建筑用第三代阻尼器产品的原理及性能特点

1.1 以弹性胶泥为介质的第一代产品

1.1.1 工作原理

弹性胶泥是一种由有机硅高分子化合物、填充剂、抗压剂、增塑剂、着色剂等化学成分组成的材料。弹性胶泥是利用胶泥的粘弹性、流动性和体积可压缩性来工作的。上述特点必然将其置于密闭的容器中，以一定的机械结构来实现其减震、平衡、缓冲功能。将弹性胶泥装入密闭容器中，根据需要使之产生一定的预压力，当活塞柱受到的外压力小于预压力时，活塞柱静止不动；当外压力大于预压力时，活塞柱向容器内移动，部份活塞柱进入容器内，此时弹性胶泥被压缩，体积缩小，并对活塞柱产生反作用力，直至与外压力相等，在这一过程中弹性胶泥接收部份外力动能并转化为胶泥的弹性势能；同时在外力作用下胶泥通过活塞与容器壁之间的间隙产生流动时发生摩擦以及弹性胶泥的分子运动、分子链段和分子链的移动都要消耗部份外力动能并转化为热能而散失，从而起缓冲、减振作用；当外力减小或撤消后，弹性胶泥自行体积膨胀，将活塞推向或推回原位。

图 1 

Jarret阻尼器是最为典型的利用胶泥做为介质的阻尼器产品。这种阻尼器不仅给结构附加阻尼，同时给结构附加刚度。

一般在制作过程中对阻尼材料施加预压力，这样当阻尼器受到压力小于预压力时，阻尼装置提供刚度，当阻尼器受到的压力超过预压力时，活塞杆就将挤压阻尼介质，从而可以提供阻尼和刚度。当外载撤销后，粘滞弹簧阻尼器由于对阻尼介质施加了预压力从而会回到阻尼器未变形的初始状态。

图 2 Jarret阻尼器外套结构简图                  图 3 Jarret 耗能器滞回曲线

Jarret阻尼器只能在受压状态下工作，为使其可在拉压状态下都能工作，需要专门加工阻尼器外套装置，使耗能器核心部分在拉压荷载下都处于受压状态。Jarret阻尼器的滞回曲线图仅在Ⅰ、Ⅲ象限消耗能量，这与其构造特点和原理吻合。

1.1.2 第一代产品的性能及现状

这种装置内填充硅胶材料（Putty）来实现黏滞作用，不适合用于长期使用的锁定装置，更不适合于需要长期稳定性能的阻尼器，其理由是：

1) 硅胶在冷热中的性能变化非常大，当受冷（如-10℃）时，硅胶变成很硬的固体，丧失活动性，起不了粘滞作用。当加热时（如30℃）时，硅胶会变得很稀，流动性很大，粘滞性能也会一定程度减弱。

2) 导热性差，当某部分变热，温度会上升得很快，但其它地方却变化不大，至使装置内固液不均。因为胶泥是由橡胶粉和硅液组成，这种局部热量会使硅胶分解成原来的固液两部分，导致了不均匀的物理特性。

3) 长期使用性能差，在最初使用的1～2个受力循环内，硅胶作填充材料的锁定装置，看上去还可以工作。但几个循环过去，填充材料发热，就会产生硅胶变质和材料分离的现象，其滞回曲线迅速变化。阻尼器处于失控状态。

4) 使用这种硅胶材料，最初生产出的产品不存在漏油问题，用一段时间后，在冷热环境下油固分离，就同样会产生漏油。韩国高速铁路上使用的第二代阻尼器产品在安装不久后的漏油问题就足以证明。

硅胶温度稳定等性能极差，无法达到有高精度要求的液体弹簧和阻尼器的要求。在减振装置中，仅能用于那些缓冲器仅提供单向减振且没有很高参数要求。

在欧洲这项技术被一些公司一直采用，英国Colebrand Device生产的内置硅胶的速度锁定装置在漏油声中破产；法国Jarret公司由于阻尼器不能达到设计要求，而不得不在2005年选择放弃，该公司在购买了美国Endinine技术后仍生产不出性能稳定的阻尼器，最终导致在2005年宣布破产。在国内阻尼器技术初步形成阶段，法国Jarret 公司是主要的仿制对象，法国Jarret 公司在国内影响很大，在其破产后在我国留下了诸多无人维护的工程，甚至一些国家级的重点工程。

图 4 韩国高铁Colebrand Device漏油产品

     1.2 以机械式阀门为基础的第二代产品原理

1.2.1 工作原理

油阻尼器通过流体的惯性力实现阻尼功效，单位时间内通过的流体流量是改变阻尼器出力的关键要素，通过机械手段实现流体流量改变的方式是设置阀门，即在油路中设置控制阻尼力特性的阀，称之为流量控制阀（Flow Control Valve 或 Pressure Control Valve），流量控制阀根据作用在阀上的压力与阀弹簧力的平衡关系改变流体通过的面积。图 5为设置预压阀门的油阻尼器详细构造。

图 5 设置预压阀门的油阻尼器详细构造

由于需要根据流量控制阀的开启量达到压力与流体流量的特定关系，流量控制阀要经过精确设计加工较为困难，其后期的耐久性也备受关注。正因如此，多数生产厂均不生产这种线性阻尼器。

为了获得不同的功效，则需要更多的利用阀门的机械原理。通常的做法是低速调压阀以及高速调压阀两种装置，从而使油阻尼器呈现双线性特性。这种高速调压阀门被称为溢流阀（Pressure Relief Valve）。

图 6为采用蓄能器的阻尼器，蓄能器是油压阻尼器的重要部件，在阻尼器受到冲击时，内部的换向阀突然换向、执行元件运动的突然停止都会在液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，造成设备内部元件和密封装置的损坏。蓄能器用在阻尼器一般作为温度补偿、油介质的泄漏补偿以及活塞杆在往复运动时的体积变化调节的功能。

图 6 外置蓄能器的阻尼器

1.2.2 第二代产品的性能及现状

日本和欧洲的几家公司采用在阻尼器中加设阀门和油库（蓄油器），控制油压的技术生产被称之为“油阻尼器”的产品，其中速度指数多数从0.05～0.2之间变化。这种技术其阻尼器内部设置预压弹簧和流量控制阀门，靠惯性力产生粘滞作用并使阻尼器达到设计的参数。油库设置显然增大了油腔内的油体积，这有利于向外界耗散更多的热量，同时也便于那些不能做到严密封闭或者需要进行定期维护的厂家作为油库来补充。蓄能器是油压阻尼器的重要部件，在阻尼器受到冲击时，内部的换向阀突然换向、执行元件运动的突然停止、打壳，都会在液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，造成设备内部元件和密封装置容易损坏。早期的第二代阻尼器采用外部设置油罐和阀门的方式，在改进后被放置在阻尼器内部，因此相对体积较为庞大，也是分辨这种阻尼器的标志。

Jarrett-Enidine 合资企业在加州政府工程和台湾工程中生产的阻尼器在检测中的大量失效，所导致的破产已经完全证明了这种技术的失败。我国新建的阻尼器厂家更不易再用这种落后技术留下隐患。

1.3 通过射流孔控制阻尼参数的第三代产品

1.3.1 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。

图 7 射流型阻尼器内部构造

2.1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。