【JY】结构概念之(消能减震黏滞阻尼器)
时间：2022-09-01 05:00:00
导读：被动减震装置在我国得到了广泛的应用，不仅在高层建筑中，而且最近也颁布了工程抗震管理条例。(如【JY】结构概念设计（隔震概念设计）将被动减震扩展到中低层建筑和大跨度建筑，包括住宅建筑，其建筑性能已大大超过美国，达到世界第一。目前，减震构件和结构类型的组合有多种形式。未来，随着其性能、经济和设计创意的改进，可以想象会进一步创造出更加丰富多彩的减震结构。
一、消能减震的理念
为了更有效地提高结构的抗震性能，抗震性能减少结构振动响应的理念，预期的抗震水平是通过调整结构的质量、刚度和阻尼特性来实现的。
传统设计以结构构件的塑性损伤为代价，坚持硬抗的理念，采取几何尺度优化关键部件的特点，扩大构件材料强度，提高结构的抗震承载能力。众所周知，地震的发生和作用具有很强的随机性和破坏性，因此，传统的设计不仅难以保证建筑结构和生命财产的安全，而且可能会大大增加建筑成本。
结构消能减震又称消能减震，其机理是在特定部件的界面连接处安装耗能器，通过耗能器将地震输入的机械能转化为均匀消散的热能，从而降低结构振动响应，或通过新结构中的原结构和附件装置作为主结构和子结构共同承担振动，从而实现调谐，并将振动反应控制在预期值以内。
在采用消能减震方法的情况下，结构可以获得足够的初始刚度，在较低水平地震或风振作用下保持弹性状态；在较高水平地震或风振作用下，当结构的侧向变形尚未开始变大时，能耗装置可以先于结构进入非弹性状态，以避免结构承重构件进入非弹性状态。
本期主要介绍减震设计中粘滞阻尼器的相关内容。
二、粘滞阻尼器的初步识别
粘性阻尼器是一种速度相关的阻尼器，目前广泛应用于土木工程领域流体阻尼器内部构造基本属于射流型，下图为单杆阻尼器，通过活塞往复运动，液体流过活塞头上的小孔，提供阻尼力。
除了上述单杆粘滞阻尼器，还有黏滞阻尼墙和三向缸式粘滞阻尼器。前两种阻尼器已广泛应用于建筑结构的振动控制中，主要用于管道系统的振动控制。
近年来主要研究粘滞阻尼器研究了优化粘滞阻尼器的空间分布，提高粘滞阻尼器构件的性能。
优化空间分布：主要目的是最大限度地发挥粘性阻尼器的能耗，减少结构在地震作用下的反应。如何选择合理有效的位置布置阻尼器具有重要意义。通过对建筑物的非线性时程分析，最大限度地减少层间位移角，甚至考虑初始成本和总体预期损失，优化了最高的附加阻尼比。
提高粘滞阻尼器构件性能的方法：阻尼器的能量消耗能力随着阻尼器变形的增加而增加，阻尼器的变形通常受结构层间位移角的限制。为了使阻尼器尽可能大，不降低结构的承载力，可以增加粘性阻尼器内部的阻力变形，打破现有层间变形的限制。换句话说，使用放大系统将地板变形放大到阻尼器，使阻尼器获得更大的行程（或速度），提供更高的等效阻尼比，从而更有效地保护结构。
例如，杆式粘结阻尼器的对角支撑、人字支撑和套索支撑是利用结构层间的剪切变形来发挥阻尼器的作用，此外，套索支撑形式可以放大结构层间的剪切变形，增强阻尼器的能耗；增强层的垂直布置是利用结构弯曲变形来发挥阻尼器的作用，可以通过放大伸臂杠杆来提高阻尼器的能耗效率。(对于放大系统，可以查询的文献可以查询)
三、粘性阻尼器构件设计
通常在中国，结构工程师通常对粘性阻尼器采取主义态度（直接确定阻尼系数和阻尼指数，代入模型直接计算~），事实上，粘性阻尼器的设计是一个非常复杂的过程，大致可以分为粘性阻尼器的强度计算、阻尼器的热量计算、流体动力学计算和比较经验数据这四个主要过程：
(1)强度设计:阻尼器内的所有部件都应设计强度，包括活塞杆、气缸和护套，在设计额定阻尼力的基础上考虑一定的安全储备；通常，应考虑安全系数~2.5倍，在这种安全储备的拉力和压力下，各部件不得屈服或变形。
(2)加热计算分析:阻尼器的热量按单位时间内阻尼器的能量耗散计算，并考虑电源密封的设置。
(3)流体动力学计算:确保所有参数达到设计曲线要求。
(4)比较经验数据:同时设计阻尼器参考丰富的数据平台，确保精度。
事实上，对于这四个设计过程，由于粘滞阻尼器的环境不同，单位时间消耗的热量差异很大，这也是粘性阻尼器设计的前提。
一方面，粘性阻尼器的设计是由其强度控制的。在设计负荷的基础上，考虑到足够的安全储备后，通过强度确定阻尼器各部件的尺寸。
另一方面，阻尼器的单位时间需要消耗大量的能量。阻尼器需要足够的内腔和外部尺寸来实现能量转换，功率是这种设计中起决定性作用的控制因素。对于需要连续工作的抗风荷载阻尼器，必须考虑阻尼器的功率，而阻尼器内的流体介质运动是一个复杂的流体动力学问题。
此外，明确粘性阻尼器的工作和运行状态是合理能耗减震设计过程的基础，这也与设计师的初衷和目的有关。粘性阻尼器的工作状态可分为日常运行状态和紧急情况两种。这里涉及的阻尼器的主要工作和运行状态包括粘性阻尼器内部工作压力、能量消耗形式、热效应和使用寿命等等。每个新参数的阻尼器的生产过程都是单边生产和实验的过程。除了控制材料试验、成品质量试验、部分部件（如活塞、密封件）的试验外，也至关重要。
四、粘滞阻尼器粘滞流体成分
目前用于黏滞流体消能阻尼器的黏滞流体主要是液压油、有机硅油、硅基胶和特种悬浮液，而有机硅油又是应用最广的。
硅油是硅聚合物中的一种，其分子结构和元素硅，分子主链是由硅原子和氧原子交替组成的骨架。硅油具有无毒、无味、无腐蚀、不易燃烧等优点。硅油的种类很多，其中二甲基硅油最常用作粘性流体消能阻尼器的粘性介质，目前的研究也是最成熟的。
二甲基硅油，或简称甲基硅油，是一种无色透明的油液，密度一般为930~975kg/m2.不溶于水，疏水性好，电气绝缘性能好。它是最基本、最典型的硅油，也是产量最大、应用最广泛的品种。
5.粘性阻尼设计中的应用要点
结构工程师需要与制造商沟通，并根据流体阻尼器的具体要求进行相应的设计调整，包括：
(1)最大输出力；
(2)最小安全系数；
(3)从中位计算的可用阻尼冲程；
(4)阻尼系数；
(5)速度指数；
(6)工作环境温度；
(7)最大风功率输入(如涉及风振)；
(8)阻尼器连续工作时间(如涉及风振)；
(9)阻尼器尺寸要求。
特别注意：
采用消能阻尼器后，会降低结构的地震效果，不一定会降低结构的抗震结构措施。即使采用消能阻尼器，消能减震结构任何楼层的水平剪力也应符合《建筑抗震设计规范》第5号.2.最小楼层剪力剪力要求。
<> 黏滞阻尼器的最大输出力为在最大地震动输入下计算所得到的结果，安全系数以最大输出力或最大速度为基础。如1.2倍安全系数表示阻尼器达到1.2倍最大输出力或最大速度时不会屈服损坏。 根据阻尼器速度指数的取值不同，1.2倍安全系数相对于最终输出力来说有所区别。在抗规GB50011-2010要求极限速度应不小于最大速度的1.2倍，美国FEMA则要求1.3倍。目前消能阻尼器厂家一般是根据设计单位提供的消能阻尼器参数来加工制作消能阻尼器产品.为此，消能阻尼器的实际参数和性能与设计要求是有一定差异的，即使是抽检合格的产品也不能做到和设计要求完全一致。但是当消能阻尼器测试安装时，主体结构一般都是基本完工，因此结构工程师需要留有一定的安全度来消除消能阻尼器的实际性能指标与设计差异造成的减振效果的误差。如：消能阻尼器与主体结构和支撑之间的连接总是存在一定的间隙，这会削弱结构的减振效果；消能阻尼器支撑不可能做到完全刚性，总是存在一定的变形，这也将会一定程度上削弱结构的减振效果。
六、黏滞阻尼器的检测要求
(1) 外观检测
黏滞流体消能阻尼器产品外观应表面平整，无机械损伤、无锈蚀、无渗漏。而且产品的长度和设计长度通常允许偏差在3mm之内，截面有效尺寸差别不超过2mm。（《JGJ297-2013_建筑消能减震技术规程》规定偏差在±2%以内）
(2) 材料要求
黏滞流体消能阻尼器的黏滞阻尼材料要求黏温关系稳定，不易燃烧，不易挥发，无毒，抗老化性能强。（如上文所提到的二甲基硅油）
用于制作黏滞消能阻尼器的钢材应根据设计需要进行选择，缸体和活塞杆一般宜采用优质碳素结构钢、合金结构钢或不锈钢。优质碳素结构钢应符合GB/T699的规定；合金结构钢应符合GB/T3077的规定；结构用无缝钢管应符合GB/T8162的规定；不锈钢棒应符合GB/T1220的规定，不锈钢管应符合GB/T14796的规定。
考虑到黏滞流体消能阻尼器的耗能机理就是将结构的动能转化为热能消耗掉，因此消能阻尼器表面不宜采用防锈漆，而应采用镀铬来处理。
黏滞消能阻尼器密封材料应选择高强度、耐磨、耐老化的密封材料。优选金属或尼龙等材料作为密封圈材料。
(3) 慢速测试
慢速测试的目的，一方面测试消能阻尼器的极限位移，另一方面可以通过慢速测试检验消能阻尼器在低速状态下的性能，获得消能阻尼器的摩擦力，因为过大的摩擦力会造成密封圈漏油。
测试方法采用静力加载试验，控制试验机的加载系统使阻尼器匀速缓慢运动，记录其伸缩运动的极限位移值和摩擦力。要求消能阻尼器的极限位移实测值不应小于黏滞阻尼器设计容许位移的150%。当最大位移大于等于100mm时，实测值不应小于黏滞阻尼器设计容许位移的120%；并且消能阻尼器的内部摩擦力不宜超过设计最大阻尼力的10%。
(4) 最大阻尼力测试
采用正弦激励法，用按照正弦波规律变化的输入位移，对阻尼器施加定频率f（f为结构基频）、定位移幅值u（u为消能阻尼器设计位移）的正弦力，连续进行5个循环，记录第3个循环所对应的最大阻尼力作为实测值。要求消能阻尼器的最大阻尼力实测值偏差应在产品设计值的±15%以内；实测值偏差的平均值应在产品设计值的±10%以内。
(5) 规律性测试
目的是测试得到消能阻尼器产品的阻尼系数、阻尼指数和滞回曲线是否满足设计要求。
测试采用正弦激励法，用按照正弦波规律变化的输入位移U=usin（wt）(u0为消能阻尼器设计位移)来控制试验机的加载系统，对阻尼器分别施加频率为f (f为结构基频)，输入位移幅值为0.1u、0.2u、0.5u、0.7u、1.0u、1.2u，连续进行5个循环，每次均绘制阻尼力位移滞回曲线，并计算各工况下第3个循环所对应的阻尼系数、阻尼指数作为实测值。
测试要求阻尼系数和阻尼指数的实测值偏差应在产品设计值的±15%以内，实测值偏差的平均值应在产品设计值的士10%以内；实测滞回曲线应光滑，无异常，在同一测试条件下，任一循环中滞回曲线包络面积实测值偏差应在产品设计值的±15%以内，实测值偏差的平均值应在产品设计值的±10%以内。
(6) 疲劳性能测试
测试采用正弦激励法，对阻尼器施加频率为f(f为结构基频)的正弦力，当以地震控制为主时，输入位移U=usin（wt）(u为消能阻尼器设计位移)，连续加载30个循环，位移大于100mm时加载5个循环；当以风振控制为主时，输入位移U=0.1usin（wt），连续加载60000个循环，每20000次可暂停休整。测试要求消能阻尼器的最大阻尼力、阻尼系数和阻尼指数的变化率不大于±15%，消能阻尼器的滞回曲线应光滑，无异常，包络面积变化率不大于±15%。
(7) 加载频率相关性测试
测试采用正弦激励法，测定产品在常温，加载频率F分别为0.4f、0.7f、1.0f、1.3f、1.6f，(结构基频f) 对应输入位移幅值U=uf/F下的最大阻尼力，并与f下的最大阻尼力的比值(u是阻尼器的设计位移)。
(8) 温度相关性测试
测定产品在输入位移U=usin（wt），频率为f结构基频，试验温度-20~40℃，每隔10℃记录其最大阻尼力的实测值。测试要求消能阻尼器的最大阻尼力变化率不大于±15%。、
(9) 密封性能测试
以1.5倍的最大阻尼力作为控制力持续加载3min，记录结果。测试要求阻尼器不漏油，最大阻尼力的衰减不超过5%。
欢迎关注，下期更加精彩~
往期精彩
#性能分析
【JY】基于性能的抗震设计浅析（一）
【JY】基于性能的抗震设计浅析（二）
【JY】浅析消能附加阻尼比
【JY】近断层结构设计策略分析与讨论
【JY】浅析各动力求解算法及其算法数值阻尼(人工阻尼)
理念
【JY|体系】结构概念设计之(结构体系概念)
【JY|理念】结构概念设计之(设计理念进展)
【JY】有限单元分析的常见问题及单元选择
【JY】结构动力学之显隐式
【JY】浅谈结构设计
【JY】浅谈混凝土损伤模型及Abaqus中CDP的应用
【JY】结构概念设计之（隔震概念设计）
#概念机理
【JY】基于Ramberg-Osgood本构模型的双线性计算分析
【JY】结构动力学初步-单质点结构的瞬态动力学分析
【JY】从一根悬臂梁说起
【JY】反应谱的详解与介绍
【JY】结构瑞利阻尼与经济订货模型
【JY】主成分分析与振型分解
【JY】浅谈结构多点激励之概念机理（上）
【JY】浅谈结构多点激励之分析方法（下）
【JY】板壳单元的分析详解
【JY】橡胶支座的简述和其力学性能计算
【JY】振型求解之子空间迭代
【JY】橡胶支座精细化模拟与有限元分析注意要点
【JY】推开土木工程振型求解之兰索斯法(Lanczos法)的大门
【JY】基于OpenSees和Sap2000静力动力计算案例分析
【JY】建筑结构施加地震波的方法与理论机理
#软件讨论
【JY】复合材料分析利器—内聚力单元
【JY】SDOF计算教学软件开发应用分享
【JY】Abaqus案例—天然橡胶隔震支座竖(轴)向力学性能
【JY】Abaqus6.14-4如何关联fortran？
【JY】如何利用python来编写GUI？
【JY】如何解决MATLAB GUI编程软件移植运行问题？
【JY】浅谈结构分析与设计软件
【JY|STR】求解器之三维结构振型分析
【JY】SignalData软件开发应用分享
【JY】基于Matlab的双线性滞回代码编写教程
#其他
【JY】位移角还是有害位移角？
【JY】如何利用python来编写GUI？
【JY】今日科普之BIM
~关注未来更精彩~
喜欢作者，请点赞和在看
