在世界桥梁工程的阻尼器

https://www.360docs.net/doc/0119137796.html,/chinese/kangzhen/qitai/anzhuangfangshi.htm

在世界桥梁工程中遇到的桥上应用到的阻尼器有以下几种：

?锁定装置

?液体粘滞阻尼器

?熔断阻尼器

?限位阻尼器

?摩擦型液体粘滞阻尼器

?支座式金属屈服阻尼器

前面五种都是主活塞形式的阻尼器。粘滞锁定阻尼器和粘滞阻尼器是最常用的阻尼器，这两种结构可能是完全相同，仅硅油（或胶泥）流动的小孔大小不同，粘滞锁定阻尼器仅是粘滞阻尼器的一种特例。熔断阻尼器和限位阻尼器是实际工程发展出的液体粘滞阻尼器的最新产品。摩擦型液体粘滞阻尼器是最近几年在国内外有的公司生产的一种阻尼器，如果真有需要，泰勒公司可以生产，但并不推荐。支座式金属屈服阻尼器不是本文的内容，我们不作讨论。

锁定（Lock-up）装置（Lock-Up Device (LUD), or Shock Transmission Unit (STU)）

Lock-Up 装置，见图4-1，它是一种类似速度开关的限位装置，当桥梁运动到某一速度时启动。锁定装置两个安置点间的相对位移。它的工作原理就像汽车上的安全带。在慢速运动中它不限制。在急速运动中会起到制动作用。这种装置不能耗散能量。用在大桥上的锁定装置，在温度和正常活荷载下可以自由变形，但对于中小地震荷载、较大的风荷载带来的桥梁各部分间的运动和碰撞，可有效地起到减少、转移和限制作用。

图4-1泰勒公司生产的680 吨大型锁定装置及桥上的安装

液体粘滞阻尼器（Liquid Viscous Damper）

在本文的前述文章―结构工程中应用的泰勒公司液体粘滞阻尼器‖中我们已经全面的介绍了液体粘滞阻尼器。他是我们介绍的基本产品，也是要推荐的主要产品。它是个需要并且能够精确计算的定量化的产品，绝不仅是一个定性化的减振器。

液体粘滞阻尼器的运动速度和阻尼力的关系式为：

（4-1）

这里，F为阻尼力；C为阻尼器的阻尼值；V为阻尼器两端间的相对运动速度；α为速度的指数。阻尼力和最大冲程这是阻尼器要设定的关键两个参数。

熔断阻尼器( Fuse Damper)

设计工作者会提出希望制造两阶段的阻尼器：在常规荷载

（风、温度、刹车、中小地震）下它像个连杆并不发生相对

运动。在大风和大地震、超过了一定荷载时，阻尼器发生作

用。泰勒公司生产的熔断阻尼器可以很好的实现这一愿望。

这种阻尼器比一般的液体粘滞阻尼器多一个金属熔断装置，

这个熔断装置限制阻尼器直到受力达到一个特定值时才可以工作。在美国旧金山附近的Richmond San Rafael大桥上，泰勒公司提供了设计值为2270kN的熔断阻尼器装置，这个装置有一个在1250kN时断裂的金属保险片。如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载，当受力低于1250kN时，阻尼器两端间并不运动；如果有地震导致1250kN甚至更大的荷载时，金属保险片将断裂，阻尼器将像一个一般的2270kN的阻尼器那样工作。当保险片断裂以后，需要进行更换，简单地更换保险片后阻尼器可继续使用。

限位阻尼器

我国交通公路规划设计院设计的世界跨度大的斜拉桥－苏通大桥为了防止预想不到的特大风和地震可

能给桥带来的超量位移。设计要求了一种新型带限位的阻尼器。在常规阻尼器的基础上，在阻尼器运动的双方向上加设限位弹簧。在苏通大桥限位阻尼器最大位移超过±750mm时，阻尼器进入两端弹簧限位阶段。限位由非线性弹簧板实现。限位可达最大附加位移±100mm，限位力可达980吨。这一超大的阻尼器见下列图4-3。

图4-3 苏通大桥限位阻尼器

摩擦型液体粘滞阻尼器

在上述阻尼器的基本关系式（4-1）中，当速度的指数α非常小时该关系试近似为：

（4-2）

阻尼力就变成与速度无关的曲线( 图4-4(b))。

这种摩擦型粘滞阻尼器在较小的动力荷载时并不发生作用，当加大速度使阻尼力达到阻尼力最大值时开始发生滞回耗能作用。这种阻尼器有如下确定：

o和液体粘滞阻尼器不同，当桥梁的变形最大时，阻尼器仍然保持受力也最大，这对桥梁受力来说是不可取的。观察下列两个不同的滞迴曲线，是不难看出这一点。

液体粘滞阻尼器（a）摩擦阻尼(b)

图4-4 滞回曲线（力～位移）

特别是当桥梁位移最大时刻，速度会更换方向，阻尼器出力也就随之更换方向（见图4－5）。和结构位移相同方向的最大阻尼力会对桥梁的变形起加大作用，它完全可能不仅起不到保护桥梁的作用，反而加剧桥梁的运动和变形。

图4-5 粘滞阻尼与摩擦阻尼在位移最大时的出力对比

?始终保持最大受力的摩擦型液体粘滞阻尼要比常规液体粘滞阻尼器更容易发热。

?在阻尼器未达到最大受力前，这种阻尼器的出力只能停留在那个急剧上升段或下降段，阻尼器不能耗能，起不到耗能作用，也就是说，在小震和风振中阻尼器并不发生作用。

?在桥梁计算分析软件SAP2000程序中速度指数定义的范围为0.2～2.0，用这个程序，怎麽模拟摩擦粘滞阻尼器？我们并不清楚。

?根据我们对液体粘滞阻尼器产品的了解，要想实现阻尼器α接近于―零‖，要内或外设置专门控制油量的阀门和油库，如图4-6所示,这一另加的机构，无疑会增加破坏的可能性，处理不好会影响阻尼器的寿命。上述的原因，使我们并不推荐这种阻尼器。

在上述五种阻尼器中，如何选用？我们的意见是：从大多数桥梁的需要来看，应该首选常规的锁定装置和粘滞阻尼器。他们的价格也最便宜。到底是选用锁定装置还是粘滞阻尼器，建议利用下表进行分辨：

液体粘滞锁定装置只不过是液体粘滞阻尼器的一个特殊状态，这两种阻尼器出力和速度间的变化曲线如下图所示。

图4-7 锁定装置和阻尼器的速度－力曲线

锁定装置和阻尼器的不同点和选用办法，见表2-4。

表2-4 锁定装置和阻尼器的不同点和选用办法

在桥梁的设计中特别希望施加一定刚度，在中小风振、地震和车辆荷载时希望阻尼器协助―锁死‖时，可以选用熔断粘滞阻尼器。当桥梁所处的环境复杂、不可预见性髙又不希望阻尼器有过大的位移时可以考虑使用带限位的液体粘滞阻尼器.

阻尼器简介

前面谈到的结构保护系统中争议最少，有益无害的系统要属利用阻尼器来吸收难予预料的地震能量。利用阻尼来吸能减震不是什么新技术，在航天航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等工程中，其发展十分迅速。

简单地说，使自由振动衰减的各种摩擦力和其他阻碍力，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的―特殊‖构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼器。

我们早已经熟习汽车、大炮、电梯间上面使用的减振器。如果把它进行数学模型化，应用到我们结构工程上，我们传统的结构动力方程可以写成[2][3][4]：

（1）

式中，M、K、C分别代表结构的质量、刚度、阻尼矩阵；F(t)为作用力列阵，对于地震作用，，

是地面运动加速度时程；、，分别是结构的位移、速度和加速度列阵。当结构处于弹性振动状态，

恢复力项Ku为弹性；而当结构振动进入弹塑性阶段，则恢复力项Ku也呈非线性。为设置阻尼器附加阻尼装置带来的阻尼力列阵；只要处理正确，它总是会使运动减小。如果写出能量方程的形式：

（2）

图1-1单自由度体系不同阻尼比下的动力反映

分解成不同振型的单自由度体系的反应随阻尼比的增大而减少，其多自由度结构相应阻尼比也就响应增加，反应降低。一般地说，我们很容易通过阻尼器，使多自由度体系的整体阻尼比增加5%-30%[1]。

可以看出，我们所熟习的减振装置，如果能把它精确化、准确化，就可以成为我们工程中可以应用的减振器，可以称为阻尼器或吸能器。

到二十世纪末，人们设计制造出了各种方式的阻尼器。已经成功实用的阻尼器主要的有以下几种[2][3]：摩擦阻尼器——利用金属（或非金属）之间的摩擦产生阻尼。

加拿大Pall Dynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的构造简单,造价低。缺点是承受力较小，温度的稳定性差。

粘弹性阻尼器——利用一些粘弹性材料产生阻尼。

美国3M公司的粘弹性阻尼在日本有了很大的应用。但它有个初始刚度，也有温度的稳定性的问题。

液体粘滞阻尼器——利用液体在运动中的粘滞特性产生阻尼。

这种阻尼器在军事和宇航上已经成功的应用了几十年，精确性好，稳定性高，缺点是价格较高

金属屈服阻尼器——利用金属的屈服产生阻尼。

金属屈服阻尼器通常采用低碳钢或铅作为原料，前者有良好的塑性变形能力，后者有较强的延展性能。这种阻尼器的滞回特性稳定，低周疲劳性能较好，缺点是屈服后无法恢复。

它们的滞回曲线分别如下（图1-2）：

(1)液体粘滞阻尼器(2)摩擦阻尼器(3)粘弹性阻尼器(4)金属屈服阻尼器

图1-2不同阻尼器的滞回曲线

这种液体粘滞阻尼器在其它领域上已有几十年的应用历史，成熟的经验、稳定的结果，都给在建筑结构上应用迅速成功带来了很大帮助。阻尼器可以看成减振器，但它和普通汽车、电梯间、大炮绝然不同。对我们结构工程师说来，最重要、最关心、也一定要考虑的是以下几方面：

a.精确性，要求阻尼器不仅能在定性上―减振‖，还要求能精确的计算出它的阻尼力。带来阻尼的大小。最初阻尼器的使用，只是作为一种锦上添花的抗震措施，基本的结构分析可能并不考虑它。但是，随着阻尼器的使用发展，它已经进入抗震分析中。也就是说，用了阻尼器可以减少其他结构要求。美国规范和工程界都已经接受。计算的精确性，就成了重大因素。

b.可靠性，结构要在各种不同的环境下使用，也就要求阻尼器一定要在各种环境下可靠，如：温度、天气下的可靠。

c.耐久性，长期使用的稳定，包括疲劳，长期应用下的徐变等影响。

d.一致性，同一理论要求的阻尼器性能要保持一致，这样可以避免很多不良后果。

这些要求，就使得我们选择阻尼器产品，不能简单地看外形，看一、二次试验的结果。我们一定要从它的材料、设计制造、产品检验、模型和原型振动分析、工程应用、实际地震的考验、规范和工程界接受等诸方面评价。特别要强调的是如果没有真正深入了解技术的专家组的鉴定，没有长时间应用的检验就使用的阻尼器可能会漏油、生锈等原因引起失效或部分失效。带来很多意想不到的副作用。

液体粘滞阻尼器

液体粘滞阻尼器从原理上不难理解：在下列图2-1中的活塞随着结构的运动而运动时，活塞头向一边运动，内设硅油受到挤压，对活塞产生反向粘滞力。同时，硅油从活塞头上的小孔向活塞头的另一端流去，使活塞的受力逐步减少。其基本关系式为：

FD=－Cαsign(V)Vα(1-3)

这里，F–阻尼力；C–阻尼系数；α－速度指数，常取0.3-1.0之间；

已经得到结构界广泛共识的是：液体粘滞阻尼器最适于我们结构工程应用，这种阻尼器有以下明显的优点：

?内置液体，本身没有可计算的刚度，不影响整个结构原有的设计和计算（如周期，振型等），也就不会产生预想不到的副作用；

?呈椭圆型的滞迴曲线（图1-2(1)），保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移的状态下受力为零，最大受力情况下位移为零，这一性能对减小结构反应十分有利；

?它既可以降低地震反应中的结构受力也可以降低反应位移。

?可在地震和大风荷载下重复使用；

?只要内置液体选用合适，会有很好的抗候性，几十年没有老化、变质问题。

液体粘滞阻尼器的速度指数

生产厂家速度指数的大小是观察其产品生产工艺和性能的一个重要观察口，从目前我们有的公开资料（产品目录和公开发表的论文），汇总如下。

表1-2不同厂家的产品所定义的不同速度指数

一般的说，谁都想多给客户几个选择，使速度指数可以在一定范围内变化给设计分析者较大的选用空间，便于设计优化。但是从生产工艺上要做到使阻尼器中的阻尼器参数（C）和速度指数（a），同时作为一定范围内可以自由变化的变量存在，并不是很容易的。也就很难做到使参数中的C和a可以自由选择。

说明一点，美国和欧洲设计规范中都不去明确速度指数的选择范围，把这个空间留给生产厂家，但是在金门大桥的对比分析中评估委员会统一要求a = 0.5是该委员会意见的一个表达，在SAP2000和ETABS

计算程度规定a的取值定为0.2-2.0。这就是说以上很多表中的阻尼器有SAP2000来模拟计算是不适合的。

一、建筑方面

为了得到粘滞阻尼器在结构中的合理布置，一般需有一个试算调整过程，使粘滞阻尼器消耗地震的能量最有效，阻尼器安装在不同位置，可以达到设计的不同目的。

一般粘滞阻尼器的布置原则是在阻尼器两端具有较大的相对位移楼层设置；对于有扭转的结构，尚应根据地震作用下结构扭转的情况不对称设置抗扭转的阻尼器。另外随着阻尼器在结构抗震、抗风等项目上应用的发展，很多结构上都采用了不同安装方式、组成不同类型的安置模型。总结目前阻尼器在结构上的安装方式，主要有对角支撑、人字型支撑、套索式支撑、剪刀式支撑等几种，如又图所示。

此外，还可以配合基础隔震系统、TMD系统等使用。

对角支撑人字型支撑剪刀式支撑套索式支撑二、桥梁方面

针对桥梁结构，粘滞阻尼器主要是用来控制结构纵向位移（相对位移）的。原则上，它应该被安置在结构最大位移之处。如梁的两端、梁墩之间和塔梁之间；对于多跨简支梁，为了使结构形成一个整体，也有时设置在梁梁之间，或其它可能的相对位移的两处。如对于纵向运动，桥面梁和桥墩之间、桥面梁和塔之间、桥面各梁之间相互约束；另外它不仅可以用来纵向运动，也可以用来控制横向运动，也可以选用与桥梁成45度角来控制纵横两个方向运动的阻尼器，为了减少双层桥面的横向相对位移，可以安装成人字支撑的双层桥之间。

详见下表：

梁的两端

梁梁之间梁梁之间

I-5/91 HOV高速路双向安置

梁墩之间和塔梁之间人字支撑