孫艷芬 盧小青

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一種新型建筑用阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用

孫艷芬1盧小青2

（1. 常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164；2. 常州格林電力機(jī)械制造有限公司 江蘇常州 213119）

工程建設(shè)中振動(dòng)控制是一個(gè)關(guān)鍵要素，針對(duì)目前振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況，提出了一種安裝在建筑物上用于減輕地震及風(fēng)力等破壞的新型建筑用阻尼器。該阻尼器通過(guò)對(duì)速度控制實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑振動(dòng)有效調(diào)控，起到安全保護(hù)的作用，設(shè)計(jì)的安全性和實(shí)用性高，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

建筑工程 減振控制 阻尼器

1 引言

現(xiàn)今高科技的快速發(fā)展，高層建筑遍地開(kāi)花。高層建筑展示著一個(gè)國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮與科技進(jìn)步，尤其是超高層建筑更可堪稱一個(gè)城市的地標(biāo)，綜合體現(xiàn)著多個(gè)領(lǐng)域的高新技術(shù)，其中建筑物結(jié)構(gòu)之安全設(shè)計(jì)最為重要。

要確保建筑結(jié)構(gòu)安全，首先就要有超強(qiáng)抗地震能力，二十世紀(jì)，特別是近二三十年人們對(duì)建筑物的抗振動(dòng)能力的提高十分重視，也做出了巨大努力，取得了顯著的成果，人們跳出了傳統(tǒng)增加梁、柱來(lái)提高抗振動(dòng)能力的概念，而是結(jié)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，避免或減少地震、風(fēng)力的破壞，基礎(chǔ)隔振、阻尼吸能、耗能系統(tǒng)、主動(dòng)控制減振系統(tǒng)等逐漸走向了工程實(shí)際，這些結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)中利用阻尼器來(lái)吸能減振效果具有較好的口碑，

阻尼器是安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的“特殊”構(gòu)件，是一種可以提供運(yùn)動(dòng)的阻力和耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置，阻尼消能減振技術(shù)由于其減振效果顯著安全可靠，在新建建筑和震損建筑、加固中的應(yīng)用形式和范圍也日趨廣闊。

2 總體設(shè)計(jì)思路

文中提出的一種新型建筑用阻尼器，在綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和舒適度的要求下，設(shè)計(jì)了減振機(jī)理明確，減振效果明顯的阻尼減振裝置，用以解決現(xiàn)有減振技術(shù)設(shè)計(jì)不夠合理方面。在通常情況下，建筑阻尼器處于自由狀態(tài)，長(zhǎng)度可以隨建筑物溫度變化進(jìn)行伸縮調(diào)整。當(dāng)受到地震或者其他突然外沖擊時(shí)會(huì)呈現(xiàn)閉鎖狀態(tài)，將項(xiàng)鏈的兩個(gè)構(gòu)件連成一個(gè)整體，共同受力，同時(shí)該建筑阻尼器是一種無(wú)剛度的速度相關(guān)型阻尼器，具有高耗能、對(duì)溫度不敏感以及穩(wěn)定的動(dòng)力性能等特點(diǎn)，當(dāng)受到地震或者其他突然外沖擊時(shí)用來(lái)減小建筑物的損壞，猶如汽車中的安全帶的功能，起到安全保護(hù)的作用。該設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單實(shí)用，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

3 建筑用阻尼器的結(jié)構(gòu)及工作原理

該建筑阻尼器是應(yīng)用黏性介質(zhì)和阻尼器結(jié)構(gòu)部件的相互作用產(chǎn)生阻尼力的原理設(shè)計(jì)制作的一種被動(dòng)速度相關(guān)型阻尼器。使用的介質(zhì)為硅油。該介質(zhì)具有粘溫系數(shù)小、極低和極高溫度下(-50℃~+250℃)性能穩(wěn)定，抗輻射性能較好。同時(shí)它具有優(yōu)良的電氣絕緣性能和優(yōu)良的抗臭氧、耐電暈、憎水防潮性能。

本建筑阻尼器主要由以下部分組成：液壓缸、活塞、活塞桿（在活塞兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置）、密封材料和連接裝置，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 建筑用阻尼器結(jié)構(gòu)圖

阻尼器活塞上設(shè)有小孔作為阻尼孔，缸內(nèi)裝滿高黏性流體阻尼材料作為阻尼介質(zhì)（見(jiàn)圖1）。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而發(fā)生變形時(shí)，安裝在結(jié)構(gòu)中的建筑阻尼器的活塞和液壓缸發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于活塞前后的壓力差使耗能流體（液壓油）從耗能通道中通過(guò)，從而產(chǎn)生消能力，耗散外界輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的目的。

4 阻尼器性能分析與應(yīng)用

在工程應(yīng)用中，在地震或者風(fēng)的作用下，一般的建筑工程結(jié)構(gòu)其振動(dòng)均為低頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率一般小于3 Hz，因此，阻尼器的剛度基本可以忽略，可近似認(rèn)為阻尼器的阻尼器系數(shù)不隨振動(dòng)頻率的變化而變化。

通常情況下，阻尼器的輸出阻尼力，與活塞的運(yùn)動(dòng)速度的次方成正比，即可以用以下公式描述：=cu。

式中，為阻尼器輸出阻尼力（）；為阻尼系數(shù)（N·s/m）；為阻尼器活塞運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；為阻尼速度指數(shù)（常取0.3~1.0）。

設(shè)計(jì)中阻尼器阻尼作用，是通過(guò)對(duì)速度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)活塞的運(yùn)動(dòng)速度很低時(shí)，阻力很?。晃灰浦甘厩逦髁?，方便判斷活塞在油缸中的位置；低速時(shí)允許移動(dòng)，在速度或加速度超過(guò)相應(yīng)的值時(shí)閉鎖，形成剛性支撐，當(dāng)大震作用時(shí)，阻尼器發(fā)揮其耗能作用，減小各單體間傳遞的地震力保持各結(jié)構(gòu)單體間的有效連接，進(jìn)而有效吸能防震。

同時(shí)該阻尼器外形簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)對(duì)稱、緊湊，安裝便捷，安裝空間??；低速運(yùn)動(dòng)阻力小，不超過(guò)額定載荷的10%；耗能效率高，達(dá)到90%以上；阻尼器兩端均裝有關(guān)節(jié)軸承，利于施工安裝和工作擺動(dòng)（允許工作擺角±6°）；液壓硅油穩(wěn)定、抗燃、耐老化；密封性好，密封件采用與介質(zhì)相容性好的橡膠材料或采用金屬密封件。

由于建筑阻尼器是一種無(wú)剛度的速度相關(guān)型阻尼器，具有高耗能、對(duì)溫度不敏感以及穩(wěn)定的動(dòng)力性能等特點(diǎn)，所以產(chǎn)品的應(yīng)用范圍較廣泛：如民用建筑如住宅、辦公樓、商場(chǎng)等多層高層及大跨建筑結(jié)構(gòu)等；生命線工程如醫(yī)院、學(xué)校、城市功能建筑等；工業(yè)建筑如廠房、塔架、設(shè)備減振等；橋梁如人行橋、高架路橋等；軍工、核電、火電、石化、鋼鐵等行業(yè)管道和閥門。

建筑阻尼器的安裝形式有多種，鑒于工作效率和減振效果考慮，建議如圖2所示安裝，也可根據(jù)工程實(shí)際設(shè)置其他安裝方式。

圖2 建筑阻尼器安裝方式

5 結(jié)語(yǔ)

建筑阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用，等于給建筑或橋梁裝上了“安全氣囊”。當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，阻尼器可以最大限度地吸收和消耗地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的沖擊能量，從而緩解了地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞，阻尼器起到的耗能作用明顯。該設(shè)計(jì)的阻尼器實(shí)用性較強(qiáng)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制作，所以具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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