在世界橋梁工程的阻尼器

1、在世界橋梁工程中遇到的橋上應(yīng)用到的阻尼器有以下幾種: 鎖定裝置 液體粘滯阻尼器 熔斷阻尼器 限位阻尼器 摩擦型液體粘滯阻尼器 支座式金屬屈服阻尼器前面五種都是主活塞形式的阻尼器。粘滯鎖定阻尼器和粘滯阻尼器是最常用的阻尼器，這兩種結(jié)構(gòu)可能是完全相同，僅硅油(或膠泥)流動的小孔大小不同，粘滯鎖定阻尼器僅是粘滯阻尼器的一種特例。熔斷阻尼器和限位阻尼器是實際工程發(fā)展出的液體粘滯阻尼器的最新產(chǎn)品。摩擦型液體粘滯阻尼器是最近幾年在國內(nèi)外有的公司生產(chǎn)的一種阻尼器，如果真有需要，泰勒公司可以生產(chǎn)，但并不推薦。支座式金屬屈服阻尼器不是本文的內(nèi)容，我們不作討論。鎖定(Lock-up)裝置(Lock-UpDevic

2、e(LUD),orShockTransmissionUnit(STU)Lock-Up裝置，見圖4-1,它是一種類似速度開關(guān)的限位裝置，當橋梁運動到某一速度時啟動。鎖定裝置兩個安置點間的相對位移。它的工作原理就像汽車上的安全帶。在慢速運動中它不限制。在急速運動中會起到制動作用。這種裝置不能耗散能量。用在大橋上的鎖定裝置，在溫度和正?；詈奢d下可以自由變形,但對于中小地震荷載、較大的風(fēng)荷載帶來的橋梁各部分間的運動和碰撞，可有效地起到減少、轉(zhuǎn)移和限制作用。圖4-1泰勒公司生產(chǎn)的680噸大型鎖定裝置及橋上的安裝液體粘滯阻尼器(LiquidViscousDamper)在本文的前述文章隹吉構(gòu)工程中應(yīng)用的泰勒

3、公司液體粘滯阻尼器忡我們已經(jīng)全面的介紹了液體粘滯阻尼器。他是我們介紹的基本產(chǎn)品，也是要推薦的主要產(chǎn)品。它是個需要并且能夠精確計算的定量化的產(chǎn)品，絕不僅是一個定性化的減振器。液體粘滯阻尼器的運動速度和阻尼力的關(guān)系式為:這里，F(xiàn)為阻尼力；C為阻尼器的阻尼值；V為阻尼器兩端間的相對運動速度；a為速度的指數(shù)。阻尼力和最大沖程這是阻尼器要設(shè)定的關(guān)鍵兩個參數(shù)。圖4-2熔斷阻尼器在美國舊金山附近的RichmondSan熔斷阻尼器（FuseDamper）設(shè)計工作者會提出希望制造兩階段的阻尼器：在常規(guī)荷載（風(fēng)、溫度、剎車、中小地震）下它像個連桿并不發(fā)生相對運動。在大風(fēng)和大地震、超過了一定荷載時，阻尼器發(fā)生作用。

4、泰勒公司生產(chǎn)的熔斷阻尼器可以很好的實現(xiàn)這一愿望。這種阻尼器比一般的液體粘滯阻尼器多一個金屬熔斷裝置，這個熔斷裝置限制阻尼器直到受力達到一個特定值時才可以工作。Rafael大橋上，泰勒公司提供了設(shè)計值為2270kN的熔斷阻尼器裝置，這個裝置有一個在1250kN時斷裂的金屬保險片。如果阻尼器受到風(fēng)荷載、剎車荷載或者小的地震荷載，當受力低于1250kN時，阻尼器兩端間并不運動；如果有地震導(dǎo)致1250kN甚至更大的荷載時，金屬保險片將斷裂，阻尼器將像一個一般的2270kN的阻尼器那樣工作。當保險片斷裂以后，需要進行更換，簡單地更換保險片后阻尼器可繼續(xù)使用。限位阻尼器我國交通公路規(guī)劃設(shè)計院設(shè)計的世界跨度

5、大的斜拉橋-蘇通大橋為了防止預(yù)想不到的特大風(fēng)和地震可能給橋帶來的超量位移。設(shè)計要求了一種新型帶限位的阻尼器。在常規(guī)阻尼器的基礎(chǔ)上，在阻尼器運動的雙方向上加設(shè)限位彈簧。在蘇通大橋限位阻尼器最大位移超過±750mm時，阻尼器進入兩端彈簧限位階段。限位由非線性彈簧板實現(xiàn)。限位可達最大附加位移+100mm,限位力可達980噸。這一超大的阻尼器見下列圖4-3。圖4-3蘇通大橋限位阻尼器摩擦型液體粘滯阻尼器在上述阻尼器的基本關(guān)系式（4-1）中，當速度的指數(shù)a非常小時該關(guān)系試近似為：八仍上（4-2）阻尼力就變成與速度無關(guān)的曲線（圖4-4（b）。這種摩擦型粘滯阻尼器在較小的動力荷載時并不發(fā)生作用，當

6、加大速度使阻尼力達到阻尼力最大值時開始發(fā)生滯回耗能作用。這種阻尼器有如下確定：o和液體粘滯阻尼器不同，當橋梁的變形最大時，阻尼器仍然保持受力也最大，這對橋梁受力來說是不可取的。觀察下列兩個不同的滯曲線，是不難看出這一點。液體粘滯阻尼器（a）摩擦阻尼（b）圖4-4滯回曲線（力位移）特別是當橋梁位移最大時刻，速度會更換方向，阻尼器出力也就隨之更換方向（見圖4-5）o和結(jié)構(gòu)位移相同方向的最大阻尼力會對橋梁的變形起加大作用，它完全可能不僅起不到保護橋梁的作用，反而加劇橋梁的運動和變形。D=Dmax圖4-5粘滯阻尼與摩擦阻尼在位移最大時的出力對比 始終保持最大受力的摩擦型液體粘滯阻尼要比常規(guī)液體粘滯阻尼

7、器更容易發(fā)熱。 在阻尼器未達到最大受力前，這種阻尼器的出力只能停留在那個急劇上升段或下降段，阻尼器不能耗能，起不到耗能作用，也就是說，在小震和風(fēng)振中阻尼器并不發(fā)生作用。 在橋梁計算分析軟件SAP2000程序中速度指數(shù)定義的范圍為0.22.0,用這個程序，怎麼模擬摩擦粘滯阻尼器？我們并不清楚。 根據(jù)我們對液體粘滯阻尼器產(chǎn)品的了解，要想實現(xiàn)阻尼器a接近于*II,要內(nèi)或外設(shè)置專門控制油量的閥門和油庫，如圖4-6所示，這一另加的機構(gòu)，無疑會增加破壞的可能性，處理不好會影響阻尼器的壽命。上述的原因，使我們并不推薦這種阻尼器。在上述五種阻尼器中，如何選用？我們的意見是：從大多數(shù)橋梁的需要來看，應(yīng)該首選常規(guī)

8、的鎖定裝置和粘滯阻尼器。他們的價格也最便宜。到底是選用鎖定裝置還是粘滯阻尼器，建議利用下表進行分辨：液體粘滯鎖定裝置只不過是液體粘滯阻尼器的一個特殊狀態(tài)，這兩種阻尼器出力和速度間的變化曲線如下圖所示。圖4-7鎖定裝置和阻尼器的速度一力曲線鎖定裝置和阻尼器的不同點和選用辦法，見表2-4表2-4鎖定裝置和阻尼器的不同點和選用辦法類別鎖定裝置耗能阻尼器相同溫度下自由變形可以可以點形狀和內(nèi)核活塞式活塞式使用目的大運動時鎖死，起到阻尼過大運動大振動中耗能不同點分散受力的作用減少受力和位移控制開關(guān)根據(jù)要求速度開關(guān)控制可以不設(shè)開關(guān)計算辦法O/I函數(shù)，連桿或零桿F=CV8函數(shù)設(shè)計判斷1中小地震，地震力不大大地

9、震區(qū)，或希望幫助橋墩受力2受力分散后橋墩受力分散后，橋墩不能承受要求的標準可以承受地震力地震力3鎖定后，將運動完全鎖死鎖死控制運動但不鎖死在橋梁的設(shè)計中特別希望施加一定剛度，在中小風(fēng)振、地震和車輛荷載時希望阻尼器協(xié)助微死的，可以選用熔斷粘滯阻尼器。當橋梁所處的環(huán)境復(fù)雜、不可預(yù)見性高又不希望阻尼器有過大的位移時可以考慮使用帶限位的液體粘滯阻尼器.阻尼器簡介前面談到的結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)中爭議最少，有益無害的系統(tǒng)要屬利用阻尼器來吸收難予預(yù)料的地震能量。利用阻尼來吸能減震不是什么新技術(shù)，在航天航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器來減振消能。從二十世紀七十年代后，人們開始逐步地把這些技術(shù)轉(zhuǎn)用

10、到建筑、橋梁、鐵路等工程中，其發(fā)展十分迅速。理殊II簡單地說，使自由振動衰減的各種摩擦力和其他阻礙力，我們稱之為阻尼。而安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的構(gòu)件可以提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，我們稱為阻尼器。我們早已經(jīng)熟習(xí)汽車、大炮、電梯間上面使用的減振器。如果把它進行數(shù)學(xué)模型化，應(yīng)用到我們結(jié)構(gòu)工程上，我們傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力方程可以寫成234:Mi+Cu+Ku+FJu)=F©(1)式中，M、K、C分別代表結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣；F為作用力列陣，對于地震作用，山；是地面運動加速度時程；11、ii,k分別是結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度列陣。當結(jié)構(gòu)處于彈性振動狀態(tài)，恢復(fù)力項Ku為彈性；而當結(jié)構(gòu)振動進入彈

11、塑性階段，則恢復(fù)力項Ku也呈非線性。E加為設(shè)置阻尼器附加阻尼裝置帶來的阻尼力列陣；只要處理正確，它總是會使運動減小。如果寫出能量方程的形式：Er+Ed*員+%=E(2)&EQHJjfil-Ti圖1-1單自由度體系不同阻尼比下的動力反映分解成不同振型的單自由度體系的反應(yīng)隨阻尼比的增大而減少，其多自由度結(jié)構(gòu)相應(yīng)阻尼比也就響應(yīng)增加，反應(yīng)降低。一般地說，我們很容易通過阻尼器，使多自由度體系的整體阻尼比增加5%-30%1可以看出，我們所熟習(xí)的減振裝置，如果能把它精確化、準確化，就可以成為我們工程中可以應(yīng)用的減振器，可以稱為阻尼器或吸能器。到二十世紀末，人們設(shè)計制造出了各種方式的阻尼器。已經(jīng)成功實

12、用的阻尼器主要的有以下幾種23摩擦阻尼器一一利用金屬(或非金屬)之間的摩擦產(chǎn)生阻尼。加拿大PallDynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的構(gòu)造簡單，造價低。缺點是承受力較小，溫度的穩(wěn)定性差。粘彈性阻尼器一一利用一些粘彈性材料產(chǎn)生阻尼。美國3M公司的粘彈性阻尼在日本有了很大的應(yīng)用。但它有個初始剛度，也有溫度的穩(wěn)定性的問題。液體粘滯阻尼器一一利用液體在運動中的粘滯特性產(chǎn)生阻尼。這種阻尼器在軍事和宇航上已經(jīng)成功的應(yīng)用了幾十年，精確性好，穩(wěn)定性高，缺點是價格較高金屬屈服阻尼器一一利用金屬的屈服產(chǎn)生阻尼金屬屈服阻尼器通常采用低碳鋼或鉛作為原料，前者有良好的塑性變形能力，后者有較強的延展性能。這種阻尼

13、器的滯回特性穩(wěn)定，低周疲勞性能較好，缺點是屈服后無法恢復(fù)。它們的滯回曲線分別如下（圖1-2）（1）液體粘滯阻尼器（2）摩擦阻尼器（3）粘彈性阻尼器圖1-2不同阻尼器的滯回曲線這種液體粘滯阻尼器在其它領(lǐng)域上已有幾十年的應(yīng)用歷史，成熟的經(jīng)驗、穩(wěn)定的結(jié)果，都給在建筑結(jié)構(gòu)上應(yīng)用迅速成功帶來了很大幫助。阻尼器可以看成減振器，但它和普通汽車、電梯間、大炮絕然不同。對我們結(jié)構(gòu)工程師說來，最重要、最關(guān)心、也一定要考慮的是以下幾方面：a.精確性，要求阻尼器不僅能在定性上裝振還要求能精確的計算出它的阻尼力。帶來阻尼的大小。最初阻尼器的使用，只是作為一種錦上添花的抗震措施，基本的結(jié)構(gòu)分析可能并不考慮它。但是，隨著阻

14、尼器的使用發(fā)展，它已經(jīng)進入抗震分析中。也就是說，用了阻尼器可以減少其他結(jié)構(gòu)要求。美國規(guī)范和工程界都已經(jīng)接受。計算的精確性，就成了重大因素。b.可靠性，結(jié)構(gòu)要在各種不同的環(huán)境下使用，也就要求阻尼器一定要在各種環(huán)境下可靠，如：溫度、天氣下的可靠。c.耐久性，長期使用的穩(wěn)定，包括疲勞，長期應(yīng)用下的徐變等影響。d.一致性，同一理論要求的阻尼器性能要保持一致，這樣可以避免很多不良后果。這些要求，就使得我們選擇阻尼器產(chǎn)品，不能簡單地看外形，看一、二次試驗的結(jié)果。我們一定要從它的材料、設(shè)計制造、產(chǎn)品檢驗、模型和原型振動分析、工程應(yīng)用、實際地震的考驗、規(guī)范和工程界接受等諸方面評價。特別要強調(diào)的是如果沒有真正深

15、入了解技術(shù)的專家組的鑒定，沒有長時間應(yīng)用的檢驗就使用的阻尼器可能會漏油、生銹等原因引起失效或部分失效。帶來很多意想不到的副作用。液體粘滯阻尼器液體粘滯阻尼器從原理上不難理解：在下列圖2-1中的活塞隨著結(jié)構(gòu)的運動而運動時，活塞頭向一邊運動，內(nèi)設(shè)硅油受到擠壓，對活塞產(chǎn)生反向粘滯力。同時，硅油從活塞頭上的小孔向活塞頭的另一端流去，使活塞的受力逐步減少。其基本關(guān)系式為：FD=CoSign(V)Vo(1-3)這里，F(xiàn)M尼力；CM尼系數(shù)；a速度指數(shù)，常取0.3-1.0之間;已經(jīng)得到結(jié)構(gòu)界廣泛共識的是：液體粘滯阻尼器最適于我們結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用，這種阻尼器有以下明顯的優(yōu)點: 內(nèi)置液體，本身沒有可計算的剛度，不影響

16、整個結(jié)構(gòu)原有的設(shè)計和計算（如周期，振型等），也就不會產(chǎn)生預(yù)想不到的副作用； 呈橢圓型的滯退曲線（圖1-2（1）,保證了安置在結(jié)構(gòu)上的阻尼器在最大位移的狀態(tài)下受力為零，最大受力情況下位移為零，這一性能對減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)十分有利； 它既可以降低地震反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)受力也可以降低反應(yīng)位移。 可在地震和大風(fēng)荷載下重復(fù)使用； 只要內(nèi)置液體選用合適，會有很好的抗候性，幾十年沒有老化、變質(zhì)問題。液體粘滯阻尼器的速度指數(shù)生產(chǎn)廠家速度指數(shù)的大小是觀察其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和性能的一個重要觀察口，從目前我們有的公開資料（產(chǎn)品目錄和公開發(fā)表的論文），匯總?cè)缦?。?-2不同廠家的產(chǎn)品所定義的不同速度指數(shù)速度指數(shù)變化能力工廠名速度指數(shù)

17、a填充材料可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整美國泰勒公司0.31.0硅油美國Endine公司0.31.0硅油日本三菱公司0.41.0硅油固定參數(shù)德國隔而固（國產(chǎn)）0.43硅油德國Mauler0.015硅油南京杲大學(xué)產(chǎn)品1硅油FIP0.15硅油法國Jerret0.15硅膠Algo鎖定裝置硅膠Colerand鎖定裝置硅膠Sap2000和Etabs0.22.0一般的說，誰都想多給客戶幾個選擇，使速度指數(shù)可以在一定范圍內(nèi)變化給設(shè)計分析者較大的選用空間，便于設(shè)計優(yōu)化。但是從生產(chǎn)工藝上要做到使阻尼器中的阻尼器參數(shù)（C）和速度指數(shù)（a）,同時作為一定范圍內(nèi)可以自由變化的變量存在，并不是很容易的。也就很難做到使參數(shù)中的C和

18、a可以自由選擇。說明一點，美國和歐洲設(shè)計規(guī)范中都不去明確速度指數(shù)的選擇范圍，把這個空間留給生產(chǎn)廠家，但是在金門大橋的對比分析中評估委員會統(tǒng)一要求a=0.5是該委員會意見的一個表達，在SAP2000和ETABS計算程度規(guī)定a的取值定為0.2-2.0。這就是說以上很多表中的阻尼器有SAP2000來模擬計算是不適合的。、建筑方面為了得到粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)中的合理布置，一般需有一個試算調(diào)整過程，使粘滯阻尼器消耗地震的能量最有效，阻尼器安裝在不同位置，可以達到設(shè)計的不同目的。一般粘滯阻尼器的布置原則是在阻尼器兩端具有較大的相對位移樓層設(shè)置；對于有扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)根據(jù)地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的情況不對稱設(shè)置抗扭轉(zhuǎn)的阻尼器。另外隨著阻尼器在結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)等項目上應(yīng)用的發(fā)展，很多結(jié)構(gòu)上都采用了不同安裝方式、組成不同類型的安置模型?？偨Y(jié)目前阻尼器在結(jié)構(gòu)上的安裝方式，主要有對角支撐、人字型支撐、套索式支撐、剪刀式支撐等幾種，如又圖所示。此外，還可以配合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)、TMD