液体黏滞阻尼器技术的最新发展（下）
发布时间：2019-09-16 作者：陈永祁
5 建筑阻尼器安置的改进和发展
随阻尼器在结构抗震、抗风等工程项目上应用的发展，也出现了多种不同的阻尼器安置办法。
5.1 传统的对角支撑
传统的对角支撑（diagonal）虽然存在斜向分量弱化阻尼器控制效果的问题，但仍然有其所特有的优势：1）连接方式简单，阻尼器的作用清楚，广泛被结构工程师使用；2）支撑刚度采用钢构件的拉伸压缩刚度，该刚度要远大于人字支撑、套索等阻尼器连接形式，同时降低由于钢支撑体系造成的位移量损耗，这十分有利于超大阻尼系数、非线性指数较小的阻尼器发挥更好控制效果。
5.2 人字及套索式支撑
人字型支撑 (chevron)的基础上又发展了考虑到放大位移的套索式支撑（toggle）、剪刀式支撑（Scissor Jack）等几种阻尼器安置办法。这几种连接方式具有如下特点：1）相对于对角支撑，阻尼器控制效果随放大系数均有较大放大，特别是套索和剪刀撑；2）这些连接形式大大增加了对支撑刚度的要求，一般来说，支撑刚度受力需要按照放大系数的平方进行设计，由此带来的设计难度大大增加；3）对于具有位移放大功能的连接形式，不建议采用过大的放大系数。虽然在有限元分析中可通过调整角度实现超大的放大系数，但这种连接的鲁棒性很差，在实际中很难实现预期的控制效果；4）根据Huang的分析，该放大系数并没有考虑连接支撑刚度的影响，如果考虑支撑刚度，其放大效果将有所降低。
5.3 跨层大支撑
在墨西哥使用的跨层大支撑加设阻尼器是抗震的一种好形式。墨西哥市长大楼（Torre Mayor）采用的隔层大型支撑方法安置，放大了阻尼器两端和位移，比单一层间安置的位移当然大得多，阻尼器的减振效果也就显著得多。旧金山弗里蒙特街181号结构阻尼器同样使用巨型支撑连接，每个巨型支撑上设置有4套阻尼器，每个方向的立面有2个带阻尼器的巨型支撑。
墨西哥市长大楼跨层支撑
美国181号结构阻尼器巨型支撑连接
图5 跨层大支撑构造
5.4 伸臂连接
伸臂桁架阻尼系统是近几年出现的一种高层结构风振控制的全新理念，其利用高层结构外层柱和核心筒的弯曲变形。伸臂连接又称竖直连接，通过结构的弯曲变形造成的内外部结构的竖直位移差来使阻尼器运动，而伸臂结构可以尽可能放大这一相对位移。由于这种连接方式往往要求所采用的阻尼器必须满足高功率、低摩擦的要求，同时在地震中由于出力过大也要求阻尼器不易继续工作，这也要求阻尼器具有限力的功能。这一连接形式在我国的应用呈现如下特点：
①设计人对是否真正断开伸臂桁架存在顾虑，这也限制了这种连接形式的普及。确实，如此大规模改变结构人员的固有思路是非常困难的；
②部分设计人员采用伸臂桁架阻尼系统进行地震控制而完全不考虑风振，由此引发阻尼器的漏油风险。
③不能采用仅适用于地震工况的普通阻尼器，而应采用能够适应持续风振等微幅振动的高功率、低摩阻的抗风阻尼器。
④一些超高层项目设置阻尼器用于抗震，但并未考虑风振对阻尼器的影响，忽视在风振造成的阻尼器功率过高的问题，从而对工程安全造成隐患。
图6 伸臂桁架阻尼器简化模型
5.5 开放空间系统
开放空间系统是泰勒公司最新的研究成果。由于目前的阻尼器连接系统均于其安放处在视觉上和身体上对空间产生阻碍，因而使建筑师或业主有时拒绝使用阻尼系统。开放空间阻尼系统利用简单机械联动来使系统可安置于空间周边，这样实际上使得空间在外观上没有改变。简单联动和机械装置提供了一个阻尼系统来去除振动能量，这如同一个不占用整个空间的对角支撑一样，对系统的安装是有效的。
图7 开放空间系统示意图
位于纽约州立大学布法罗分校SEESL试验室的大量大型振动台地震测试已经验证了系统的性能、理论及计算模型。可应要求提供技术报告MCEER-16-0007，它提供了完整的测试结果及系统理论与计算模型，以用于带有此系统的结构分析中。泰勒公司提供系统安装的完整理论和分析支持。
5.6 摩擦摆-钢弹簧阻尼器解决地铁上盖结构的振动和地震问题
地铁上盖物业最大的问题，就是长期持续的受到地铁振动的困扰。目前常用的钢弹簧隔振（地铁振）体系能够起到隔地震的作用。但钢弹簧隔振支座会使结构竖向频率下降并更接近地震的频率，一定程度上放大结构的竖向地震反应；水平向刚度过大，对于水平地震的隔震效果不佳。
这里可借鉴Constantinou教授为解决电力系统中变压器在地震中遭受破坏的问题，提出的变压器三维隔震体系，该三维隔震装置主要由隔离竖向地震的钢弹簧和阻尼器系统以及隔离水平地震的摩擦摆组成。这一装置解决了隔震支座同时具有较大的水平变形和竖向变形，而不发生失稳的问题。通过分析研究，这种摩擦摆-钢弹簧阻尼器结合的三维隔震装置，对于地铁振动引起的上部结构竖向振动，其减振率可基本达到传统钢弹簧支座的效果。与此同时，该装置对于水平地震作用的减震效率特别高，且可做到对竖向地震作用不放大。因此，该三维减振装置非常适合于高烈度区的地铁上盖结构的减振。在隔震层增加水平放置的液体粘滞阻尼器，来控制隔震支座的水平变形。为竖向振动提供粘滞阻尼力的为液体粘滞阻尼器，这与传统的钢弹簧支座中自带的胶质粘滞材料相比，更具有有效性和稳定性。
这种竖向钢弹簧、阻尼器以及隔离水平地震的摩擦摆组成系统目前还应与在了核电领域，如南非、法国的核电站隔震项目。
6 相关问题讨论
6.1 减薄或用阻尼器取代剪力墙
目前，大多数高层建筑剪力墙是结构水平侧力的主要补充体系，或主要体系，这已经在绝大部分建筑中广泛应用并深入人心。尽管这种结构可能因为剪力墙的作用有效地防止了结构的倒塌，但一旦剪力墙破坏，除了自身系统的破坏以外，可能会引起结构、管道、设备及玻璃幕墙等附属结构的破坏，这些破坏往往是损失巨大并难于修复的。
美国42 层Peer 大厦的设计者尝试采用阻尼器取代剪力墙的设计理念，如果这个方向得到验证，会给我们的结构设计带来革命性的影响，这种前沿的想法是值得支持和肯定的。
与剪力墙抗震体系相比，应用阻尼器体系有以下优点：①不用或少用剪力墙后将使用结构周期变长，一般会减少地震荷载。Peer大厦在取消核心筒的剪力墙，变成纯框架体系后，结构的第一周期由原来的4.1s变成5.54s，相应的结构反应下降。②使用阻尼器使结构阻尼比增加，进一步减少了结构反应。只要设计合理，采用阻尼器体系可以很好地取代剪力墙体系抗震。结构的层间剪力和基底剪力也都比原剪力墙结构有成倍的下降。且剪力墙是个一经破坏难以修复的体系，而设计合理、质量可靠的阻尼器在设计地震中不易破坏可重复使用，采用阻尼器的优势更加明显。
6.2 BRB、阻尼墙以及黏滞阻尼器对比分析
王珊珊对修建于1970s的某35层高层钢结构分别采用不同的方式进行了旨在提高其抗震性能的加固，并进行了对比。这些方法包括：采用液体粘滞阻尼器（FVDs）；采用粘滞阻尼墙（VWDs）以及采用防曲屈支撑（BRBs）。得到了下面的结论：
1）在BSE-2E水准的地震下，通过优化布置FVDs，使得结构层间位移角减小非常显著（减小30%），尤其对于原结构5~10层，最大层间位移角由5%减至1.5%之内，使得层间位移角变得更加均匀。同时减小层加速度50%以上，这对减少非结构构件的破坏很有帮助。并且有效的减少了梁柱节点的破坏。
2）采用VWDs方案，最大层间位移角仍然很大，最大一层超过3%，且梁柱连接处的破坏依旧非常严重。对于顶层的楼层加速度，比原结构反而增大了20%。且结构柱的受力也比之前增大很多。将梁柱连接加强之后，使用VWDs，其对层间位移角的减小可以与FVDs相当，但加速度的减小依然与FVDs差距较大。可见，该方法容易引起梁柱连接的破坏，对梁柱连接要求很高。
3）对于BRBs方案，由于BRBs增加了结构的刚度，从而增加了地震需求，反而增大了结构的部分楼层的层间位移角，梁柱连接的破坏也有所增加，同时楼层加速度也比原结构增加不少。
4）从结构地震反应性能来看，对于高层钢结构的抗震加固，VWDs和BRBs方案均远远逊于FVDs方案。
5）从未来的经济效应来讲，综合考虑三种加固方案的成本，以及在日后遇到的设计地震中，结构主体构件和非结构构件可能发生的破坏损失，和修缮成本、时间成本，采用FVDs方案是远远优于其他两种方案的。该方案可以将结构构件在设计地震下的维修损失率低于0.08的概率升至90%，而相对应的，VWDs方案的概率为30%，BRBs方案的概率为50%。通过采用FVDs方案加固，该建筑在未来可能发生的地震中的经济损失可以降低90%以上。
采用液体粘滞阻尼器对钢结构进行加固是最有效的提供结构抗震性能的方法，同时，其未来的经济效应最高。
6.3 性能保证和测试
阻尼器测试的问题在当下已经是老生常谈，如何保证阻尼器质量无论如何都撇不开测试这一环节，这也是所有阻尼器厂家和设计人员所必须面对的问题。此外，笔者想谈及的是关于阻尼系统的测试问题。
美国Constantinou教授经过数年的振动台实验进一步验证的具有位移放大功能的阻尼支撑的功效，并申请的专利，这也是套索式以及剪刀撑可以推广到实际工程的理论基础。近些年在国内也出现了几种套索专利，整个连接机构仅在具有略作调整后就完全抄袭原有的套索机构，并也同样沿用同形式的放大系数，而没有进行任何理论研究以及实验室的测试。更有甚至，有的专利已经被用于实际工程中，而对实际专利拥有人造成侵权，这些未经验证的机构也对建筑物安全产生不利影响。
应该指出，我国在专利申请与是否真是实用之间存在着巨大误区，一项专利如果被审批通过其实用性还存在极大不确定性，以笔者前文提及的某厂家抄袭的套索专利为例，这项专利存在根本性错误，但仍然获得完全外行的专利局的批准，在此情况下，只有通过整个阻尼机构的测试才能真正判断其是否可行。
6.4 电涡流技术
电涡流阻尼这种利用简单物理概念的产品研发已经发展多年，在国内外宇航、汽车、机械、土建等领域里均有所应用。目前电涡流TMD以及纵向电涡流阻尼器已经有在工程中使用，由于纵向电涡流阻尼器不存在漏油的问题，并且电涡流所具有的速度相关性，然而，电涡流究竟是否能真正用于实际工程，是否有相关的检验测试规范，厂家是否有详细检验测试规范的装置，在经过几年试用后，对于使用者和积极倡导者应该通过公开的方式对工程界给出答案。
7 汇总
本文是目前对粘滞阻尼技术发展的阶段总结。这些技术发展至今，仍有诸多问题亟待完善，文中虽然提及但由于篇幅所限也并不深入。对于土木工程领域，任何新技术的应用都不能一蹴而就，不断提出不同的观点、在不同的角度看问题并最终各方形成统一观点，这应该是其健康有序发展的正确方式。
奇太振控：
专注在结构减隔震以及其他结构振动控制领域的理论技术积累和新动态
介绍泰勒公司振动控制领域的新产品及新技术
如需商务联系，请关注公众号联系我们
您的关注
是对我们最大的支持
