導讀：在我國，被動減震裝置得到廣泛應用，不僅在高層建築、加上最近還實施頒布了工程抗震管理條例。例如《新隔标》9月1日落地，隔震和消能減震技術"路向何方"，使得被動減震更加擴展到包括住宅在内的中低層建築及大跨度建築，其建造業績已大大超過美國達到了世界第一的規模。目前減震構件及結構類型的組合已有諸多形式，今後随着其性能方面、經濟方面及設計創意等方面的改進，可以想象會進一步創造出更加豐富多彩的減震結構。

為了更有效地提高結構的抗震性能，在設計中采用“柔性耗能”理念來減小結構振動響應，通過調整結構的質量、剛度和阻尼特性來實現預期抗震水平。

傳統設計以結構構件的塑性損傷為代價，秉持“硬抗”理念，采用優化關鍵構件的特征幾何尺度、放大構件材料強度等措施以提高結構的抗震承載能力。衆所周知，地震的發生和作用具有極強的随機性和破壞性，因此，傳統設計不僅難于保障建築結構及生命财産安全，還可能大幅度增加建設成本。

結構消能減震又稱耗能減震，其機理是在特定構件的界面連接處安裝耗能器，通過耗能器将地震動輸入的機械能轉化成能夠均勻耗散的熱能從而使得結構振動響應降低，或者通過新結構中的原結構和附設裝置分别作為主結構和子結構聯合承擔振動作用，從而獲得調諧，并将振動反應控制在預期值以内。

在采用消能減震方法的情況下，在較低級别地震或風振作用下結構可以獲得足夠的初始剛度而保持彈性狀态；而在較高級别地震或風振作用下，當結構的側向變形尚未開始變大時，耗能裝置就能先于結構進入非彈性狀态，從而避免結構的承重構件進入到非彈性狀态。

本期給大家主要帶來的是減震設計中的黏滞阻尼器相關的内容。

黏滞阻尼器是速度相關型阻尼器，目前在土木工程領域内被普遍采用的流體阻尼器内部構造基本屬于射流型，下圖為單出杆型阻尼器，其工作方式是通過活塞的往複運動，液體流過活塞頭上的小孔從而提供阻尼力。

除了上述單出杆式黏滞阻尼器，還有黏滞阻尼牆和三向缸筒式黏滞阻尼器。前兩種阻尼器已在建築結構的振動控制中得到廣泛應用，而三向缸筒式黏滞阻尼器主要用于管道系統的振動控制。

對于黏滞阻尼器的研究，近年來主要是對于黏滞阻尼器的空間分布的優化以及提高黏滞阻尼器構件性能的方法研究。

對于空間分布的優化：主要是為了最大程度地發揮黏滞阻尼器的耗能能力，減小結構在地震作用下的反應，如何選擇合理有效的位置布置阻尼器具有重大的意義。通過對某建築進行非線性時程分析，以最大程度減小層間位移角，甚至融入同時考慮了初始成本與總體預期損失的目标，得到最高的附加阻尼比為目标進行了優化。

對于提高黏滞阻尼器構件性能的方法：阻尼器的能量耗散能力随着阻尼器變形的增大而增大，而阻尼器的變形通常受限于結構的層間位移角，為了使阻尼器有盡可能大的變形，同時不減小結構的承載力，因此可以對黏滞阻尼器内部進行增大阻變形來打破現有層間變形的限制。換言之，利用放大系統将樓層變形放大給予阻尼器，使得阻尼器得到更大的行程(或者速度)，提供更高的等效阻尼比給結構，從而更高效的保護結構。

如杆式黏滞阻尼器的對角支撐、人字支撐和套索支撐是利用結構層間剪切變形來發揮阻尼器的作用，且套索支撐形式可以放大結構層間剪切變形，增強阻尼器的耗能作用；而加強層中豎向布置是利用結構彎曲變形來發揮阻尼器的作用，可以通過伸臂杠杆的放大作用來提高阻尼器的耗能效率。（對于放大系統，更多精彩可以查詢各類文獻）

通常在國内，結構工程師對于黏滞阻尼器通常是一種拿來主義的态度（直接确定阻尼系數和阻尼指數，代入模型直接算~），而事實上，黏滞阻尼器的設計是一個十分複雜的過程，大緻上可以分為黏滞阻尼器的強度計算、阻尼器的熱量計算、流體動力學計算以及對比經驗數據這四個主要過程：

（1）強度設計：阻尼器内部所有部件均應進行強度設計，各部件包括活塞杆、油缸以及護套在設計額定阻尼力基礎上同時考慮一定安全儲備；通常情況下安全系數應考慮取2~2.5倍，應保證在此安全儲備下拉力和壓力下各部件不應有任何屈服、變形。

（2）受熱計算分析：按照單位時間内阻尼器的能量耗散進行阻尼器的熱量計算，同時考慮動力密封件的設置。

（3）流體動力學計算：确保所有參數達到設計曲線要求。

（4）對比經驗數據：設計阻尼器同時參照豐富的數據平台，确保精度。

事實上對于這四項設計過程，由于黏滞阻尼器所處的環境不同，其單位時間所耗散的熱量有很大差别，這也是黏滞阻尼器設計的前提。

一方面黏滞阻尼器設計是由其強度來控制的，在土木工程領域的抗震阻尼器，在設計荷載的基礎上，考慮足夠的安全儲備後，通過強度确定阻尼器各部分零部件的尺寸。

另一方面是阻尼器的單位時間消耗的能量很大，阻尼器需要足夠的内部腔體和外部尺寸來實現能量轉換，在這類設計中功率是起到決定作用的控制因素。對于抗風荷載、需要考慮連續工作的阻尼器，考慮阻尼器的功率是必不可少的，而黏滞阻尼器内部的流體介質運動是一個複雜的流體動力學問題。

此外，明确黏滞阻尼器的工作和運行狀态是進行一個合理的耗能減震設計過程的基礎，這也與設計者的初衷及目的有關。黏滞阻尼器的工作狀态主要可分為兩種，即日常的運營狀态以及遇到突發事件所處的狀态。這裡涉及到的阻尼器主要工作和運行狀态包括黏滞阻尼器内部工作壓強、其能量耗散形式、熱效應以及服役期限等。每種新參數的阻尼器的生産過程，都是個邊生産、邊實驗的過程，除了控制質量的材料試驗、成品的質量檢測、部分組件（如活塞、密封件）的檢測也都是必不可少的。

目前用于黏滞流體消能阻尼器的黏滞流體主要是液壓油、有機矽油、矽基膠和特種懸浮液，而有機矽油又是應用最廣的。

有機矽油是有機矽高聚物中的一種，它的分子結構中還有元素矽，并且分子主鍊是一條由矽原子和氧原子交替組成的骨架。有機矽油具有無毒、無味、無腐蝕性和不易燃燒等優點。有機矽油的種類有很多，其中二甲基矽油最常用作為黏滞流體消能阻尼器的黏滞介質，目前的研究也最為成熟。

二甲基矽油，或簡稱為甲基矽油，是一種無色透明的油狀液體，密度一般為930~975kg/m2，不溶于水，并且疏水性好，具有比較好的電氣絕緣性能，是最基本、最典型的有機矽油，也是産量最大、應用最廣的一種品種。

結構工程師需要與制造商溝通，根據流體阻尼器的特定要求進行相應的設計調整，這些參數包括：

• （1）最大輸出力；
• （2）最小安全系數；
• （3）從中位計算的可用阻尼器沖程；
• （4）阻尼系數；
• （5）速度指數；
• （6）工作環境溫度；
• （7）最大風功率輸入（如果涉及風振）；
• （8）阻尼器連續工作的時間（如果涉及風振）；
• （9）阻尼器的尺寸要求。

特别注意的是：

采用消能阻尼器後隻是降低了結構的地震作用，并不一定能降低結構的抗震構造措施。即使采用消能阻尼器，消能減震結構的任一樓層的水平剪力也應該符合《建築抗震設計規範》第5.2.5條的最小樓層剪力的要求。

黏滞阻尼器的最大輸出力為在最大地震動輸入下計算所得到的結果，安全系數以最大輸出力或最大速度為基礎。如1.2倍安全系數表示阻尼器達到1.2倍最大輸出力或最大速度時不會屈服損壞。根據阻尼器速度指數的取值不同，1.2倍安全系數相對于最終輸出力來說有所區别。在抗規GB50011-2010要求極限速度應不小于最大速度的1.2倍，美國FEMA則要求1.3倍。

目前消能阻尼器廠家一般是根據設計單位提供的消能阻尼器參數來加工制作消能阻尼器産品.為此，消能阻尼器的實際參數和性能與設計要求是有一定差異的，即使是抽檢合格的産品也不能做到和設計要求完全一緻。但是當消能阻尼器測試安裝時，主體結構一般都是基本完工，因此結構工程師需要留有一定的安全度來消除消能阻尼器的實際性能指标與設計差異造成的減振效果的誤差。如：消能阻尼器與主體結構和支撐之間的連接總是存在一定的間隙，這會削弱結構的減振效果；消能阻尼器支撐不可能做到完全剛性，總是存在一定的變形，這也将會一定程度上削弱結構的減振效果。

(1) 外觀檢測

黏滞流體消能阻尼器産品外觀應表面平整，無機械損傷、無鏽蝕、無滲漏。而且産品的長度和設計長度通常允許偏差在3mm之内，截面有效尺寸差别不超過2mm。（《JGJ297-2013_建築消能減震技術規程》規定偏差在±2%以内）

(2) 材料要求

黏滞流體消能阻尼器的黏滞阻尼材料要求黏溫關系穩定，不易燃燒，不易揮發，無毒，抗老化性能強。（如上文所提到的二甲基矽油）

用于制作黏滞消能阻尼器的鋼材應根據設計需要進行選擇，缸體和活塞杆一般宜采用優質碳素結構鋼、合金結構鋼或不鏽鋼。優質碳素結構鋼應符合GB/T699的規定；合金結構鋼應符合GB/T3077的規定；結構用無縫鋼管應符合GB/T8162的規定；不鏽鋼棒應符合GB/T1220的規定，不鏽鋼管應符合GB/T14796的規定。

考慮到黏滞流體消能阻尼器的耗能機理就是将結構的動能轉化為熱能消耗掉，因此消能阻尼器表面不宜采用防鏽漆，而應采用鍍鉻來處理。

黏滞消能阻尼器密封材料應選擇高強度、耐磨、耐老化的密封材料。優選金屬或尼龍等材料作為密封圈材料。

(3) 慢速測試

慢速測試的目的，一方面測試消能阻尼器的極限位移，另一方面可以通過慢速測試檢驗消能阻尼器在低速狀态下的性能，獲得消能阻尼器的摩擦力，因為過大的摩擦力會造成密封圈漏油。

測試方法采用靜力加載試驗，控制試驗機的加載系統使阻尼器勻速緩慢運動，記錄其伸縮運動的極限位移值和摩擦力。要求消能阻尼器的極限位移實測值不應小于黏滞阻尼器設計容許位移的150%。當最大位移大于等于100mm時，實測值不應小于黏滞阻尼器設計容許位移的120%；并且消能阻尼器的内部摩擦力不宜超過設計最大阻尼力的10%。

(4) 最大阻尼力測試

采用正弦激勵法，用按照正弦波規律變化的輸入位移，對阻尼器施加定頻率f（f為結構基頻）、定位移幅值u（u為消能阻尼器設計位移）的正弦力，連續進行5個循環，記錄第3個循環所對應的最大阻尼力作為實測值。要求消能阻尼器的最大阻尼力實測值偏差應在産品設計值的±15%以内；實測值偏差的平均值應在産品設計值的±10%以内。

(5) 規律性測試

目的是測試得到消能阻尼器産品的阻尼系數、阻尼指數和滞回曲線是否滿足設計要求。

測試采用正弦激勵法，用按照正弦波規律變化的輸入位移U=usin（wt）(u0為消能阻尼器設計位移)來控制試驗機的加載系統，對阻尼器分别施加頻率為f (f為結構基頻)，輸入位移幅值為0.1u、0.2u、0.5u、0.7u、1.0u、1.2u，連續進行5個循環，每次均繪制阻尼力位移滞回曲線，并計算各工況下第3個循環所對應的阻尼系數、阻尼指數作為實測值。

測試要求阻尼系數和阻尼指數的實測值偏差應在産品設計值的±15%以内，實測值偏差的平均值應在産品設計值的是10%以内；實測滞回曲線應光滑，無異常，在同一測試條件下，任一循環中滞回曲線包絡面積實測值偏差應在産品設計值的±15%以内，實測值偏差的平均值應在産品設計值的±10%以内。

(6) 疲勞性能測試

測試采用正弦激勵法，對阻尼器施加頻率為f(f為結構基頻)的正弦力，當以地震控制為主時，輸入位移U=usin（wt）(u為消能阻尼器設計位移)，連續加載30個循環，位移大于100mm時加載5個循環；當以風振控制為主時，輸入位移U=0.1usin（wt），連續加載60000個循環，每20000次可暫停休整。測試要求消能阻尼器的最大阻尼力、阻尼系數和阻尼指數的變化率不大于±15%，消能阻尼器的滞回曲線應光滑，無異常，包絡面積變化率不大于±15%。

(7) 加載頻率相關性測試

測試采用正弦激勵法，測定産品在常溫，加載頻率F分别為0.4f、0.7f、1.0f、1.3f、1.6f，(結構基頻f) 對應輸入位移幅值U=uf/F下的最大阻尼力，并與f下的最大阻尼力的比值(u是阻尼器的設計位移)。

(8) 溫度相關性測試

測定産品在輸入位移U=usin（wt），頻率為f結構基頻，試驗溫度-20~40℃，每隔10℃記錄其最大阻尼力的實測值。測試要求消能阻尼器的最大阻尼力變化率不大于±15%。、

(9) 密封性能測試

以1.5倍的最大阻尼力作為控制力持續加載3min，記錄結果。測試要求阻尼器不漏油，最大阻尼力的衰減不超過5%。

（完）

作者：建源之光，工學博士，結構工程-結構振動控制方向研究。高級技術經理，自主研發軟著 4 項，專利 21 項。主要從事超高層建築結構設計分析，減隔震設計分析，舒适度及其他振動控制分析，減隔震(振)元件設計開發。建源學堂，土木與有限元優質内容創作者，超高層建築結構設計分析，減隔震設計分析，舒适度及其他振動控制分析，Sap2000，Etabas，Abaqus，Matlab，OpenSeespy。

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