陳永祁，崔禹成，馬良喆

（北京奇太振控科技發(fā)展有限公司，北京 100037）

20世紀初，大型武器裝備需要大量采用阻尼裝置及相關(guān)工程設(shè)備，而液體阻尼器由于具有良好的減振性能得到了迅速研發(fā)和工程應(yīng)用。

大型加農(nóng)火炮在發(fā)射過程中會產(chǎn)生超大的后座力，通過液體阻尼裝置可以緩解沖擊力，并使發(fā)射臺架恢復(fù)至初始狀態(tài)。1900—1945年，由于涉及軍事機密，該技術(shù)和產(chǎn)品雖然在很多國家的軍事領(lǐng)域被逐漸采用，但對外界仍然保密。二戰(zhàn)時期，該技術(shù)又被用于減小外部振動對雷達和一些電子設(shè)備的影響。在冷戰(zhàn)時期，該技術(shù)被用于保護巡航導(dǎo)彈，消減武器裝備甚至核武器的沖擊波[1，2]。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，很多用于防衛(wèi)設(shè)施的技術(shù)轉(zhuǎn)為了民用。美國宇航局投資建立的美國泰勒公司從1955年開始作為供應(yīng)商向美國政府出售阻尼器和緩沖器裝置，20世紀80年代后，開始由軍用轉(zhuǎn)為民用。美國紐約州立大學(xué)布法羅分校與美國國家地震研究中心將液態(tài)阻尼器用于提高土木工程結(jié)構(gòu)物的抗震和抗風(fēng)性能。發(fā)展至今，泰勒公司已成為一家聞名世界的減振設(shè)備公司。

泰勒公司的阻尼器源于軍事，自1987年在民用結(jié)構(gòu)中成功使用以來，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，采用了雙出桿結(jié)構(gòu)、小孔激流和高內(nèi)壓等技術(shù)，阻尼器技術(shù)已非常成熟。具體表現(xiàn)為：泰勒流體阻尼器是僅有的在地震時能夠同時減小結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和變形的減震設(shè)備，且可以有效提高結(jié)構(gòu)的阻尼。泰勒流體阻尼器是獨立的設(shè)備，尺寸相對較小，易于安裝，可按照對角支撐或作為基礎(chǔ)隔振系統(tǒng)的一部分安裝于結(jié)構(gòu)中。泰勒流體阻尼器可以很容易地實現(xiàn)1～800 Mt的出力水平，位移可達±1.2 m。另外，泰勒流體阻尼器使用期限長，并終身免維護。

與定量耗能的結(jié)構(gòu)抗震阻尼器不同的是，我國核電站中使用的是相對簡單的速度鎖定裝置，僅可以在一定速度下鎖定，不計算耗能和阻尼比，在管道和設(shè)備機械振動情況下，不能處于長期使用的減振狀態(tài)。

目前，各種建筑結(jié)構(gòu)接連誕生，而隨著時代的進步，對這些建筑結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性等指標的要求也越來越高。了解這種裝置，有助于人們設(shè)計出更多現(xiàn)代化的建筑。本文從制造、使用和測試等幾個方面介紹了世界阻尼器的創(chuàng)新與發(fā)展，并對比了核電阻尼器與結(jié)構(gòu)阻尼器之異同，幫助人們更好地了解與應(yīng)用。

1 土木工程抗震阻尼器制造技術(shù)

1.1 從單出桿到雙出桿

近40年來，結(jié)構(gòu)工程減振用保護系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，并在國際上被廣泛接受。其中，液體黏滯阻尼器是目前在工程中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成功的減振裝置。

圖1和圖2為兩種典型的液體阻尼器。圖1為單出桿附加儲能器型黏滯阻尼器，最初用于科研及工程領(lǐng)域，其工作原理為：在外力的作用下，活塞桿迫使油腔內(nèi)的流體高速通過活塞頭上的小孔，同時，由于活塞桿往復(fù)運動使兩個腔體產(chǎn)生體積差，并由儲能器進行調(diào)節(jié)，再由控制閥調(diào)節(jié)儲能器內(nèi)的流體流向[1]。

圖1單出桿型黏滯阻尼器內(nèi)部構(gòu)造Fig.1 Internal structureof singlerod viscousdamper

經(jīng)改進后，被廣泛應(yīng)用的另一種流體阻尼器為平衡狀態(tài)下的對稱雙出桿型阻尼器，如圖2所示。因其取消了內(nèi)部儲能器和外部儲能器，故這種阻尼器的穩(wěn)定性與可靠性均有所提高。

圖2雙出桿型黏滯阻尼器內(nèi)部構(gòu)造Fig.2 Internal structureof doublerod viscousdamper

1.2 活塞孔技術(shù)的發(fā)展

1.2.1 液體通過直阻尼孔的動力特點

射流型小孔通常由鉆孔、彈簧壓力球、提升閥或卷筒組成，以調(diào)整流過活塞頭的流體壓力，進而達到不同速度關(guān)系的阻尼力。根據(jù)伯努利方程，流體經(jīng)過長圓孔時，其流速的平方與阻尼力成正比，而對于地震作用，此類阻尼耗散的能量會受到限制，必須經(jīng)過更為巧妙的設(shè)計，從而達到速度指數(shù)小于2的阻尼出力，如采用精細機械處理的復(fù)雜流體通道形成射流。流體動力學(xué)Navier-Stokes方程對液體在密封腔體小孔內(nèi)的高速流動進行了描述。對于理想狀態(tài)下的直阻尼孔，需要考慮兩種極限狀態(tài)：

（1）當液體黏度較低、間隙相對較大、液體在小孔流動距離較短或高流速時，在較低頻率下，阻尼力或活塞頭的兩端壓力差與活塞頭的相對運動速度的平方成正比，即符合伯努利方程。對于實際工程，阻尼力會急劇放大而并不適用。

（2）當液體黏度較高、間隙較小、液體在小孔流動距離較長或低流速時，裝置耗能可通過流體在孔道內(nèi)產(chǎn)生的黏性來實現(xiàn)。

在實際應(yīng)用中，上述兩種狀態(tài)是同時出現(xiàn)的，只是這兩者的作用比重會相對不同，應(yīng)綜合考慮。通過對阻尼裝置的幾何特征及液體的本構(gòu)關(guān)系可以看出，液體黏滯阻尼器的微小振動符合上述關(guān)系。

1.2.2 射流孔的特點

射流型（Fluidic）——第二種非伯努利小孔即為射流型小孔，其內(nèi)部沒有可動的部件，利用一些特殊形狀的孔道調(diào)整流體速度，改變流體特征。采用射流型小孔的阻尼器阻尼力可以和內(nèi)部介質(zhì)流速的非平方冪指數(shù)成正比。

圖3是泰勒公司阻尼器活塞頭的構(gòu)造情況，其活塞孔道采用了前文所述的射流孔形式，這種活塞頭構(gòu)造形式和想法十分獨特，是泰勒公司的專利產(chǎn)品，由于其內(nèi)部沒有任何活動部件，從而使阻尼器避免了采用閥門這類不穩(wěn)定并且極易出現(xiàn)問題的零件，不但提高了裝置耐久性，還降低了阻尼器價格。1990年前后，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校Constantinou教授對該裝置進行了研發(fā)，基于Maxwell模型給出了這類阻尼器的結(jié)構(gòu)，即在低頻狀態(tài)下，其輸出力可隨流體速度的非平方冪指數(shù)變化，其表達式為[1]：

式中，C——阻尼系數(shù)；

a——預(yù)先設(shè)定的系數(shù)，取值為0.2～2.0；

V——流體速度。

圖3泰勒公司單出桿和雙出桿阻尼器活塞頭的構(gòu)成Fig.3 Piston head composition of Taylor Devices'single and doublerod dampers

目前，世界上應(yīng)用的液壓流體阻尼在計算中均以此為基礎(chǔ)。裝置出力可隨流體速度的非平方冪指數(shù)變化。這種裝置出力僅與流體速度有關(guān)，而與相對位置無關(guān)，其對消耗任意激勵振動都是有效的，遠優(yōu)于用帶油庫和閥門的阻尼器。

1.3 原型測試

生產(chǎn)商根據(jù)實際工程項目的設(shè)計參數(shù)生產(chǎn)阻尼器產(chǎn)品后，必須經(jīng)過原型測試才能被安裝就位。美國土木學(xué)會規(guī)范要求所有產(chǎn)品都要做原型測試。產(chǎn)品原型測試會根據(jù)相關(guān)國家規(guī)程、結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場情況擬定，需對同型號阻尼裝置抽取兩個試件進行測試。在實際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)的重要性及阻尼器工作環(huán)境的復(fù)雜性，規(guī)程要求針對阻尼器所進行的原型測試則更為嚴格[3]。早期美國機械工程師協(xié)會（The American Society of Mechanical Engineers，ASME）規(guī)程認可的允許推延以小試驗取代原型測試的辦法早在20世紀90年代已經(jīng)被取消，泰勒公司要求每一個工程用阻尼器都應(yīng)進行原型測試。

1.4 取消儲油庫和閥門

區(qū)別于小孔激流技術(shù)，一些廠家在阻尼器中采用儲油庫以及大量不同功能的閥門，從而獲得不同的阻尼器功能，如為獲得更小的速度指數(shù)（α＜0.2）只能采用壓力感應(yīng)閥型的小孔結(jié)構(gòu)。這種阻尼器的主要缺陷是閥門在長期工作下的耐久性不強，極易發(fā)生故障。

如圖4所示，外掛儲油庫的阻尼器必須在一定周期內(nèi)進行維護，且要采取措施確保這些外掛部件不會被人為磕碰，造成破損。在阻尼器中設(shè)置儲油庫的作用是確保在內(nèi)部介質(zhì)泄漏時進行補償，并在發(fā)生溫度變化及活塞桿往復(fù)運動出現(xiàn)體積變化時進行調(diào)節(jié)。

圖4外掛油庫的阻尼器Fig.4 Damper with external accumulator

為了確保儲油庫正常工作且在往復(fù)循環(huán)時不出現(xiàn)破損，設(shè)計人員通常需要設(shè)置包括止回閥在內(nèi)的一系列閥門和細小的空隙。如地震發(fā)生時，止回閥閉合，只有少量介質(zhì)會從細小空隙流入蓄能器。當補償介質(zhì)因為溫度或滲油引起體積變化時，要保證止回閥開啟。而在實際工程應(yīng)用中，地震出現(xiàn)概率較低，阻尼器并不是時時處于工作狀態(tài)，這些內(nèi)置閥門往往由于未能定期循環(huán)給進而導(dǎo)致卡住不動，此時，油阻尼器將處于不穩(wěn)定、不安全狀態(tài)，阻尼器極易發(fā)生危險。

外置儲油庫的管道如發(fā)生損壞，油阻尼器在1～2個循環(huán)后會不再出力，并最終導(dǎo)致功能失效。阻尼器在儲油庫增到極限狀態(tài)后會出現(xiàn)氣泡，進而引起功能失效。

對采用氮氣密封的儲油庫設(shè)計，為防止O形橡膠密封圈不能密封氣體引發(fā)泄漏，這類儲油庫必須定期進行充氣。儲油庫普通螺旋彈簧可平衡活塞壓力，但也易引發(fā)銹蝕現(xiàn)象，阻尼器被激發(fā)后往往發(fā)生巨大損壞。通常氣囊式儲油庫需要每5年進行一次氣囊更換[4]。

如果利用儲油庫進行泄漏補償，阻尼器需定期進行油液或者氣體的補充和更換，這就要求液體的使用量非常精確，從而確保阻尼器活塞必須處于中位。在泵送液體時，須采用特殊的尖銳物插入缸內(nèi)。如采用氣囊，則工作人員需要打開泄壓閥，卸掉液體。預(yù)壓后，蓄能器變空，這時需要工作人員泵入一定量液體關(guān)閉所有液體填充塞。

1.5 預(yù)加高內(nèi)壓

阻尼器在安裝運行后，內(nèi)壓隨著阻尼器的受力、環(huán)境溫度改變而發(fā)生變化。阻尼器在使用幾年后，阻尼器的內(nèi)壓還要保持在允許誤差范圍內(nèi)，這是判斷阻尼器是否能全面滿足結(jié)構(gòu)關(guān)系、是否漏油、密封是否完好的重要標志。

對阻尼器腔內(nèi)施加預(yù)載內(nèi)壓后，由于油腔內(nèi)壓的存在減少了對各種閥門的需求，也避免了其他阻尼器對蓄能器的使用，這些不必要、多余零件的減少使泰勒阻尼器更為可靠。阻尼器在工作中由于內(nèi)部高壓實現(xiàn)了泰勒阻尼器通過獨有的小孔激流調(diào)整速度指數(shù)的功能，可以避免采用其他構(gòu)造的阻尼器通過各種復(fù)雜的控制閥達到特定的速度指數(shù)。

對于所有地震的沖擊響應(yīng)，應(yīng)大幅提高阻尼器的響應(yīng)能力。施加內(nèi)壓的主要作用可以從以下4點看出：

（1）抗震要求，在很短的時間內(nèi)使阻尼器開始工作，避免對抗震不利的阻尼器出現(xiàn)時間滯后現(xiàn)象。在所有地震分析中并不能完全反應(yīng)這一實際情況，有時僅考慮主要運動情況，結(jié)構(gòu)中高階振型的高頻反應(yīng)往往不被考慮或被忽略。類似的情況是，地震中這些高頻反應(yīng)也不能被閥門阻尼器即時反饋，而不采用閥門、設(shè)有內(nèi)壓的泰勒阻尼器則很好地解決了這一問題。

（2）阻尼器的內(nèi)壓實現(xiàn)了阻尼器正確全面的結(jié)構(gòu)關(guān)系。特別是在低溫和多頻率下，阻尼器的結(jié)構(gòu)關(guān)系通過內(nèi)壓可實現(xiàn)并滿足所有的結(jié)構(gòu)關(guān)系要求。

（3）設(shè)內(nèi)壓的阻尼器是阻尼器材料使用效率緊湊的保證。

（4）判斷阻尼器是否有泄漏，可以通過測試阻尼器的內(nèi)壓變化來實現(xiàn)。

1.6 正確監(jiān)測阻尼器的性能

阻尼器的質(zhì)量，特別是耐久性非常重要，尤其是在結(jié)構(gòu)上起重要作用的阻尼器，人們希望進一步了解其可靠性。無論從實用還是研究的角度，對阻尼器進行使用中的在線正確監(jiān)測具有重要意義。在美國西雅圖SAFECO棒球場的阻尼器完成了世界上最早的阻尼器在線正確監(jiān)測，其在線正確監(jiān)測系統(tǒng)從1999年至今工作完好，這一長期工作對深入認識阻尼器在結(jié)構(gòu)中的作用十分有意義。我國的福建廈漳跨海大橋也安裝了在線正確監(jiān)測系統(tǒng)。

在核電領(lǐng)域?qū)ψ枘崞鬟M行正確監(jiān)測應(yīng)該是目前長期發(fā)展的方向，通過實時傳送過來的數(shù)據(jù)對阻尼器進行狀態(tài)分析，可以有效預(yù)防和掌握阻尼器和核心設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況。

1.7 金屬波紋管的利用——金屬密封阻尼器

金屬密封無摩擦阻尼器是美國泰勒公司的專利減振產(chǎn)品，如圖5所示。由于其具有特殊散熱裝置以及良好耐久性能，從20世紀80年代開始一直為美國航天局NASA以及相應(yīng)宇航結(jié)構(gòu)獨家供貨，被用于外太空設(shè)施中[5]。

圖5金屬密封無摩擦阻尼器Fig.5 Frictionlesshermetic damper

與普通抗震阻尼器不同的是，金屬密封無摩擦阻尼器在往復(fù)運動中幾乎不會產(chǎn)生摩擦。這類阻尼器采用了波紋管密封件，具有超高功率，可大量耗散阻尼器運動中產(chǎn)生的熱量，阻尼器穩(wěn)定性和耐久性遠高于普通密封結(jié)構(gòu)裝置，頻率很高、振動幅值較大，對于普通阻尼器不宜采用的情況，這類阻尼器提供了最佳解決方案。

金屬密封無摩擦阻尼器的基本構(gòu)造除常規(guī)的油缸、通長活塞桿、帶小孔活塞頭、端部蓋板等部件外，與普通阻尼器最大不同是其密封件的處理。普通阻尼器的密封系統(tǒng)由于其性能決定其自身的一些局限性：（1）動密封件在活塞桿上使其產(chǎn)生摩擦；（2）對于微小振動（如微米級），普通阻尼器在初始運動時會產(chǎn)生黏滑運動，這是由于其密封件出現(xiàn)彈性變形造成的；（3）密封件在長時間作用后出現(xiàn)老化。泰勒公司在氣態(tài)密封思路的基礎(chǔ)上采用了金屬波紋管密封技術(shù)，在多次研發(fā)測試后應(yīng)用到液體阻尼器中。圖6為金屬密封無摩擦阻尼器的構(gòu)造圖。當采用雙出桿構(gòu)造時，需要在腔體兩側(cè)設(shè)置兩幅波紋管密封件?；钊麠U在往復(fù)運動中，波紋管產(chǎn)生彈性變形而沒有摩擦，NASA的測試也證明了這一點[5]。

圖6金屬密封無摩擦阻尼器構(gòu)造簡圖Fig.6 Structural schematic diagram of frictionlesshermetic damper

在某些實際工程應(yīng)用中，金屬密封無摩擦阻尼器具有無摩擦特性，但是，其高靈敏度以及高耐久性是普通阻尼器無法比擬的。

2 土木工程阻尼器的發(fā)展

2.1 從鎖定裝置到耗能阻尼器

作為抵抗沖擊和振動的吸能裝置的油腔內(nèi)置活塞——流體型阻尼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為兩類：一類在裝置內(nèi)提供流體回路，活塞桿和活塞頭的位置變化不影響裝置輸出，在土木工程領(lǐng)域中被廣泛采用；另一類構(gòu)造較為簡單，其連接兩端在發(fā)生速度變化后即可提供鎖定剛度，即鎖定裝置。二者均允許溫度變形。

液體鎖定裝置技術(shù)近年來被廣泛應(yīng)用于控制地震、風(fēng)振對大型結(jié)構(gòu)的影響方面。與普通耗能阻尼器一樣，鎖定裝置允許在溫度等慢速作用下自由運動，但不同于液體阻尼器的是，其不耗散能量。相反，當瞬時事件發(fā)生，速度超過其控制值時，液體鎖定裝置能迅速且有效地激活質(zhì)量塊間的剛性連接桿，像汽車的安全帶一樣通過動態(tài)連接桿將質(zhì)量塊鎖在一起，起到分散和轉(zhuǎn)移受力的作用，此時，安裝有鎖定裝置的多結(jié)構(gòu)體系會如一個完全獨立的整體做出響應(yīng)。而當瞬時事件結(jié)束時，液體鎖定裝置又能恢復(fù)到初始作用力狀態(tài)，同時，允許結(jié)構(gòu)在不產(chǎn)生附加應(yīng)力的情況下發(fā)生截面熱伸縮。確切地說，液體鎖定裝置僅是一個“0”“1”開關(guān)，其操作完全是被動的。其通過桿件將幾個結(jié)構(gòu)動態(tài)地連接起來，從而克服了采用自激勵系統(tǒng)帶來的昂貴費用和制造設(shè)計的復(fù)雜性[1]。

圖7為一種被核電設(shè)備廣泛采用的速度鎖定裝置。

圖7德國Lisega公司的阻尼器（snubber）Fig.7 Snubber of Lisega company,Germany

圖8為一個典型的鎖定裝置的剖面圖。該設(shè)備的運轉(zhuǎn)很簡單?；钊鄬τ透走\動而擠壓黏滯液體流過活塞孔。在多數(shù)情況下，密封類型和孔的構(gòu)造必須與設(shè)計者選擇的液體相匹配。當采用液態(tài)鎖定裝置時，活塞孔可以是環(huán)形孔、限流孔或二者的混合型孔。

圖8鎖定裝置剖面簡圖Fig.8 Section schematic diagram of lock-up device

可以發(fā)現(xiàn)，鎖定裝置與普通液體阻尼器在結(jié)構(gòu)上具有相同的組成部分。鎖定裝置不僅是一個阻尼器，它的活塞孔很小，當承受的速度荷載達到設(shè)計荷載時，整個裝置被鎖死。在實際使用中，因為鎖定裝置在設(shè)計荷載作用下只有很小的桿位移速度，事實上并不吸收和消耗能量，只是產(chǎn)生較小的動態(tài)位移，相當于一個液壓鎖。鎖定裝置的活塞孔經(jīng)專門設(shè)計，使它能隨速度的改變而輸出產(chǎn)生變化的力，由于鎖定裝置以極低的速度輸出最大的力，所以，裝置的液體流動孔在尺寸上必須比阻尼器更小。通常在生產(chǎn)時通過采用大的長徑比或長寬比實現(xiàn)這一點，這樣的設(shè)計為裝置提供了大的流阻。

在地震作用下，當達到鎖定速度V0時，即當速度達到啟動臨界值時，鎖定裝置啟動，成為一根有很大剛度的連桿。而在未達到啟動速度前，鎖定裝置對結(jié)構(gòu)無任何影響。鎖定裝置沒有耗能作用，并不能通過自身耗能減少結(jié)構(gòu)的受力。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的速度V0，鎖定裝置在V＞V0時，很快啟動，計算中可采用一個剛度單元進行模擬。計算出的鎖定力為[2]：

式中，F(xiàn)max——最大鎖定力。

圖9為某工程中，使用相同最大輸出力的黏滯阻尼器和鎖定裝置的不同實驗結(jié)果示意圖。觀察圖中的曲線可知，阻尼器在發(fā)生振動時，因為吸收和耗散能量從而產(chǎn)生位移，而鎖定裝置在任何速度下都如剛性桿一般作用在結(jié)構(gòu)上，不消耗任何振動能量，而是將其直接傳出。

圖9鎖定裝置與阻尼器輸出曲線對比Fig.9 Comparison of output curvesbetween locking device and damper

通過上述介紹可以看出，目前在核電領(lǐng)域普遍采用的阻尼器實際上是土木工程領(lǐng)域中普遍應(yīng)用的速度鎖定裝置。

2.2 準確定量阻尼比

量化黏滯阻尼器的理論計算公式是量化黏滯阻尼器在土木工程領(lǐng)域中進行實踐應(yīng)用的首要條件，Constantinou教授等人提出了計算模型并對計算模型逐步進行了完善和簡化[2]。目前，在土木工程中設(shè)置阻尼器前，必須通過結(jié)構(gòu)動力技術(shù)有限元分析對結(jié)構(gòu)反應(yīng)進行量化分析，并最終確定阻尼器的各種參數(shù)，這是一個需要迭代并最終趨于最優(yōu)解的循環(huán)過程[6]。

2.3 阻尼器功能多樣化

常規(guī)黏滯阻尼器所具有的工程效果在近些年中逐漸顯現(xiàn)，安置這類阻尼器已成為結(jié)構(gòu)建設(shè)必不可少的一部分。此外，一些具有創(chuàng)新和開拓精神的工程設(shè)計者常不滿足于此，希望這些產(chǎn)品能具有一些特定的功能，以完善結(jié)構(gòu)在運行過程中的動力性能。這些具有特殊功能的黏滯阻尼器包括熔斷阻尼器、限位阻尼器、自由微動裝置以及前文提及的金屬密封無摩擦阻尼器等[7]。

2.4 阻尼器質(zhì)量標準

在阻尼器不斷提高性能的幾十年后，特別是使用了雙出桿技術(shù)、小孔激流技術(shù)以后，阻尼器可以成為使用75年，并具有40年質(zhì)量保證且終身免維護的定制產(chǎn)品。

泰勒公司可以按現(xiàn)在核電站的標準生產(chǎn)產(chǎn)品，也可以按近40年的發(fā)展創(chuàng)新來生產(chǎn)并提供新型的、長期免維護的定量產(chǎn)品。

3 土木工程阻尼器的測試

在美國，土木工程設(shè)計規(guī)范和工程對阻尼器提出了更高、更嚴格的出廠檢驗要求。對于動力分析，泰勒公司改變了過去抽樣檢查的要求，要求公司出廠的每一個產(chǎn)品，都要經(jīng)過嚴格的調(diào)試和動力測試，進行不同受力狀態(tài)下的力學(xué)檢測，并給出滯回和時程曲線，滿足所有的設(shè)計要求。下列測試對保證阻尼器性能十分必須且有效。

3.1 內(nèi)壓測試

為確保阻尼器在最大壓力下甚至達到設(shè)計壓力的1.5倍時不漏油，每一個阻尼器必須經(jīng)過內(nèi)壓測試。圖10為在泰勒公司進行的阻尼器3倍靜壓103 MPa測試，在達到測試內(nèi)壓后一般需要保持3 min或1 h，以驗證阻尼器的密封情況。

圖10內(nèi)壓測試Fig.10 Internal pressuretest

高內(nèi)壓有利于阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊、高效率的工作，是阻尼器快速啟動、抗震所必需的，也是阻尼器“干密封”和不漏油的保證。不同于核電阻尼器的完全零內(nèi)壓，泰勒公司的每只阻尼器在出廠前都預(yù)加了一定的內(nèi)壓。

3.2 動力參數(shù)關(guān)系

動力結(jié)構(gòu)關(guān)系測試是要在簡諧振動荷載下測試阻尼器全程動力運動曲線，要求在不同速度下（通常為25%、50%、75%和100%最大設(shè)計速度或根據(jù)業(yè)主設(shè)計指定）計算阻尼器在5個循環(huán)內(nèi)力、位移和速度的時程變化和力以及位移的滯回曲線。相互關(guān)系應(yīng)符合設(shè)計結(jié)構(gòu)關(guān)系。

測試要求的最大值的誤差均在15%以內(nèi)測試證明，在動力荷載作用下，阻尼器完全符合設(shè)計的要求，可以確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全[8]。

3.3 溫度檢測

環(huán)境溫度是影響減隔震裝置性能的重要因素之一，這是由于阻尼器要經(jīng)歷每天和季節(jié)性溫度變化。

黏滯阻尼器的阻尼出力主要由內(nèi)部介質(zhì)高速運動下的慣性流以及低速運動的黏性剪切流共同組成，其中低速運動下的黏性剪切特性受溫度影響較大，圖11為在0℃、24℃、50℃測定的某線性阻尼器的阻尼力-速度關(guān)系曲線，在低溫狀態(tài)下的阻尼系數(shù)要高于高溫時測試的結(jié)果[9]。

圖11不同溫度下阻尼系數(shù)隨速度的變化Fig.11 Thevariation law of damping coefficient with velocity at different temperatures

在溫度相關(guān)性測試中，需采用溫控系統(tǒng)使阻尼器溫度升高和降低，為達到要求的測試溫度，在測試前，阻尼器要在溫控箱內(nèi)放置至少12 h（通常在14～16 h），并采用熱電偶對其不同位置進行溫度測量以達到設(shè)定的環(huán)境溫度。在測試中，同樣要控制阻尼器的溫度變化，由于經(jīng)過動力測試后阻尼器會吸收大量的能量，應(yīng)控制每次測試的間隔時間，一般應(yīng)將阻尼器冷卻之后再進行其他工況測試，時間間隔應(yīng)在2～4 h或直到阻尼器外表面溫度接近室溫[3]。

有經(jīng)驗的廠家會采取一些技術(shù)措施控制阻尼器在變溫下的性能偏差；另一方面，通過溫度相關(guān)性測試也很容易判定阻尼器的性能優(yōu)劣。不同廠家的阻尼器，甚至是相同廠家的不同試驗樣品，其溫度穩(wěn)定性的相差也較大。大量的測試結(jié)果表明，泰勒公司阻尼器具有更高的性能溫度穩(wěn)定性。

4 核電站和一般結(jié)構(gòu)抗震阻尼器對比

4.1 性能要求類似

核電站、橋梁與建筑結(jié)構(gòu)中安置的抗震設(shè)備都稱作阻尼器，但實質(zhì)上二者有所不同。核電站上的稱為緩沖器（snubber），而大型結(jié)構(gòu)上的稱為阻尼器（damper），如圖12所示。當核電站上安置了緩沖器snubber的設(shè)備和管道有較大運動時，緩沖器立刻鎖住不動，地震過后鎖定放開。橋梁與建筑結(jié)構(gòu)也有和緩沖器類似的裝置，即速度鎖定裝置（Lock-up device），但安置最多的是阻尼器，在地震運動發(fā)生時，阻尼器耗能，運動減少，直至停止運動。

圖12普通核電阻尼器Fig.12 Common nuclear damper

4.2 不同的檢測與維護概念

核電阻尼器的第三方檢測采取抽檢聯(lián)合預(yù)檢測的檢測形式，進行120℃的核輻射檢測等測試項目。阻尼器缸體只需進行一次檢測，通過后在其整個壽命周期中都無需再次檢測，只需每5～10年對其內(nèi)部的流體進行補充。由于核電安全事故波及的范圍廣，造成的影響巨大，故而對阻尼器的質(zhì)量要求應(yīng)更為嚴苛。泰勒公司的液體黏滯阻尼器能做到100%檢測，且質(zhì)量較高，能較好地滿足核電站的應(yīng)用需求，并可以通過對阻尼器的健康監(jiān)測隨時判斷其工作狀態(tài)是否良好，以便及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，從而更有效地保護人們的生命及財產(chǎn)安全。

液體阻尼器所使用的密封系統(tǒng)必須具有不低于75年的服役期，且無周期性變形。阻尼器在結(jié)構(gòu)安裝就位后在很長一段時間內(nèi)并不會經(jīng)常使用，因此，需要密封系統(tǒng)表現(xiàn)為“干密封”且不能出現(xiàn)緩慢的液體滲漏。阻尼器動密封特性決定阻尼器的運行情況及壽命。采用合理的阻尼器設(shè)計制造方案，選用適當?shù)拿芊饧夹g(shù)，則阻尼器能夠達到完全“干密封”狀態(tài)而不會產(chǎn)生任何泄漏，故實際上不需要提出定期服役或更換期。密封件的使用周期可通過阻尼器在服役期內(nèi)往復(fù)運動的總距離估算，經(jīng)過精心設(shè)計和制造的阻尼器可不進行任何定期維護，并可提供40年的質(zhì)保和75年的壽命周期[10]。

4.3 泰勒阻尼器與核電阻尼器異同

美國泰勒公司是世界結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的先驅(qū)，其生產(chǎn)的阻尼器遠優(yōu)于其他的snubber和damper產(chǎn)品。將泰勒阻尼器與目前核電阻尼器進行對比，見表1，泰勒阻尼器有以下優(yōu)勢：（1）可以包括全部系統(tǒng)，設(shè)計和檢測都按75年的壽命考慮（包括無需更換機油、除油漆外不需任何維護），泰勒公司保證40年的安全工作；（2）阻尼器內(nèi)有預(yù)加高內(nèi)壓，可以按設(shè)計要求正常地工作，便于定期檢查，并設(shè)置健康檢測系統(tǒng)；（3）可以全部定量化，可以首次在我國核電系統(tǒng)上進行抗震計算與耗能分析；（4）阻尼器全部原型測試符合中美兩國土木工程學(xué)會的高要求。

表1核電阻尼器與結(jié)構(gòu)阻尼器之異同Table 1 Thedifferenceand similarity of dampers in NPPand civil engineering

5 建議和結(jié)論

（1）近40年來，減振用結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)有了很大的發(fā)展并被廣泛接受，其中液體黏滯阻尼器是目前工程中應(yīng)用最廣泛、研制最成功的減振裝置。創(chuàng)立于1955年的美國泰勒公司是世界結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的先驅(qū)，其結(jié)構(gòu)流體阻尼器技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)相當成熟。泰勒公司生產(chǎn)的阻尼器遠優(yōu)于其他阻尼器產(chǎn)品，是僅有的在地震時能夠同時減小結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和變形的減震設(shè)備，其性能在任何時候、任何溫度下都是穩(wěn)定的、可預(yù)測的，且使用期限長，并終身免維護[11]。

（2）目前，核電阻尼器的第三方檢測采取抽檢聯(lián)合預(yù)檢測的檢測形式，且阻尼器缸體只需進行一次檢測，通過后在其整個壽命周期中都無需再次檢測，只需每5～10年對其內(nèi)部的流體進行補充。而泰勒公司的液體黏滯阻尼器能做到100%檢測，質(zhì)量較高，且無需更換機油，能較好地滿足核電站的應(yīng)用需求，并可以通過對阻尼器的健康監(jiān)測隨時判斷其工作狀態(tài)是否良好。由于結(jié)構(gòu)用液體阻尼器通常在很長的一段時間內(nèi)并不會經(jīng)常使用，故要求其使用的密封系統(tǒng)必須表現(xiàn)出“干密封”，不允許出現(xiàn)緩慢的液體泄漏。

（3）高內(nèi)壓有利于阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊、高效率地工作，是阻尼器快速啟動、抗震必需的性能，也是阻尼器“干密封”和不漏油的保證。不同于核電阻尼器的完全零內(nèi)壓，泰勒公司的每只阻尼器在出廠前都預(yù)加了一定的高內(nèi)壓，可以按設(shè)計要求正常地工作，便于定期檢查，并設(shè)置健康檢測系統(tǒng)。

（4）在阻尼器不斷提高性能，特別是使用了雙出桿技術(shù)、小孔激流技術(shù)以后，阻尼器可以成為使用75年，并具有35年質(zhì)量保證且終身免維護的定量產(chǎn)品。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以對其阻尼比進行準確量化。泰勒公司可以按照目前核電站使用的標準生產(chǎn)產(chǎn)品，也可以按照近40年的發(fā)展創(chuàng)新來生產(chǎn)并提供新型的、長期免維護的定量產(chǎn)品，其產(chǎn)品可以全部定量化，并可以在我國核電系統(tǒng)上首次進行抗震計算與耗能分析。

（5）在美國，規(guī)范和工程都對阻尼器提出了更高、更嚴格的測試要求，泰勒公司要求其出廠的每一個阻尼器產(chǎn)品經(jīng)過嚴格的調(diào)試和動力測試，進行不同受力下的力學(xué)檢測，并給出滯回和時程曲線，滿足所有的設(shè)計要求。大量的測試結(jié)果表明，泰勒公司的阻尼器全部符合中美兩國土木工程學(xué)會的高要求。

本文建議核電行業(yè)的有關(guān)部門以核結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量與安全為重，選擇質(zhì)量和性能均較好的核電阻尼器，并在各方面條件允許的情況下，考慮并嘗試采用在性能上更適合的減隔震產(chǎn)品，以促進我國核工業(yè)更好、更快的發(fā)展。我國核電安全處于世界先進水平，一直都在造福人民，采用創(chuàng)新技術(shù)既能提高安全性，又能提高經(jīng)濟性。