数据

结构保护系统

在地震工程领域内,始终存在着难以解决的问题:随着科学和计算机的发展,使计算分析越来越精确,但是,地震荷载非常复杂而又粗糙;地震所带来的破坏可能非常大,但发生的概率又非常之低。长期以来,工程师们往往是增强梁、柱、剪力墙用来被动抵抗,而采用更主动的办法减小结构所受地震力上不足。

到了二十世纪末期,这种现象有了很大的改变。吸收和采用其他航空和机械领域的成果,人们在传统结构构件之外,另加的装置:如基础隔震(Base Isolation),利用各种阻尼器(Damper) 吸能、耗能系统,高层建筑屋顶上的质量调谐阻尼系统(TMD)和主动控制(Active Control)减震体系,这些都已经走向了工程实际。它们往往是一些机械系统装置,我们称之为结构的保护系统。对于我们的结构工程师,它是一种新的思路。标志着我们已经跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动能力的观念,结合结构的动力性能,巧妙的避免或减少了地震、风力的破坏;对于预想不到地震,对于还不十分清楚的多维振动破坏,它有很好的预防和承受能力;它容易更换,最容易体现小震不坏,大震不倒的抗震原则。

结构保护系统的发展非常迅速。作为二十世纪末期世界地震工程上最振奋人心的成果——结构的保护系统,在世界上先进国家已经快速发展了30多年。已经有了非常成熟的成果,这种新技术的使用不仅是开辟了我们结构工程师的一个新天地,也确实解决了我们很多传统结构解决不了的问题。我国台湾起步比我们晚,但现在已经有十几个重要建筑、桥梁安置了或正在安置泰勒公司和日本的阻尼器。美国和日本是应用最多发展最快的国家。美国的主要地震地区加州,不考虑应用阻尼器,业主不会同意,主管部门不批准。

阻尼器一经使用,就显示出巨大的作用。最初几年,还没有相应的设计规范和精确的计算方法, 它只是成为一种附加的保护措施在工程中应用。随着计算方法、规范和各种试验、检验技术的完善,实际地震中的观察和测试,它已经完全被人们接受。阻尼器的使用已经从锦上添花的第二防线(大震时发生)发展到结构构件的一部分,替代传统的结构构件,参加结构分析。使用阻尼器还可能会大大减少结构造价。现在,我们可以肯定地说,“结构的保护系统”是二十世纪人们对结构的抗振动能力的提高上最显著的成果

当然,主要用来抗震的结构保护系统,对于大风、海浪、车辆等机械振动也同样重要,也同样得到了广泛的应用。

表1-1 结构的保护系统

基础隔震

被动耗散能量

半主动和主动控制

智能材料

夹层橡胶垫隔震

金属阻尼器

主动支撑系统

电流变(ER)

铅芯橡胶垫隔震

摩擦阻尼器

主动质量阻尼器AMD

磁流变(MR)

滑动摩擦隔震

粘弹性阻尼器

变刚度变阻尼系统AVS

压电合金作动器

滚动隔震层

粘滞液体阻尼器

油阻尼半主动控制

形状记忆合金作动器

支承式摆动隔震

谐振配重阻尼器TMD

主动拉索控制系统

 

滚珠或滚轴隔震

液体谐振配重阻尼器TLD

变摩擦可控阻尼器

 

阻尼器简介

使自由振动衰减的各种摩擦力和其他阻碍力,我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力,耗能减振的装置,称为阻尼器。

阻尼器减震设计的基本理念

1. 抗震能力的全面增强  -- 附属结构、推迟屈服、避免倒塌

2.抗震设计的补强,满足层间位移、剪力要求

3.满足抗风要求,替代大型TMD

4.结构降度设计满足抗震要求,节省抗震费用

5.节省建筑费用

液体粘滞阻尼器

1 工作原理

实际上,仅是钻一个简单的圆孔符合基本流体力学基本公式—柏努利(Bernoulli)方程,阻尼器出力只是限制在与速度平方成比例。

由于速度平方阻尼在用于消耗地震能量时受到限制,这时需要设计更加鲁棒性(Robust)及复杂的孔隙。如果需要改变速度平方阻尼关系,制作速度指数小于2的阻尼出力则需要通过小孔控制通过活塞头的流体压力,采用相对复杂的设计。第二代阻尼器采用的办法是利用弹簧压力球、提升阀等机械手段,

另外一种办法则是将小孔制成复杂并经过机加工的通道,通过流液控制,采用一系列获得专利技术准确定型的通道控制,依据这些通道的形状及面积可使速度指数在0.3~1.0范围内变动,而不需要在小孔内设置任何活动的部件。这类阻尼器成孔属于第二类非伯努利型小孔,采用射流型方法,射流型控制小孔没有可动的部件,装置出力可随流体速度的非平方幂指数变化。


2.阻尼器性能的重大测试保证

(1) 可靠性——参数准确,本构关系明确,200吨以上的第三方测试报告;

(2) 耐久性——长期不漏油,十万次以上的测试报告;

(3) 敏感性——2mm/sec以下的性能测试,本构关系测试报告;

(4) 正常工作检测——工作两年以上阻尼器内压测试,证明内压没有衰减;

5) 超载测试——阻尼器做过2倍以上安全系数测试报告。



测试过程

试验视频:
江阴大桥阻尼器测试
旧金山海湾大桥阻尼器动力测试
泰勒公司某阻尼器测试
某橡胶支座在试验中破坏
配合隔震的阻尼器的实验

液体粘滞阻尼器的测试
从上文中提到的阻尼器在美国的发展可以看出,在整个进程中一直强调的是阻尼器的产品性能、质量是否过关,从总体上来看,美国对阻尼器的测试可以分为以下三个部分:1、针对生产厂商的产品预检验,可以从预检验的结果看出生产厂商的生产及加工质量,是否具有资质和能力去生产阻尼器;2、针对具体工程项目提出的产品测试,检验生产厂商对具体工程项目所生产的产品是否满足要求;3、对产品的出厂测试,由各生产厂商自行完成。

1 阻尼器的产品预检验——阻尼器的试金石
阻尼器的各问题最终的检验和试金石,一个是检验过程,另一个是实际工程的运用过程。大家也都知道检验的重要,在所有的招标文件上都提出了各种各样的要求。但是从我们的体会,更重要的是有一个第三单位客观的予检测和鉴定。

这其中最引人注意的预检验,也就是前文中所提到的美国官方和协会曾经组织了两次大型联合测试(鉴定):在实验室试验的基础上,美国国家科学基金会和美国土木工程协会等单位,分别组织了两次大型联合测试。分别是由美国科学基金会(NSF)组织的阻尼器在美国旧金山金门大桥工程的对比检验和美国高速公路创新技术评估中心组织的10个公司的11种产品的大型集中对比试验(HITEC)[9]。这两次重要的测试指出了阻尼器应该经受的测试和检验的内容,也为规范、规程的测试要求奠定了基础。经过这两次大型测试,人们也对这种阻尼器的大量使用建立了信心。

A. 美国高速公路创新技术评估中心(HITEC)组织的10个公司大型集中对比试验

a.力学性能的时变性实验:

对于地震反应,对于地震反应,前十个运动周期是最重要的。HITEC 特意作出了前十圈的阻尼力随循环圈数的变化曲线。保持在一定的误差范围内(15%),是阻尼器质量的一项重要标志。我们看一下参加HITEC试验的三家公司的试验结果表:



安装方式


健康监测

阻尼器的质量,特别是耐久性,是至关重要的。特别是在结构上起重大作用的阻尼器。总有人希望了解它的可靠性。无论从实用和研究的角度,作使用中的在线健康监测都是很有意义的,我们在这里介绍一下。以北京市德胜门桥为例,安装后被怀疑漏油失效,因此进行健康监测后,无需拆解,直接可工作状态下进行检测测试,结果如下:

杭州东大桥大型阻尼器所处环境恶劣,工作浮动较大,阻尼器内压被怀疑漏油,内部结构遭到破坏,同样进行在线监测,测试结果如下,无任何问题,事实不仅证明泰勒阻尼器可在线监测,而且泰勒阻尼器质量过硬,可应对各恶劣条件。

联系我们

姓名*
电话*
邮箱*
地址*
留言信息*