帥昌俊

（武漢億緯儲能有限公司，武漢430223）

0 引言

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震一般都是增加結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、剛度，從而達(dá)到抵御自然災(zāi)害的破壞性，最終達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。但自然災(zāi)害的能量和作用往往有著巨大的不確定性和隨機(jī)性，我國2008年發(fā)生的8.0級汶川大地震，2010年發(fā)生的7.1級的玉樹地震，2013年發(fā)生的7.0級雅安大地震，對當(dāng)?shù)貥蛄汉徒ㄖ斐闪司薮蟮膿p害，造成橋梁、建筑倒塌，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。減隔震技術(shù)也是近年來在中國基建中廣泛運(yùn)用，但是，此前的一些舊建筑和橋梁，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和成本的限制，并沒有過多地考慮抗震減震的需要，隨著現(xiàn)代交通負(fù)載的越來越復(fù)雜，超載及各種不確定的情況會(huì)導(dǎo)致橋梁損壞、交通中斷，造成一系列的直接損失和間接損失。

目前在工程實(shí)踐中，運(yùn)用最多的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法是被動(dòng)控制，被動(dòng)控制即在結(jié)構(gòu)的合適位置安裝合適的減、隔震產(chǎn)品，改善結(jié)構(gòu)的阻尼特性，運(yùn)用于減震耗能的產(chǎn)品有很多種，如摩擦擺支座、黏滯性阻尼器、橡膠支座、BRB耗能支撐等。黏滯性阻尼器是運(yùn)用非常廣泛的一種，黏滯性阻尼器在橋梁建筑中，能夠給結(jié)構(gòu)一個(gè)緩沖時(shí)間，吸收和衰減振動(dòng)和沖擊的能量，從而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，即阻尼器可以最大限度地吸收和消耗地震力對橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的破壞沖擊，達(dá)到保護(hù)結(jié)構(gòu)的目的。黏滯性阻尼器是一種無剛度的速度型阻尼器，工作時(shí)不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力特性，只對結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，其阻尼力-位移滯回曲線近似矩形，使其具有穩(wěn)定的動(dòng)力特性和很強(qiáng)的耗散能力，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等抗震領(lǐng)域。

隨著黏滯性阻尼器技術(shù)的發(fā)展，有各種新功能的阻尼器發(fā)明出來，主要分為速度型阻尼器和位移型阻尼器，如熔斷阻尼器、黏彈性阻尼器、限位阻尼器、金屬阻尼器、摩擦阻尼器、磁流變液阻尼器、摩擦型液體黏滯性阻尼器，根據(jù)橋梁和建筑的具體地震和振動(dòng)工況，設(shè)計(jì)使用不同的阻尼器產(chǎn)品，能顯著提高橋梁和建筑的抗震性能。

1 黏滯性阻尼器的性能

黏滯性阻尼器的基本原理是，將黏滯性阻尼器安裝在橋和橋墩之間，當(dāng)阻尼器受到外部的力和振動(dòng)時(shí)，阻尼器活塞會(huì)隨之在缸筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)缸筒內(nèi)阻尼介質(zhì)（一般為二甲基硅油）運(yùn)動(dòng)，缸筒內(nèi)兩個(gè)腔體通過活塞上的阻尼孔、活塞與缸筒間隙和活塞上的溢流閥連通，當(dāng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼介質(zhì)通過活塞上的孔隙和閥，由于阻尼介質(zhì)本身的特性，活塞會(huì)受到一定的黏滯阻尼力，從而吸收和消耗地震力對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞沖擊。

黏滯性阻尼器設(shè)計(jì)一般采用雙出桿油缸式結(jié)構(gòu)，由連接頭、活塞桿、活塞、溢流閥、缸筒、阻尼介質(zhì)、密封材料等組成（如圖1）。缸筒內(nèi)裝滿阻尼介質(zhì)，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部阻尼介質(zhì)的流動(dòng)，分子之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，以及阻尼介質(zhì)與缸筒表面的摩擦力轉(zhuǎn)換成熱能，這樣將地震能轉(zhuǎn)化為分子熱能，達(dá)到阻尼耗能的目的[1]。

圖1 黏滯性阻尼器結(jié)構(gòu)

黏滯性阻尼器在性能設(shè)計(jì)上有3個(gè)重要特點(diǎn)：1）必須滿足設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)，從而保證橋梁和建筑的整體減隔震設(shè)計(jì)；2）必須保證阻尼器不漏油；3）必須保證阻尼器的設(shè)計(jì)使用年限，也就是阻尼器的耐久性[2-3]；本文通過對阻尼器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、設(shè)計(jì)理念、密封材料的選用及試驗(yàn)驗(yàn)證等各方面提出建議，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員討論與交流。

2 黏滯性阻尼器的設(shè)計(jì)

1）黏滯性阻尼器本構(gòu)關(guān)系。

目前，關(guān)于黏滯性阻尼器的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種：《橋梁用黏滯流體阻尼器》（JT/T 926-2014）、《鐵路橋梁黏滯阻尼器和速度鎖定器》（TB/T 3561-2020）、《斜拉索外置式黏滯阻尼器》（JT/T 1038-2016）、美國公路運(yùn)輸協(xié)會(huì)（AASHTO）的《美國公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》、《歐洲隔震裝置EN15129》、《建筑消能阻尼器》（JG/T 209-2012）、《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2016）、《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297-2013）等。目前關(guān)于黏滯性阻尼器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范很多，大多以美國AASHTO標(biāo)準(zhǔn)為范本，從阻尼器標(biāo)準(zhǔn)到原理公式清晰明了，但實(shí)踐中最重要的問題是試驗(yàn)，阻尼器的性能主要通過嚴(yán)格的型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)來保證，但目前試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)中心還非常少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要積累，這也是減隔震產(chǎn)品的一個(gè)通用問題[4-5]。

黏滯性阻尼器的阻尼力與速度的關(guān)系方程為

式中：F為阻尼力，kN；C為阻尼系數(shù)，kN/(m/s)α；V為阻尼速度，m/s；α為速度指數(shù)（一般取值范圍為0.01～2之間）。

當(dāng)α＜1時(shí)，為非線性阻尼器；當(dāng)α=1時(shí)，為線性阻尼器；當(dāng)α=0時(shí)，為摩擦阻尼器；當(dāng)α=2時(shí)，為速度鎖定器。圖2為不同α值時(shí)的力-速度曲線圖，圖3為不同α值時(shí)的力-位移曲線圖，α取值越小阻尼效果越佳，即黏性流體材料滯回曲線所包圍的面積較大，耗能能力較強(qiáng)。一般取α ≤0.15，這樣將獲得更加適合于耗散能量的滯回曲線。

圖2 力-速度曲線圖

圖3 力-位移曲線圖

2）黏滯性阻尼器設(shè)計(jì)。

某項(xiàng)目中，黏滯性阻尼器的最大阻尼力為2250 kN，其設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如表1所示，通過設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，計(jì)算得到阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

黏滯性阻尼器通過在活塞上選取若干溢流閥（如圖4），選用力士樂的先導(dǎo)式溢流閥。先導(dǎo)式溢流閥的特點(diǎn)是：首先在初始壓力調(diào)整點(diǎn)設(shè)置溢流閥的開啟壓力，此項(xiàng)目中壓力設(shè)置分別為13、20、27 MPa，阻尼器腔體內(nèi)的壓力先作用在主閥芯上面，壓力也經(jīng)過節(jié)流孔1和2作用在先導(dǎo)閥閥芯上，當(dāng)阻尼器腔體內(nèi)壓力大于溢流閥初始壓力時(shí)，先導(dǎo)閥打開，使得主閥芯內(nèi)外產(chǎn)生壓差，主閥芯打開，阻尼介質(zhì)從出油口流出，達(dá)到了調(diào)節(jié)阻尼器腔體內(nèi)壓力與流量的作用。

圖4 溢流閥結(jié)構(gòu)圖

溢流閥開啟的壓力和阻尼介質(zhì)的流量之間的關(guān)系壓差方程為

式中：ΔP為缸體內(nèi)兩腔壓差，Pa；A為溢流閥開口面，m2；ρ為流體的密度，kg/m3；Cd為流量系數(shù)；qv為流量，m3/s。

通過調(diào)節(jié)不同溢流閥的壓力（13、20、27 MPa），設(shè)置溢流閥閥座上阻尼孔大小，結(jié)合式（1）、式（2），仿真模擬出壓力與流量曲線關(guān)系（如圖5）、力與速度曲線關(guān)系（如圖6）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15129，力值允許±15%的偏差。由于地震力比較大，在圖中可以看出，力值在允許的偏差范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 壓力-流量關(guān)系圖

圖6 力-速度關(guān)系圖

3 黏滯性阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）黏滯性阻尼器主要的設(shè)計(jì)就是缸體的設(shè)計(jì)校核及缸體螺紋剪切力的設(shè)計(jì)校核，其中：缸體的外徑為De，缸體的內(nèi)徑為Di，缸徑比a=De/Di；缸體的周向應(yīng)力σθ=p（a2+1）/（a2-1）；缸體的徑向應(yīng)力σr= -p；缸體的軸向應(yīng)力σz=p/（a2-1）。

Von Mises等效應(yīng)力校核：

最終缸體應(yīng)力校驗(yàn)合格。

2）連接筒和缸體之間采用螺紋連接，校核如下：

式中：fd為設(shè)計(jì)的拉伸應(yīng)力；φctd為連接筒螺紋公稱直徑；

pct為螺距；lct為螺紋長度；dct1為螺紋小徑；Acts為螺紋剪切面面積。

最終螺紋剪切應(yīng)力校驗(yàn)合格。

4 黏滯性阻尼器的密封設(shè)計(jì)

黏滯性阻尼器的密封設(shè)計(jì)分為動(dòng)密封和靜密封設(shè)計(jì)，靜密封一般選用O形密封圈，動(dòng)密封一般選用進(jìn)口的密封圈，比如特瑞堡密封圈或郝萊特（Hallite）密封圈。本文選用專用的活塞密封和活塞桿密封，其中，活塞密封由一個(gè)彈性體和一個(gè)添加青銅增強(qiáng)物的PTFE表面環(huán)組成，通過徑向過盈配合，彈性體的預(yù)壓縮變形提供給PTFE表面環(huán)密封作用力，在低壓下具有良好的密封效果，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)，彈性體壓縮變形，施加更大的力，使PTFE表面環(huán)緊貼密封面達(dá)到良好的密封效果，如圖7所示。

圖7 黏滯性阻尼器用活塞密封

活塞桿密封由一個(gè)高性能U型殼體和一個(gè)V型不銹鋼彈簧組成，在系統(tǒng)壓力過低時(shí)，內(nèi)置的V型彈簧為密封件，提供預(yù)壓縮力，以保證在低溫低壓時(shí)密封件具有良好的密封性能，隨著壓力的升高由系統(tǒng)壓力提供主要密封作用力，從而保證了從低壓到高壓可靠的密封效果，如圖8所示。

圖8 黏滯性阻尼器用活塞桿密封

黏滯性阻尼器的鋼件，必須嚴(yán)格按照圖樣的公差和表面處理要求，機(jī)加工合格，整個(gè)鋼件嚴(yán)禁焊接，保證運(yùn)動(dòng)接觸表面高度光滑，通過密封技術(shù)和機(jī)加工技術(shù)保證黏滯性阻尼器不漏油和耐久性。

5 黏滯性阻尼器的試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15129，黏滯性阻尼器需要做出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，對新產(chǎn)品必須做型式試驗(yàn)，對于現(xiàn)有產(chǎn)品再生產(chǎn)，必須進(jìn)行出廠試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示。

表3 阻尼器試驗(yàn)項(xiàng)目

以本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)為例，試驗(yàn)中加載正弦波，加載公式為

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 15129，得到力與位移的關(guān)系（如圖9）、時(shí)間與位移的關(guān)系（如圖10）、時(shí)間與力的關(guān)系（如圖11）、時(shí)間與速度的關(guān)系（如圖12）。從試驗(yàn)結(jié)果看，設(shè)計(jì)能夠滿足使用要求。

圖9 力與位移的關(guān)系

圖10 時(shí)間與位移的關(guān)系

6 結(jié)論

1）經(jīng)典的黏滯性阻尼器設(shè)計(jì)，從理論公式到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，是一成套的成熟系統(tǒng)，現(xiàn)在對其加以總結(jié)，也是為了更好地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而專注其加工質(zhì)量。橋梁和建筑都是公共工程，必須保證產(chǎn)品的質(zhì)量，也必須保證產(chǎn)品的減隔震效果。

圖11 時(shí)間與力的關(guān)系

2）隨著我國橋梁和建筑的基建項(xiàng)目越來越多，國家開始強(qiáng)制在項(xiàng)目推進(jìn)減隔震技術(shù)，黏滯性阻尼器會(huì)運(yùn)用越來越廣泛，目前關(guān)于黏滯性阻尼器的在線監(jiān)測及健康監(jiān)測要求也越來越多，通過監(jiān)測的手段來保證黏滯性阻尼器更好地服務(wù)于橋梁和建筑的消能減震。

3）關(guān)于黏滯性阻尼器的理論研究與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范越來越齊備。但是，關(guān)于黏滯性阻尼器的試驗(yàn)研究，在運(yùn)行的黏滯性阻尼的狀態(tài)數(shù)據(jù)少，希望將來有更多的黏滯性阻尼器的試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)中心，通過對橋梁和建筑的黏滯性阻尼器在線運(yùn)行情況的了解，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4）美國泰勒公司的黏滯性阻尼器，取消了溢流閥件，完全采用阻尼孔的形式，是未來黏滯性阻尼設(shè)計(jì)的一種方向[2-3]。

圖12 時(shí)間與速度的關(guān)系