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1、结构爱护系统-液体粘滞阻尼器在桥梁工程上的测试和应用的发展本文大意： 作为二十世纪结构工程界最宏大的科技成果之一 结构的爱护系统，特殊是各种耗能阻尼器，在近十几年来，发展特别快速，超出了我们的想象。随着阻尼器制造技术的不断提高，各种试验、检验技术的完善，精确的计算方法的、设计规范的发展，阻尼器已经从一种附加的爱护措施，锦上添花的其次防线（大震时发生）发展到结构构件的一部分，替代传统的结构抗震构件。数以百计的工程实例，特殊是世界重大桥梁工程事例已经给我们工程领域的发展带来了质的飞跃。墨西哥和美国加州大量设置了阻尼器的建筑和桥梁结构经受了实际地震的检验，给人类能在地球上平安的生活带来了希望。本文重
2、点介绍阻尼器在工程应用上的发展过程和前景。1. 结构爱护系统液体粘滞阻尼器 在地震工程领域内，始终存在着难以解决的问题：随着科学和计算机的发展，使计算分析越来越精确，但是，地震荷载特别困难而又粗糙；地震所带来的破坏可能特别大，但发生的概率又特别之低；长期以来，工程师们往往是加大梁、柱、剪力墙用来被动反抗，而采纳更主动的方法减小结构所受地震力上不足。到了二十世纪末期， 这种现象有了很大的变更。汲取和采纳其他航空和机械领域的成果， 人们在传统结构构件之外，另加的装置：如基础隔震（Base Isolation），利用各种阻尼器(Damper) 吸能、耗能系统， 高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统（TM
3、D）和主动限制( Active Control)减震体系都是已经走向了工程实际。它们往往是一些机械系统装置，我们称之为结构的爱护系统。对于我们的结构工程师，它是一种新的思路。标记着我们已经跳出了传统增加梁、柱、墙提高抗振动实力的观念，结合结构的动力性能，奇妙的避开或削减了地震、风力的破坏；对于预想不到地震，对于还不特别清晰的多维振动破坏，它有很好的预防和承受实力；它简洁更换，最简洁体现小震不坏,大震不倒的抗震原则。在结构爱护系统中，争议最少，有益无害的系统要属利用阻尼器来汲取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
4、消能。从二十世纪七十年头后，人们起先逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等工程中，其发展特别快速。简洁地说，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以供应运动的阻力，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、电梯间上面运用的减振器。假如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1214：运动方程： M + C + Ky + CD = - Mg式中的CD 项， 就是阻尼器带来的 （先按线形列出）。只要处理正确， 它总是会使运动减小。假如我们写出能量方程的形式：能量方程： EK + E D +
5、 E S + E P = EI结构增加了一个耗能因素 E P 。结构增加阻尼以后， 结构的反应谱会有很大的降低。从下列标准动力阻尼反应可以清晰的看出（图1）。图1 单自由度体系不同阻尼比下的动力反应分解成不同振型的单自由度体系的反应随阻尼器的增大而削减， 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， 我们很简洁通过阻尼器，使多自由度体系的整体阻尼比增加15%-30%11。可以看出， 我们所熟习的减振装置，假如能把它精确化、精确化，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。 已经胜利好用的阻尼器主要的有以下三种12
6、：磨擦阻尼 - 利用金属（或非金属）之间的磨擦产生阻尼。加拿大Pall Dynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的构造简洁, 造价低。缺点是承受力较小，对于时间，温度和湿度的稳定性都很差。摩擦启动时的“粘接-滑动”现象对结构的坏影响很大。（Stick-slip phenomenon）粘弹性阻尼- 利用一些粘弹性材料产生的阻尼。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。液压粘滞阻尼 - 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胜利的应用了几十年，精确性好，稳定性高，缺点是价格较高他们的滞回曲线分别如下（图2）：液压粘滞阻尼
7、摩擦阻尼 粘弹性阻尼图2 不同阻尼下的滞回曲线在美国，已经得到结构界广泛共识的是：这种液压粘滞阻尼器最适于我们结构工程应用，主要一点是，在静止状况下，它没有起始刚度，不会影响到结构的其它计算（如周期，振型等）。也就不会产生预想不到的副作用。从图2中的滞回曲线也很简洁看出：只有液压粘滞阻尼在最大位移时受力同时为零。这种阻尼器也就可以降低地震反应中的结构受力的同时也降低反应位移。这种阻尼器在其它领域上已有几十年的应用历史，成熟的阅历、稳定的结果，都给在建筑结构上应用快速胜利带来了很大帮助。阻尼器一经运用，就显示出巨大的作用。最初几年，还没有相应的设计规范和精确的计算方法， 它只是成为一种附加的爱护
8、措施在工程中应用。随着计算方法、规范和各种试验、检验技术的完善，实际地震中的视察和测试，它已经完全被人们接受。 阻尼器的运用已经从锦上添花的其次防线（大震时发生）发展到结构构件的一部分，替代传统的结构构件，参与结构分析。运用阻尼器还会大大削减结构造价。 但这也就给我们在结构中应用的阻尼器提出了很高的要求，它和一般汽车、电梯间、大炮绝然不同。对我们结构工程师说来，最重要、最关切、也肯定要考虑的是以下几方面： 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。给结构带来阻尼的大小。 美国规范和工程界都已经接受了阻尼器的运用。也就对阻尼器提出了更高的技术要求。计算的精确性，
9、就成了重大因素。 牢靠性，结构要在各种不同的环境下运用， 也就要求阻尼器肯定要在各种环境下牢靠，如：温度、湿度、盐份及在各种天气环境下的牢靠。 耐久性，长期运用的的稳定， 包括疲惫，长期应用下的徐变等影响。 一样性，同一设计要求的阻尼器性能要保持一样可以避开很多不良后果。 这些要求，就使得我们选择阻尼器产品，不能简洁地看外形，看一、二次试验的结果。我们肯定要从它的材料、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。特殊要强调的是假如没有真正深化了解技术的专家组的鉴定， 没有长时间应用的检验就运用的阻尼器可能会漏油，生锈等缘由引起失效或部分失效。
10、带来很多意想不到的有害的副作用。结构中应用的阻尼器，是我们干脆应用航空，机械等行业的长期成熟应用的成果。但是对于刚起步制造阻尼器的工厂说来，这项技术是个看起来简洁，做起来难的产品。就拿在自然环境下长期收高压运用下不漏油一点来说。也不是简洁作到的。美国一个原来生产其他减振器的公司为加州一个大桥安置的阻尼器在大桥通车后不到两年，就发生了严峻漏油，（见图3）影响了运用。现在已经在美国重新投标翻新改造。图3 美国加州某漏油的阻尼器我国几年前在一座跨长江桥竖杆上胜利的运用了TMD的技术。系统显著地削减了振动。但不幸的是仅相隔四年，阻尼器就因为漏油等缘由失效，只能重新更换全部的阻尼器。在我国，对于运用阻尼
11、器历史不长的国家，这样的事例已经发生了几起。把好阻尼器质量的关是何等重要。缺憾的是有关的立法、制度还不能健全。事实上，更困难的是要保证阻尼器在长期应用下全部的参数都能保持不变或在允许范围内的微小变更。阻尼器失效，原来的设置目的达不到，还可能会产生预想不到的坏作用。 如：结构刚度的变更，周期变更，加大地震力。引起破坏。不匀称破坏，引起扭转等附加力变形加大引起伸缩缝处磨损破坏支座阻尼器失效引起桥梁的破坏 协作基础隔震的阻尼器一旦失效，地震时会引起建筑过大位移，甚至滑出支座.图4 土耳其某马路桥在地震中的破坏土耳其某马路桥上安置的支座屈服钢阻尼器在地震中破坏，引起桥面严峻破坏（图4）就是另一个严峻教
12、训14。这就给阻尼器的制造和出厂质量检验上提出了更高的要求。当然，也给我国，质量监督，验收监理提出了更高的要求。二，阻尼器的制造技术桥梁上常用的阻尼器有以下二种：1. 锁定（Lock-Up） 装置（Lock-Up Device (LUD), or Shock Transmission Unit (STU)， 它是一种类似速度开关的装置。当桥梁运动到某一速度下启动。锁住安置两点间的位移。这种没有耗能的装置。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， 风荷载带来的桥梁各部分间的运动和碰撞可有效的起到削减和限制作用。 2. 耗能式液体粘滞阻尼器。它不仅可以削减位移，又可以削减桥墩或桥塔
13、的受力。 先进的锁定（Lock-Up） 装置和阻尼器制造的材料和工艺完全相同。在制造技术上我们可以把锁定（Lock-Up） 装置看成是一个简洁的特定阻尼器一起探讨。确保阻尼器能满意设计和运用的要求，以下几点应当是技术的关键 （图 5）：1. 粘滞液体： 对于液压粘滞阻尼器说，最重要的是用什么液体。最初人们是采纳一种粘性硅胶，也有人用过一般机油。硅胶没有流淌性。只能单向承受力，在锁定装置中或许还可以运用，却明显不适于用在双憧憬复运动的阻尼器。 但有的国外阻尼器仍旧运用，可见世界阻尼器市场之混乱。一般机油，对温度的敏感性很强，用在阻尼器上，使其对时间和温度的稳定性都变的很差。 现代最先进的阻尼器都
14、是运用一种特制的硅油，燃点超过340o C，无毒，温度稳定，并不随时间老化变质，是一种志向的粘滞材料。2. 密封技术： 前面曾介绍过阻尼器漏油的实例，这也突显密封技术的重要。世界最先进的阻尼器专业制造厂 美国泰勒公司不断改进提高自己专利的密封技术。全部是自己加工的密封件，这已经成了他们生产几十年不漏油产品的关键。 3. 储油库： 为了补充和调整阻尼器内的油量，有的厂生产的阻尼器外加一个储油罐，另用一个阀门限制送油。这种外加储油罐和阀门的方法，增加了阻尼器的外露装置，也就增加了破坏的可能。也有的产品有一个内设油库。但最好的产品是采纳的是高度平衡的活塞杆，用油量能精确计算，密封完 美的产品。这种产
15、品，更本就无须油库。这也是阻尼器生产不断改进的另一个地方。 4. 活塞和活塞头：高度抛光的活塞杆是阻尼器的另一个关键。为了不允许有任何变形、锈蚀，应采纳不锈钢活塞杆，有时采纳络合金板相连。活塞杆的设计要求承受运动过程中的任何载荷，不允许变形。要求和活塞缸紧密结合的活塞头把阻尼器分成两个液腔，活塞头上的小孔和活塞与缸体的空隙使两个腔体中的液体，在肯定的活塞压力下可以按设计要求来回流淌。 5. 阻尼参数：阻尼器的受力是靠金属筒的受力来保证。阻尼参数的确定就要困难的多。阻尼器内液体的粘稠程度和活塞上留孔的大小及活塞与缸体的空隙确定了阻尼参数的大小。流体力学的计算最多可以给出我们一个参考数据，而阅历和试验的调整是给出精确解答的保证。 当然，阻尼器的制造离不开材料的选择。 在我们后面介绍的美国桥梁阻尼器运用规程的AASHTO 32 SECTION 中对阻尼器的材料运用，有了明确规定。图5 美国泰勒公司液压粘滞阻尼器构造图6 泰勒公司生产的680 吨大型锁定装置及桥上的安装图 6 美国ENDINE 公司阻尼器外型图7 意大利 FIP 公司的阻尼器综上所诉，精选的材料；优质的设计；超群的工艺；严密的密封是高质量液体粘滞阻尼器的基础。 三，阻尼器在结构上的应用的联合测试98八十年头中期，随着美国国家地震探讨中心（National Center For Earthquake Enginee
