变形储存在阻尼器内。地震之后，阻尼器 慢慢释放储存的能量，帮助工程结构恢复到原来的位置。金属阻尼器结构简单，安全 可靠、价格低廉、使用方便、维护成本低。金属阻尼器已经大量运用于桥梁与高层建 筑中。常用的金属阻尼器有：形状记忆金属阻尼器、铅阻尼器和软钢阻尼器【2 1 。 ( a ) e 型钢阻尼器 图2 - 2 常见金属阻尼器 ( b ) c 型钢阻尼器 2 2 3 摩擦阻尼器 常见的摩擦阻尼器如图2 3 ，摩擦阻尼器的耗能机理：由构件与摩擦片在一定预紧 力作用下组成一个能够产生滑动和摩擦力的机构，利用构件之间的滑动产生的摩擦力 来耗散地震输入的能量，对工程结构起到保护作用。摩擦阻尼器可以用作常用件，与 粘滞阻尼器只有在地震的时候才发生作用不同。摩擦阻尼器在非振动的时候作支撑件 用为工程结构增加刚度，本身不产生滑移，没有能量的耗散；在地震的时候摩擦阻尼 器就作为一个耗能元件，产生滑移，靠摩擦做功来消耗地震输入的能量。摩擦阻尼器 能够产生较大的阻尼、结构简单、价格合理、安置和维护方便、安全可靠、加载的荷 载对其耗能能力影响不大、耗能稳定，减震效果明显。摩擦阻尼器的种类很多，大致 可分为四种类型：板式摩擦阻尼器、摩擦耗能节点、简式摩擦阻尼器和复合摩擦阻尼 器【1 3 】。 厂刊 ! = = 出 鼍叫；壬刊 ( a ) p a l l l 板式摩擦阻尼器( b ) 钢管摩擦阻尼器 图2 3 常见摩擦阻尼器 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 4 粘弹性阻尼器 粘弹性阻尼器见图2 - 4 ，粘弹性阻尼器具有速度耗能和位移型刚性弹簧两种作用， 粘弹性阻尼器的缸分成了两部分，左腔是阻尼室、右腔是液体弹簧。阻尼器部分与粘 滞阻尼器是相同的，弹性部分则是双向作用液体弹簧。粘弹性阻尼器工作时，左右两 腔的活塞同步运动，左腔产生阻尼力，右腔由弹簧单元产生弹簧力【川。粘弹性阻尼器 力的计算公司为： 口 f = k “+ c u ( 2 - 1 ) 液体弹簧等效刚度； c 阻尼器阻尼值； ”活塞的位移； “活塞的速度； a 速度指数。 图2 _ 4 粘弹性阻尼器 2 2 5 风限制器阻尼器 风限制阻尼器如图2 5 所示。风限制阻尼器主要功能是当结构受到风载荷的作用 力( 不超过最大阻尼力的2 5 ) 时，锁定活塞不让其运动，这样为结构增加刚度。为实 现这种功能，需要在传统的粘滞阻尼器上加一个金属卡环，当遇到低水平的风或者其 它载荷时，金属卡环与阻尼器外筒的摩擦力可以阻止活塞的移动；当受到较大的载荷 时，金属卡环与阻尼器外筒之间的摩擦力不足以阻止活塞发生位移时，金属卡环就脱 开，活塞在外载荷下运动，阻尼器进入耗能工况，这时风限制阻尼器就是一个普通的 粘滞阻尼器，减震耗能。风限制阻尼器的速度一力关系如图2 - 6 ，风限制阻尼器的摩擦 力大小可以根据实际需要在一定范围内进行调节，满足需要。风限制阻尼器具有结构 简单、工作可靠、经济实惠等优点。当结构受到不大的外载荷时，风限制阻尼器可以 作为一个支撑，增加结构的刚度；当结构受到地震等较大载荷时，又可变身为粘滞阻 尼器，起到消能防震的作用。基于这种优点，风限制阻尼器常用于柔性结构当中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 f 图2 5 风限制器阻尼器 图2 6 风限制器阻尼器速度一力关系 2 2 6 熔断阻尼器 熔断阻尼器如图2 7 所示，熔断阻尼器原理与风限制阻尼器相同，都是设计了一个 类似开关的控制装置。该装置在力达到设定值的时候打开，活塞就可以随结构运动， 开始耗能减震工作状态，熔断装置破坏后需要更换，简单更换后可以继续使用。 图2 - 7 熔断阻尼器使用实例 2 3 粘滞阻尼器的布置与安装 2 3 1 建筑方面 为了使阻尼器的性能得到充分的发挥，阻尼器在建筑物上合理的布局是需要测试 的。经过测试与经验总结，找到能有效发挥阻尼器功能的位置。为了不同的目的，阻 尼器需要安装的位置也不尽相同。一般阻尼器安装原则是位移较大、受力较大的地方 安装。阻尼器的安装方式也有很多种，其中常见的有对角支撑、套索式支撑、剪刀式 支撑、人字型支撑等几种如图2 8 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( a ) 对角支撑 ( c ) 人字型支撑 ( b ) 套索式支撑 4 黔。：。 、萋 图2 一粘滞阻尼器在建筑物上的安装方法 2 3 2 桥梁方面 对于桥梁结构，阻尼器主要用于控制相对位移，安装在结构的最大位移处。例如 桥梁的下桥面与桥墩之间，有些时候为了控制紧靠的两个桥梁之间的相对移动，在两 个梁之间也安装粘滞阻尼器。有时候需要同时控制纵向位移和横向位移，可以采用阻 尼器与桥梁4 5 0 的方向来安装。如图2 * 9 常用的桥梁阻尼器安装形式。 鼍二? 。霉 氅融 ( a ) 梁梁之间 | 嘻。_ i 鎏。i 静。h m ) 梁墩之间 囊p 黼 酗孝 ( c ) 人字支撑( d ) 双向安置 图2 * 9 粘滞阻尼器在桥梁上的安装方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 耗能减震结构的优越性及其应用范围 耗能减震结构体系与传统结构体系相比，具体有如下优越性【1 5 】： 1 安全性 传统减震结构体系实质上是把结构本身及主要承重构件( 枚、梁、节点等) 作为“耗 能 构件。按照传统减震设计方法，容许结构本身及构件在地震中出现不同程度的损 坏。由于地震的随机性和结构实际减震能力设计计算的误差性，结构在地震中的损坏 程度难以控制特别是出现超烈度强震时，结构就更加难以确保安全。 减震结构体系由于设有非承重耗能构件( 耗能支撑、耗能剪力墙等) 或耗能装置，他 们具有极大的耗能能力，在强震中能率先进入塑性，消耗地震能量及衰减结构的地震 反应，保护主体结构和构件免地损坏，从而确保结构在强震中的安全性。 国内外耗能减震结构的振动台试验研究表明，耗能减震结构与传统减震结构相比， 地震反应减少4 0 一6 0 。 此外，耗能构件( 或装置) 属“非结构构件 ，即非承重构件，其功能仅是在结构变 形过程中发挥耗能作用，对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以，耗 能减震结构体系是一种非常安全可靠的结构减震体系。 2 经济性 ， 传统减震结构体系采用“硬减 地震的途径通过加强结构、加大断面、多加配 筋等途径提高结构减震性能，使结构的造价明显提高。 耗能减展结构体系是通过“柔性耗能来减少结构地震反应，可以减少结构中剪 力墙的数量、减小构件断面、减少配筋，而其减震性能反而提高。国外工程资料表明， 耗能减霞结构体系与传统减震结构体系相比，可节约结构造价5 一1 0 ，若用于已有 建筑结构的改造加固、可节省造价6 0 左右。 3 技术合理性 传统减震结构体系是通过加强结构侧向刚度以满足减震要求的，但结构强度越大， 刚度越大，地震作用( 荷载) 也就越大。这对于高强、轻质的高层建筑、超高层建筑、大 跨度结构及桥梁结构等，会造成严重制约。 耗能减震结构体系则是通过设置耗能构件或装置，使结构在出现变形时迅速消耗 地震能量，保护主体结构在强震中的安全。结构越高、越柔，跨度越大，耗能减震效 果就越显著。 出于耗能减震结构体系具有以上优越性，且巳被广泛、成功地应用于“柔性”工 程结构物减震( 或减风) ，所以广泛应用于下述结构： 高层建筑； 高柔结构，高耸塔架； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 皇曼曼曼皇曼曼笪皇皇曼量曼舅曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼鼍曼曼曼i i 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼皇 大跨度桥梁； 柔性管道、管线( 生命线工程) ； 已有建筑减震( 或减风) 加固。 2 5 本章小结 1 本章分析了耗能减震的概念，介绍了几种常用耗能阻尼器，分别分析了其耗能 机理； 2 对阻尼器在高层建筑和桥梁上的安装进行了简单介绍； 3 分析了耗能减震结构的优越性，耗能减震结构具有安全性、经济性、及技术合 理性等优点，指出了其应用范围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第三章孑l 隙式粘滞阻尼器原理 自上世纪八十年代起，粘滞阻尼器( f l u i dv i s c o u sd a m p e r ) 逐渐被引入到铁路、桥梁 和高层建筑等工程结构中，用于工程结构的耗能减震。经过这几十年的发展，数以万 计的粘滞阻尼器已经安装于工程结构中，部分已经在地震中发挥了其应有的作用。通 过实例证实了安装粘滞阻尼器能够对工程结构起到良好的保护作用【51 9 2 们。 随着粘滞阻尼器的应用，粘滞阻尼器的开发研究也相继进行，这种类型阻尼器最 早主要应用于汽车、摩托车、机车车辆和航空设备。基于粘滞阻尼器的耗能原理，逐 步应用于工程结构。通过理论和实际的测试，粘滞阻尼器在工程结构中的表现都令工 程设计师们比较满意。由于我国粘滞阻尼器研究起步较晚，我国所使用的阻尼器大多 数还在依靠进口，尤其以泰勒公司生产的阻尼器居多。比如我国2 0 0 9 年宁波甬江特大 桥和南平闽江大桥的减震装置，都是采用的美国t a y l o r 公司的粘滞阻尼器产品。但是 国外公司为了保障其经济利益，都只卖产品，不出让技术资料，对产品基本上都只作 简单的介绍，详细的设计参数、制造工艺和应用等资料还不多见，阻碍着我国的粘滞 阻尼器的发展。 粘滞阻尼器在国内研究起步比较晚，自九十年代开始，国内一些高校和科研院所 才开始对粘滞阻尼器进行初步探索，并在一些论文、著作中介绍了一些概念及其原理， 设计了多款粘滞阻尼器，并联合某些企业投入生产。如东南大学工程减震与减震研究 中心与南京丹普科技工程有限公司生产的多种阻尼器产品，其产品也应用于某些结构 中，但是国内的粘滞阻尼器还没有形成一个统一的标准，产品还没有达到系列化【78 9 1 。 3 1 阻尼器介质所需基本性能 粘滞阻尼器的工作原理主要是活塞的运动追镀阻尼器阻尼介质流过小孔或者间隙 来产生摩擦阻力，从而耗散掉地震波带来的能量，保障工程结构的安全性。阻尼器的 内部结构及阻尼介质的性能对阻尼器的性能影响比较明显，因此在对于粘滞阻尼器的 研制过程中，需要设计出合理的结构来满足需要，同时还应该满足批量生产的要求， 环境的变化对阻尼介质的影响比较大，因此选择阻尼介质也是设计的重要部分。工程 结构常常是处于复杂的外界环境中( 如温差变化大，湿度大等) ，这样就需要在工程结构 上安装的粘滞阻尼器具有随环境影响小的性能，以保证结构控制具有有效性。所以作 为粘滞阻尼器的介质，我们常常选用粘度系数高的、粘温性能稳定的、粘度随着压力 变化不大、化学性质好、稳定、不容易挥发、无毒无害、不容易氧化的物质作为阻尼 介质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 曼鲁曼曼皇曼量曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼量曼曼i l l 曼曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼皇曼曼是曼蔓蔓! 皇曼詈鼍量曼量曼曼曼曼曼曼量皇量量曼曼曼曼量曼皇 3 1 1 流体的粘性 液体由分子组成，液体分子之间又存在相互作用力，当液体在外力作用下流动时， 液体分子之间的作用力会阻碍分子之间的相对运动，即产生一定的内摩擦力；液体分 子与之所接触的固体壁面分子间也有附着力作用。因此在液体流动时，使各处流体的 速度不尽相同，运动较快的液层能够带动运动较慢的液层。相反，运动较慢的液层则 阻碍运动较快的液层，速度不相同的液层之间相互制约，产生类似于固体之间摩擦过 程中所产生的摩擦力，即当发生相对运动时，流体内就会产生阻碍分子相对运动的摩 擦力，这种性质则称之为流体的粘性。 由牛顿内摩擦定律，流体流动时，液层间单位面积上的摩擦力t 与流体运动的速 度梯度成正比，其表达式： f = 竺兰( 3 1 ) 比 。 式中| i 动力粘度。 动力粘度f 与该液体密度p 的比值叫做运动粘度，用u 表示，即： 归芳 、( 3 - 2 ) 只有牛顿流体才具有这种可以严格的称之为粘度的概念，所有非牛顿流体都需要 两个或者两个以上的参数来描述其粘稠特性。但是，为了方便起见，以表观粘度( 动力 粘度f 与该液体密度p 的比) 来近似描述非牛顿流体的粘稠特性。 粘度是流体非常重要的参数，它反映流体的耗能能力和运动特性。流体的粘度对 温度变化非常敏感，温度升高，粘性流体的粘度降低。此外粘度与压强也有关系，压 强越大，流体的粘度也越大。阻尼介质的粘度变化，对粘滞阻尼器的耗能能力有很大 的影响，因此需要选用粘温性好，化学稳定性好的粘性流体作为阻尼材料。 3 1 2 流体的种类 在流体力学中，通常将剪切应力与流体的剪切变形角速度满足式( 3 1 ) 的流体称为 牛顿流体，反之，不符合上述定律的流体都称为非牛顿流体。 非牛顿流体可分为三类： 1 纯粘性非牛顿流体 该类流体静止时呈各项同性，当受剪切时应力的合力仅与变形率有关，与剪切的 持续时间无关，故又称为非时变性非牛顿流体。如塑性流体( 油漆、泥浆、和牙膏等) 、 伪塑性流体( 有机硅油、硅胶基等) 、胀塑性流体( 橡胶、纸浆、颜料、淀粉糊等) 【5 1 。 目前粘滞流体阻尼器所采用的阻尼介质多为伪塑性流体与塑性流体。伪塑性流体 又称为剪切稀化流体，该种类的流体主要为具有长分子链结构的高聚物熔体或者溶液， 以及具有细长纤维或者颗粒的悬浮液”。长分子链或者颗粒之间由于理化作用，形成松 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 散的结构形式，当外力作用下流体产生剪切流动时，原本松散、杂乱的结构被逐步破 坏，并且沿流动方向进行排列，剪切流速越快，纤维或者颗粒的排列就越齐整，流动 遇到的阻力越小，从而使这种流体的表现粘度随着剪切应变速度的增大而减小。 塑性流体也叫做宾汉流体，该流体的流变性质主要由其自身内部结构所决定，且 为多相流体。流体内部作为分散相的颗粒分散于连续相中【1 3 】，分散的颗粒之间存在很 强的相互作用，在流体静止状态下形成网状的结构形式。若要使流体产生流动，必须 使得施加剪切应力的大小足够破坏这种网状结构。 2 时间依存流体 时间依存流体主要有触变型流体和震凝型流体两种类型。该类型流体在等温条件 下，保持固定的变形率，随着时间的推移，应力逐渐增大或者减小，或者在固定的应 力作用下，随着时间的推移变形率逐渐减小或者增加。例如油墨等，即为此类流体。 3 粘弹性流体 该类流体既具有粘性，又具有弹性，既有固体的特性，流动时又能像流体一样因 摩擦损失而耗散能量。与粘性流体的区别主要在于外力