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(dòng)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(shí)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(guó)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(jiàn)圖4-1,它是一種類(lèi)似速度開(kāi)關(guān)的限位裝置，當(dāng)橋梁運(yùn)動(dòng)到某一速度時(shí)啟動(dòng)。鎖定裝置兩個(gè)安置點(diǎn)間的相對(duì)位移。它的工作原理就像汽車(chē)上的安全帶。在慢速運(yùn)動(dòng)中它不限制。在急速運(yùn)動(dòng)中會(huì)起到制動(dòng)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(duì)于中小地震荷載、較大的風(fēng)荷載帶來(lái)的橋梁各部分間的運(yùn)動(dòng)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(gè)需要并且能夠精確計(jì)算的定量化的產(chǎn)品，絕不僅是一個(gè)定性化的減振器。液體粘滯阻尼器的運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(gè)參數(shù)。圖4-2熔斷阻尼器在美國(guó)舊金山附近的RichmondSan熔斷阻尼器（FuseDamper）設(shè)計(jì)工作者會(huì)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(chē)、中小地震）下它像個(gè)連桿并不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在大風(fēng)和大地震、超過(guò)了一定荷載時(shí)，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(shí)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(gè)金屬熔斷裝置，這個(gè)熔斷裝置限制阻尼器直到受力達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)才可以工作。Rafael大橋上，泰勒公司提供了設(shè)計(jì)值為2270kN的熔斷阻尼器裝置，這個(gè)裝置有一個(gè)在1250kN時(shí)斷裂的金屬保險(xiǎn)片。如果阻尼器受到風(fēng)荷載、剎車(chē)荷載或者小的地震荷載，當(dāng)受力低于1250kN時(shí)，阻尼器兩端間并不運(yùn)動(dòng)；如果有地震導(dǎo)致1250kN甚至更大的荷載時(shí)，金屬保險(xiǎn)片將斷裂，阻尼器將像一個(gè)一般的2270kN的阻尼器那樣工作。當(dāng)保險(xiǎn)片斷裂以后，需要進(jìn)行更換，簡(jiǎn)單地更換保險(xiǎn)片后阻尼器可繼續(xù)使用。限位阻尼器我國(guó)交通公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的世界跨度

5、大的斜拉橋-蘇通大橋?yàn)榱朔乐诡A(yù)想不到的特大風(fēng)和地震可能給橋帶來(lái)的超量位移。設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(guò)±750mm時(shí)，阻尼器進(jìn)入兩端彈簧限位階段。限位由非線(xiàn)性彈簧板實(shí)現(xiàn)。限位可達(dá)最大附加位移+100mm,限位力可達(dá)980噸。這一超大的阻尼器見(jiàn)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(dāng)速度的指數(shù)a非常小時(shí)該關(guān)系試近似為：八仍上（4-2）阻尼力就變成與速度無(wú)關(guān)的曲線(xiàn)（圖4-4（b）。這種摩擦型粘滯阻尼器在較小的動(dòng)力荷載時(shí)并不發(fā)生作用，當(dāng)

6、加大速度使阻尼力達(dá)到阻尼力最大值時(shí)開(kāi)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(dāng)橋梁的變形最大時(shí)，阻尼器仍然保持受力也最大，這對(duì)橋梁受力來(lái)說(shuō)是不可取的。觀(guān)察下列兩個(gè)不同的滯曲線(xiàn)，是不難看出這一點(diǎn)。液體粘滯阻尼器（a）摩擦阻尼（b）圖4-4滯回曲線(xiàn)（力位移）特別是當(dāng)橋梁位移最大時(shí)刻，速度會(huì)更換方向，阻尼器出力也就隨之更換方向（見(jiàn)圖4-5）o和結(jié)構(gòu)位移相同方向的最大阻尼力會(huì)對(duì)橋梁的變形起加大作用，它完全可能不僅起不到保護(hù)橋梁的作用，反而加劇橋梁的運(yùn)動(dòng)和變形。D=Dmax圖4-5粘滯阻尼與摩擦阻尼在位移最大時(shí)的出力對(duì)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(dá)到最大受力前，這種阻尼器的出力只能停留在那個(gè)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(shuō)，在小震和風(fēng)振中阻尼器并不發(fā)生作用。 在橋梁計(jì)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(gè)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(duì)液體粘滯阻尼器產(chǎn)品的了解，要想實(shí)現(xiàn)阻尼器a接近于*II,要內(nèi)或外設(shè)置專(zhuān)門(mén)控制油量的閥門(mén)和油庫(kù)，如圖4-6所示，這一另加的機(jī)構(gòu)，無(wú)疑會(huì)增加破壞的可能性，處理不好會(huì)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(jiàn)是：從大多數(shù)橋梁的需要來(lái)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(jià)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(jìn)行分辨：液體粘滯鎖定裝置只不過(guò)是液體粘滯阻尼器的一個(gè)特殊狀態(tài)，這兩種阻尼器出力和速度間的變化曲線(xiàn)如下圖所示。圖4-7鎖定裝置和阻尼器的速度一力曲線(xiàn)鎖定裝置和阻尼器的不同點(diǎn)和選用辦法，見(jiàn)表2-4表2-4鎖定裝置和阻尼器的不同點(diǎn)和選用辦法類(lèi)別鎖定裝置耗能阻尼器相同溫度下自由變形可以可以點(diǎn)形狀和內(nèi)核活塞式活塞式使用目的大運(yùn)動(dòng)時(shí)鎖死，起到阻尼過(guò)大運(yùn)動(dòng)大振動(dòng)中耗能不同點(diǎn)分散受力的作用減少受力和位移控制開(kāi)關(guān)根據(jù)要求速度開(kāi)關(guān)控制可以不設(shè)開(kāi)關(guān)計(jì)算辦法O/I函數(shù)，連桿或零桿F=CV8函數(shù)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)可以承受地震力地震力3鎖定后，將運(yùn)動(dòng)完全鎖死鎖死控制運(yùn)動(dòng)但不鎖死在橋梁的設(shè)計(jì)中特別希望施加一定剛度，在中小風(fēng)振、地震和車(chē)輛荷載時(shí)希望阻尼器協(xié)助微死的，可以選用熔斷粘滯阻尼器。當(dāng)橋梁所處的環(huán)境復(fù)雜、不可預(yù)見(jiàn)性高又不希望阻尼器有過(guò)大的位移時(shí)可以考慮使用帶限位的液體粘滯阻尼器.阻尼器簡(jiǎn)介前面談到的結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)中爭(zhēng)議最少，有益無(wú)害的系統(tǒng)要屬利用阻尼器來(lái)吸收難予預(yù)料的地震能量。利用阻尼來(lái)吸能減震不是什么新技術(shù)，在航天航空、軍工、槍炮、汽車(chē)等行業(yè)中早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器來(lái)減振消能。從二十世紀(jì)七十年代后，人們開(kāi)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(jiǎn)單地說(shuō)，使自由振動(dòng)衰減的各種摩擦力和其他阻礙力，我們稱(chēng)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(yùn)動(dòng)的阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置，我們稱(chēng)為阻尼器。我們?cè)缫呀?jīng)熟習(xí)汽車(chē)、大炮、電梯間上面使用的減振器。如果把它進(jìn)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(dòng)力方程可以寫(xiě)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(duì)于地震作用，山；是地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程；11、ii,k分別是結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度列陣。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于彈性振動(dòng)狀態(tài)，恢復(fù)力項(xiàng)Ku為彈性；而當(dāng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)入彈

11、塑性階段，則恢復(fù)力項(xiàng)Ku也呈非線(xiàn)性。E加為設(shè)置阻尼器附加阻尼裝置帶來(lái)的阻尼力列陣；只要處理正確，它總是會(huì)使運(yùn)動(dòng)減小。如果寫(xiě)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(dòng)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(shuō)，我們很容易通過(guò)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(zhǔn)確化，就可以成為我們工程中可以應(yīng)用的減振器，可以稱(chēng)為阻尼器或吸能器。到二十世紀(jì)末，人們?cè)O(shè)計(jì)制造出了各種方式的阻尼器。已經(jīng)成功實(shí)

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(jiǎn)單，造價(jià)低。缺點(diǎn)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(guó)3M公司的粘彈性阻尼在日本有了很大的應(yīng)用。但它有個(gè)初始剛度，也有溫度的穩(wěn)定性的問(wèn)題。液體粘滯阻尼器一一利用液體在運(yùn)動(dòng)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(diǎn)是價(jià)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(qiáng)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(diǎn)是屈服后無(wú)法恢復(fù)。它們的滯回曲線(xiàn)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(xiàn)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(yàn)、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(lái)了很大幫助。阻尼器可以看成減振器，但它和普通汽車(chē)、電梯間、大炮絕然不同。對(duì)我們結(jié)構(gòu)工程師說(shuō)來(lái)，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(jì)算出它的阻尼力。帶來(lái)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(jìn)入抗震分析中。也就是說(shuō)，用了阻尼器可以減少其他結(jié)構(gòu)要求。美國(guó)規(guī)范和工程界都已經(jīng)接受。計(jì)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(zhǎng)期使用的穩(wěn)定，包括疲勞，長(zhǎng)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(jiǎn)單地看外形，看一、二次試驗(yàn)的結(jié)果。我們一定要從它的材料、設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)、模型和原型振動(dòng)分析、工程應(yīng)用、實(shí)際地震的考驗(yàn)、規(guī)范和工程界接受等諸方面評(píng)價(jià)。特別要強(qiáng)調(diào)的是如果沒(méi)有真正深

15、入了解技術(shù)的專(zhuān)家組的鑒定，沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用的檢驗(yàn)就使用的阻尼器可能會(huì)漏油、生銹等原因引起失效或部分失效。帶來(lái)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(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞頭向一邊運(yùn)動(dòng)，內(nèi)設(shè)硅油受到擠壓，對(duì)活塞產(chǎn)生反向粘滯力。同時(shí)，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(shí)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(diǎn): 內(nèi)置液體，本身沒(méi)有可計(jì)算的剛度，不影響

16、整個(gè)結(jié)構(gòu)原有的設(shè)計(jì)和計(jì)算（如周期，振型等），也就不會(huì)產(chǎn)生預(yù)想不到的副作用； 呈橢圓型的滯退曲線(xiàn)（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(duì)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(huì)有很好的抗候性，幾十年沒(méi)有老化、變質(zhì)問(wèn)題。液體粘滯阻尼器的速度指數(shù)生產(chǎn)廠(chǎng)家速度指數(shù)的大小是觀(guān)察其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和性能的一個(gè)重要觀(guān)察口，從目前我們有的公開(kāi)資料（產(chǎn)品目錄和公開(kāi)發(fā)表的論文），匯總?cè)缦?。?-2不同廠(chǎng)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(chǎng)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(guó)泰勒公司0.31.0硅油美國(guó)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(guó)隔而固（國(guó)產(chǎn)）0.43硅油德國(guó)Mauler0.015硅油南京杲大學(xué)產(chǎn)品1硅油FIP0.15硅油法國(guó)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(shuō)，誰(shuí)都想多給客戶(hù)幾個(gè)選擇，使速度指數(shù)可以在一定范圍內(nèi)變化給設(shè)計(jì)分析者較大的選用空間，便于設(shè)計(jì)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(shí)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(shuō)明一點(diǎn)，美國(guó)和歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范中都不去明確速度指數(shù)的選擇范圍，把這個(gè)空間留給生產(chǎn)廠(chǎng)家，但是在金門(mén)大橋的對(duì)比分析中評(píng)估委員會(huì)統(tǒng)一要求a=0.5是該委員會(huì)意見(jiàn)的一個(gè)表達(dá)，在SAP2000和ETABS計(jì)算程度規(guī)定a的取值定為0.2-2.0。這就是說(shuō)以上很多表中的阻尼器有SAP2000來(lái)模擬計(jì)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(gè)試算調(diào)整過(guò)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(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)位移樓層設(shè)置；對(duì)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(duì)稱(chēng)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(xiàng)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(lèi)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(duì)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