液体黏滞阻尼器技术的最新发展（上）
发布时间：2019-09-16 作者：陈永祁
1 美国泰勒公司情况介绍
成立于1955年，一直是世界上减震器、液体弹簧、振动隔离系统、吸能阻尼器等振动控制产品的先驱，是纳斯达克上市公司，位于美国北部纽约州布法罗市，离尼亚加拉大瀑布不远。公司拥有世界上最高的振动控制技术，它是美国宇航局、国防部，航空工业振动控制装置的主要供应商，在美国阿波罗人造飞船、导弹发射和空军基地内均有泰勒公司的产品。
80年代末起，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，进行了大量消能减震结构试验。90年代初，美国国家科学基金会和土木工程学会分别组织了大型联合测试，泰勒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，使这一产品开始在实际结构上逐步应用。泰勒公司十分重视产品的研究、更新、改进和提高质量，其拥有阻尼器生产和检测的全套设备和能力，拥有可加载至700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，泰勒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35年免维护的振动控制产品。美国泰勒公司在世界范围内已经完成了700多个大型建筑、桥梁工程，其中有160座大型桥梁，有30多座斜拉和悬索桥。
泰勒公司能够获得成功得益于公司惊人的研发能力和创新意识。Taylor在冲击和振动团体中广泛地发表文章，创作了超过75篇关于不同主题的技术出版物，涵盖了从汽车碰撞安全到船舶与航天器的生命力的范围。他是在能量管理、水力学和隔振领域的36项专利的发明人或共同发明人。在2015年，Taylor先生正式就任NASA和太空基金会的太空技术名人堂，是国际结构控制与监测协会的一位创始成员，钢铁技术协会的终身会员，且曾在ASCE委员会担任桥梁的抗震性能和建筑的防爆工作。
公司在2018年6月成功完成了新老交替，原公司总裁兼董事Douglas P. Taylor和执行副总裁兼董事Richard G. Hill退休，新总裁Alan R. Klembczyk上任。
2 行业新动态
2016年5月19日，世界高层都市建筑学会（Council on tall buildings and urban habitat, CTBUH）组织在美国芝加哥举行了世界高层结构阻尼器技术研讨会，会议成员为来自世界上近40个公司和研究机构的专家，他们介绍和讨论了世界阻尼器在高层结构上的应用情况和工程情况，并对相关问题进行了讨论并交换看法。
图1 CTBUH出版
《Damping Technologies for Tall Buildings》
2018年9月CTBUH出版了《高层建筑阻尼技术，Damping Technologies for Tall Buildings》一书，该书在综合了全世界相关专家意见并分别撰写了关于阻尼器的选择、设计、安装和测试等诸多内容。书中对不同阻尼系统优缺点做了对比分析，使读者更为直观和准确做出选择。
2018年10月泰勒公司召开了第一次代理商代表大会，来自世界各地的泰勒技术销售人员在三天中对产品性能、销售策略以及泰勒最新发展技术进行了交流和学习，并在会后参观了泰勒最新建成的工厂。
3 抗风阻尼器的发展
为了达到结构抗风、提高舒适度的目的，除了常用的加强结构刚度的办法外，目前设计师更倾向于采用如下两种办法：一种是采用TMD系统（Tuned Mass Damper，调谐质量阻尼器）减振。国际上几个著名工程（如芝加哥凯悦酒店、台北101等）采用了TMD系统抗风的方案。另一种是直接采用液体黏滞阻尼器，目前越来越多的结构工程师已经考虑通过这种方式来减少结构的振动，并已有多个工程实例且成功通过了大风的考验。
1）波士顿亨廷顿111大楼为39层钢结构，使用60个130Ton阻尼器抑制结构风振反应，阻尼器设置以层间布置为主，部分阻尼器隔层布置，一定程度地保证了阻尼器从下到上的均匀性，其中一半的阻尼器采用效率较高的套索（Toggle）布置形式，阻尼器系统时程分析结果37层加速度X和Y方向分别由减振前的0.696 m/s2和0.45 m/s2下降到0.523 m/s2和0.305 m/s2；
2）北京银泰中心主塔楼共布置阻尼器73个，内筒从44~57层共用59个，外筒分别布置在46~57层共用14个，其中X向为35个阻尼器，Y向为38个阻尼器，同时在加强层23~48层设置了无粘结屈曲支撑(UBB)。55层（控制层）加速度X和Y方向分别由减振前的0.232 m/s2和0.231m/s2下降到0.200 m/s2和0.204m/s2，满足规范舒适度要求。
3）深圳恒裕后海项目为高档公寓建筑，B、C塔结构高度均超过250m，结构在风荷载作用下的顶部加速度超过了《高规》中限值，其中B座在结构7/15/28/40/53层5个加强层的环带柱间和墙柱之间布置双排对角连接的阻尼器，并在X向设置了阻尼器。X方向在减振前后顶层加速度由0.146 m/s2将至0.100 m/s2，减震率31.1%；Y方向在减振前后顶层加速度由0.190m/s2 将至0.146 m/s2 ，减震率23.2%；C座在结构的6/15/25/35/45层5个加强层的环带柱间和墙柱之间布置对角连接的阻尼器。X方向顶部加速度已满足要求，Y方向在减振前后顶层加速度由0.138m/s2 降至0.113 m/s2。
高层结构使用液体黏滞阻尼器抗风有3个需要注意的地方：1）风荷载造成的结构层间位移较小，对角连接方式通常不能有效利用阻尼器的最大冲程；2）由于风荷载持续时间长，阻尼器长时间工作产生的热量对阻尼器很不利，需要对阻尼器的平均功率进行验算，并根据工程需要采用特殊大功率的阻尼器；3）结构在微小的振动速度（如1mm/s）下，只有高质量的液体黏滞阻尼器才能有所响应并起到减振作用。
4 阻尼器产品的更新换代
阻尼器发展至今，已经绝非传统意义、单一功能的流体黏滞阻尼器，产品随着多个工程的应用不断发展，不断创新具备特定功能的减振装置，阻尼器产品的更新换代主要体现为如下几种产品：
4.1 既能抗震又能抗风的大阻尼器
黏滞阻尼器经过数十年的发展进步，在工程应用上已经呈现出一些新的变化和趋势。1）建筑工程用阻尼器不再局限于50吨、100吨小吨位阻尼器，而采用吨位较大、阻尼系数较大的阻尼器，如300～600吨阻尼器，阻尼系数在8000～10000kN/(m/sec)α。这一现状在高层、超高层结构中尤为突出。2）阻尼器不但要在地震中发挥作用，而且对于风振等微幅振动也要很好起到控制作用，阻尼器速度在2～500mm/sec均能发挥控制效果并保持本构关系。这种趋势对阻尼器的设计和制造、产品的测试都提出了更高的要求。
4.2 金属密封阻尼器
无摩擦金属密封阻尼器FHD（Frictionless Hermentic Damper）是一种具有独特性能的减振产品，是美国泰勒公司的一种专利产品，自从二十世纪八十年代开始就一直用于外太空设备装置中，并独家为美国航天局NASA以及相关的宇航机构供货。FHD阻尼器的出现解决了多年困扰美国航天局及军方的难题，即如何在太空中应用各种内置油液设备。泰勒公司很好的借鉴了应用于气态密封的金属波纹管密封技术，并成功应用到液体黏滞阻尼器上。金属波纹管密封技术的应用完全保证了阻尼器的零泄漏且在运动过程中几乎没有摩擦产生，可以满足核电领域所要求百分之二低摩阻的要求。
由于金属波纹管密封件的采用，该阻尼器可提供更大的功率，产生的热量随时平衡消散，可承受更高的内部温度而不破坏，阻尼器的耐久性、稳定性大幅提高。这类阻尼器可以用于振动幅度很大、频率较高的外界环境下。在土木工程领域已有部分项目采用这类阻尼器，如伦敦千禧桥、芝加哥凯越酒店TMD系统等。在这类阻尼器应用过程中，对于普通阻尼器有些情况并不适用，而应采用可以提供更高功率的无摩擦金属密封阻尼器。
图2超大无摩擦金属密封阻尼器
该产品被用于纽约西55街超高层建筑用阻尼伸臂桁架系统。这种早期应用于航天工程中的高性能金属密封阻尼器，目前在土木工程领域获得了长足的发展，并且根据土木工程需要提高了阻尼器的出力和冲程，满足了建筑和桥梁更广泛应用发展。
4.3 加设自由微动黏滞阻尼器
在日常荷载作用下大跨度桥梁用阻尼器、特别是晃动超大的悬索桥用阻尼器磨损严重。在普通液体黏滞阻尼器的基础上进行改进，使阻尼器具有一定的移动间隙，可以大大减少阻尼器的磨损量，延长阻尼器的使用寿命。此装置主要用来应对地震荷载的作用，避免日常荷载所引起的结构振动对阻尼器耐久性产生影响。间隙大小可以根据日常荷载所产生的变形设置。该阻尼器工作原理为：当该阻尼器两端所连接结构的相对运动位移的绝对值在间隙的范围内时，阻尼器不参与结构受力，一旦发生地震位移量大于间隙值后，该装置发挥常规液体黏滞阻尼器的作用。
4.4 改进大功率阻尼器
这是美国泰勒公司的专利产品，在金属密封阻尼器基础上进行改进的产品，可用于抑制风振、耐高温、振幅大和持时长的振动；
图3 改进型抗风无摩擦阻尼器
目前该产品已经成功安置在纽约432Park Avenue工程TMD系统中。
4.5 具有摩擦环黏滞阻尼器
文森特·托马斯大桥（Vincent Thomas Bridge）1964年建成，为主跨457m悬索桥。在1998年采用了阻尼器进行地震加固，由于车流量较大桥体日运动量较大导致阻尼器出现漏油。在重新更换阻尼器时采用了泰勒阻尼器。为最大限度减小由于车辆载荷造成的桥体运动，泰勒公司采用了20英寸宽、100Kip的摩擦环限制微小振动；当发生地震后，阻尼器可消耗地震能量，阻尼器最大出力165Kip，冲程±610mm。
图4具有摩擦环黏滞阻尼器
4.6 熔断阻尼器
根据不同的工程要求，设计者有时期望阻尼器具有下面两个阶段的特性：对于风、温度、刹车、小地震等常规荷载，阻尼器像刚性连杆一样，不发生两端相对运动；而在大风和大地震、超过一定的动力荷载时，阻尼器开始相对运动，并消耗振动能量，带熔断的液体黏滞阻尼器可以很好地实现这一愿望。这种阻尼器比常规的液体黏滞阻尼器多一个金属熔断装置，金属熔断装置起到控制开关的作用。其工作原理或工作方式可概括为：在金属熔断装置开前，其像刚性连杆一样，把所连接的结构锁定在一起，当达到一定的条件时，金属熔断装置断开，其将转换为常规液体粘滞阻尼器。
在美国旧金山附近的 Richmond SanRafael大桥上，泰勒公司提供了设计值为2270kN的带熔断的液体阻尼器，该装置上设计了在1250kN(F0)时断裂的金属熔断片。如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载，受力低于F0时，金属熔断片限制了阻尼器两端的相对运动；如果地震引起该阻尼器产生的力达到甚至超过F0时，金属熔断片断裂，其将像常规液体阻尼器那样耗能工作。熔断片断裂以后，只要简单地更换熔断片即可重复使用。
当然，这种阻尼器在工作的第一阶段金属熔断片限制了阻尼器的相对位移，桥梁也就限制了风和刹车荷载下的墩、梁相对运动，进而限制了温度变化下的墩、梁相对位移。要想在温度变化引起的变形较大的桥梁上使用时，可以在桥梁的另一端使用常规液体黏滞阻尼器，放开温度变形。
4.7 带泄压阀的液体黏滞阻尼器和锁定装置
带熔断的液体黏滞阻尼器不能释放温度变形，Taylor公司对早期熔断阻尼器基础上进行了更新换代，提出了带泄压阀的液体黏滞阻尼器。带泄压阀的液体黏滞阻尼器比普通黏滞阻尼器多一个泄压阀，此泄压阀为功能转换阀。泄压阀打开前表现为常规速度锁定装置的性质，打开后为常规液体黏滞阻尼器的作用。
带泄压阀速度锁定装置是内部经过特殊设计的速度锁定装置，起控制作用的为特殊的泄压阀，泄压阀打开前其具有普通锁定装置的功能，泄压阀打开后，锁定装置释放所连接结构体之间的相对运动。泄压阀打开和关闭受装置所产生的力控制，其控制值对应于最大锁定力Fmax，一旦动荷载所引起该装置所产生的力达到或超过最大锁定力达到Fmax值时，泄压阀打开；一旦动荷载作用结束，泄压阀关闭，重新发挥常规锁定装置的作用。
奇太振控：
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