粘滞阻尼器在实际工程应用中相关问题讨论 - 陈永祁 pdf

第 36 卷第 3 期 2014 年 6 月 工程抗震与加固改造

Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting Vol. 36，No. 3 Jun． 2014

［文章编号］ 1002-8412( 2014) 03-0007-07

DOI: 10. 3969 / j． issn． 1002 － 8412. 2014. 03. 002 粘滞阻尼器在实际工程应用中相关问题讨论

陈永祁，马良喆( 北京奇太振动科技发展有限公司，北京 100037)

［提 要］ 大型结构工程中使用的液体黏滞阻尼器是一种技术含量很高的产品，经过几十年的发展，它已经从内置硅胶或者

内设阀门、储油器的减震产品发展到可以准确计算、性能稳定耐久的第三代产品———射流型阻尼器。本文在第三代阻尼器技 术特点基础上，对近几年的认知和阻尼器的发展情况进行介绍，以便相关技术人员能够认清和分辨它的质量。超高层结构既 要求抗风又要求抗震，对阻尼器提出了新的要求，文中同时介绍了阻尼器在此要求下的发展情况。

［关键词］ 黏滞阻尼器; 硅胶; 阀门; 储油器; 射流型阻尼器

［中图分类号］ TU973 ． 31; TU352． 1 ［文献标识码］ A

+

Some Discussion Ｒelated to Viscous Dampers Application in the Actual Project

Chen Yong-qi，Ma Liang-zhe( Beijing Qitai Shock Control and Scientific Development Co． Ltd，Beijing 100037，China)

Abstract: The liquid viscous dampers used in large civil projects are the high technology products，it has been developed from filling putty or setting valves and accumulator vibration control products to the third generation products which can be calculated precisely and performed stably – fluidic damper． In this paper，the features of the third generation dampers which have been introduced several times are presented，and the understanding and development in these years are summarized． It will helpful to the related technology staff to figure out the equality of damper． For the high-rise buildings，the dampers should meet the demands from wind and earthquake， so the developing status are introduced．

Keywords: viscous damper; putty; valve; accumulator; fluidic damper E-mail: qitai@ bluelakeint． com

［收稿日期］ 2013-10-15

结构工程用液体粘滞阻尼器在发展进程中经历

如下 3 个阶段: 最初以胶泥为填充材料，称为第一代

黏滞阻尼器; 采用各种阀门控制阻尼器参数并使用

蓄能器，可称为第二代阻尼器; 最新发展形成的以小

孔激流方式控制阻尼器参数的第三代阻尼器。

这三代产品的技术差异是十分明显的，其性能 表现和耐久性也是良莠不齐。目前可以在百年大计 的建筑和桥梁上安全使用的，具有最高技术含量的 结构工程用阻尼器所应具有的特质是: 准确的定量 产品; 能确保至少 35 年不漏油的产品; 不设阀门和 油库的产品; 能通过低速测试、既能抗风又能抗震的 产品; 阻尼器能满足功率的要求和测试的产品; 具有

1 引言

1. 5 ～ 2 倍以上安全系数的产品。只有这样的阻尼 器才能在结构设计周期内放心、安全的使用，才能在

超高层结构、悬索桥以及大型 TMD 上应用。 根据

阻尼器的性能特点和产品构造，本文将阻

弹性胶泥是一种由有机硅高分子化合物、填充

剂、抗压剂、增塑剂、着色剂等化学成分组成的材料。

尼器发展总结为三代产品，即以弹性胶泥为介质的 第一代产品，以机械式阀门为基础的第二代产品以

弹性胶泥是利用胶泥的粘弹性、流动性和体积可压 缩性来工作的。这些特点将其置于密闭的容器中，

以一定的机械结构来实现其减震、平衡、缓冲功能。 将弹性胶泥装入密闭容器中，根据需要使之产生一 定的预压力，当活塞柱受到的外压力小于预压力时， 活塞柱静止不动; 当外压力大于预压力时，活塞柱向 容器内移动，部份活塞柱进入容器内，此时弹性胶泥

及通过射流孔控制阻尼参数的第三代产品。 2 三代产品的原理及性能特点

2. 1 以弹性胶泥为介质的第一代产品

2. 1. 1 工作原理

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被压缩，体积缩小，并对活塞柱产生反作用力，直至

与外压力相等，在这一过程中弹性胶泥接收部份外 力动能并转化为胶泥的弹性势能; 同时在外力作用 下胶泥通过活塞与容器壁之间的间隙产生流动时发 生摩擦以及弹性胶泥的分子运动、分子链段和分子 链的移动都要消耗部份外力动能并转化为热能而散 失，从而起到缓冲、减振作用; 当外力减小或撤消后，

弹性胶泥自行体积膨胀，将活塞推向或推回原

位［12］ 。

图 1 弹性胶泥工作原理图

Fig． 1 Elastic putty working principle

Jarret 阻尼器是最为典型的利用胶泥做为介质

的阻尼器产品

。这种阻尼器不仅提供给结构附加阻

尼，同时提供给结构附加刚度。

一般在制作过程中对阻尼材料施加预压力，当

阻尼器受到压力小于预压力时，阻尼装置提供刚度

; 当阻尼器受到的压力超过预压力时，活塞杆就将挤

压阻尼介质，从而可以提供阻尼和刚度

; 当外载撤销 后，粘滞弹簧阻尼器由于对阻尼介质施加了预压

力 从而会回到阻尼器未变形的初始状态［14］

。

图 2 Jarret 阻尼器外套结构简图 Fig． 2 Construction and cover diagram

of Jarret damper

Jarret 阻尼器只能在受压状态下工作，为使其可 在拉压状态下都能工作，需要专门加工阻尼器外套

装置，使耗能器核心部分在拉压荷载下都处于受压

状态。Jarret 阻尼器的滞回曲线图仅在Ⅰ、Ⅲ象限消

图 3 Jarret 耗能器滞回曲线

Fig． 3 Hysteretic curve of Jarret damper

耗能量( 图 3) ，这与其构造特点和原理吻合。 2. 1. 2 第一代产品的性能及现状 这种装置内填

充硅胶材料 ( Putty) 来实现黏滞

作用，不适合用于长期使用的锁定装置，也不适合于

需要长期稳定性能的阻尼器，其理由是:

( 1) 硅胶在冷热中的性能变化非常大，当受冷 ( 如 － 10℃ ) 时，硅胶变成很硬的固体，丧失活动性， 起不了粘滞作用。当加热时( 如 30℃ ) 时，硅胶会变 得很稀，流动性很大，粘滞性能也会一定程度减弱

。

( 2) 导热性差，当某部分变热，温度会上升得很 快，但其它地方却变化不大，至使装置内固液不均

。 因为胶泥是由橡胶粉和硅液组成，这种局部热量会

使硅胶分解成原来的固液两部分，导致了不均匀的

物理特性。

( 3) 长期使用性能差，在最初使用的 1 ～ 2 个受力循环内，硅胶为填充材料的锁定装置，几个循环过 去，填充材料发热，就会产生硅胶变质和材料分离的 现象，其滞回曲线迅速变化

。阻尼器处于失控状态。

( 4) 使用这种硅胶材料，最初生产出的产品不 存在漏油问题，使用一段时间后，在冷热环境下液固

分离，就同样会产生漏油 。韩国高速铁路上使用的

第二代阻尼器产品在安装不久后的漏油问题就足以 证明

。 硅胶温度稳定等性能极差，无法达到有高精度

要求的液体弹簧和阻尼器的要求。在减振装置中，

只能用于那些缓冲器仅提供单向减振且没有很高参 数的要求

。

在欧洲，这项技术被一些公司长期采用，英国

Colebrand Device 生产的内置硅胶的速度锁定装置 在漏油声中破产; 法国 Jarret 公司由于阻尼器不能 达到设计要求，而不得不在 2005 年选择放弃，该公 司

在购买了美国 Endinine 技术后仍生产不出性能 稳定的阻尼器，最终导致在 2005 年宣布破产。在国

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内阻尼器技术初步形成阶段，法国 Jarret 公司是主 Valve) 。

［2］

要的仿制对象，法国 Jarret 公司在国内影响很大， 图 6 为采用蓄能器的油阻尼器。蓄能器是油

其破产后在我国留下了许多无人维护的工程，甚至 压阻尼器的重要部件，在阻尼器受到冲击时，内部的 一些国家级的重点工程。

换向阀突然换向、执行元件运动的突然停止都会在 液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内

图 4 韩国高铁 Colebrand Device 漏油产品

Fig． 4 Colebrand Device leaking in high-speed rail of Korea

2. 2 以机械式阀门为基础的第二代产品

2. 2. 1 工作原理

［4］

油阻尼器通过流体的惯性力实现阻尼功效，单 位时

间内通过的流体流量是改变阻尼器出力的关键 要素，通过机械手段实现流体流量改变的方式是设 置阀门，即在油路中设置控制阻尼力特性的控制阀， 称之为流量控制阀 ( Flow Control Valve 或 Pressure Control Valve) ，流量控制阀根据作用在阀上的压力

与阀弹簧力的平衡关系改变流体通过的面积。图 5 为设置预压阀门的油阻尼器详细构造。

图 5 设置预压阀门的油阻尼器详细构造

Fig． 5 Construction of oil damper with pressure

relief valve

由于需要根据流量控制阀的开启量达到压力与

流体流量的特定关系，流量控制阀要经过精确设计 加工较为困难，其后期的耐久性也备受关注。正因 如此，多数生产厂均不生产这种线性阻尼器。

为了获得不同的功效，则需要更多地利用阀门

的机械原理。通常的做法是低速调压阀以及高速调

快速升高，造成设备内部元件和密封装置的损坏。 蓄能器用于阻尼器一般作为温度补偿、油介质的泄 漏补偿以及活塞杆在往复运动时的体积变化调节的 功能。

压阀两种装置，从而使油阻尼器呈现双线性特性。 这种高速调压阀门被称为溢流阀 ( Pressure Ｒelief

图 6 外置蓄能器的油阻尼器

Fig． 6 Damper with outside accumulator

些不能做到严密封闭或者需要进行定期维护的厂家 作为油库来补充。蓄能器是油压阻尼器的重要部 件，在阻尼器受到冲击时，内部的换向阀突然换向、 执行元件运动的突然停止、打壳，都会在液压系统中 产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，造 成设备内部元件和密封装置容易损坏。早期的第二 代阻尼器采用外部设置油罐和阀门的方式，在改进 后被放置在阻尼器内部，因此相对体积较为庞大，也 是分辨这种阻尼器的标志。

Jarrett-Enidine 合资企业在加州政府工程和台 湾工程中生产的阻尼器，在检测中的大量失效，已经 完全证明了这种技术的失败。我国新建的阻尼器厂 家更

2. 2. 2 第二代产品的性能及现状 日本和欧洲的几家公司采用在阻尼器中加设阀

门和油库( 蓄油器) ，控制油压的技术生产被称之为

，

［4］

“油阻尼器”的产品 其中速度指数多数在 0. 05 ～

0. 2 之间变化。这种阻尼器内部设置预压弹簧和流 2. 3 通过射流孔控制阻尼参数的第三代产品 量控制阀门，靠惯性力产生粘滞作用并使阻尼器达 2. 3. 1 工作原理 到设计的参数。油库设置显然增大了油腔内的油体

不应再用这种落后技术，以免留下隐患。

积，这有利于向外界耗散更多的热量，同时也便于那

Earthquake Ｒesistant Engineering and Ｒetrofitting Vol. 36，No. 3 2014 实际上，第三代阻尼器仅是钻一个简单的圆孔，

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符合基本流体力学基本公式—柏努利( Bernoulli)

方 程，阻尼器出力只是限制在与速度平方成比例。 由于速度平方阻尼在用于消耗地震能量时受到 限制，这时需要设计更加鲁棒性( Ｒobust) 及复杂的 孔隙。如果需要改变速度平方阻尼关系，制作速度 指数小于 2 的阻尼出力则需要通过小孔控制通过活 塞头的流体压力，采用相对复杂的设计。第二代阻 尼器采用的办

法是利用弹簧压力球、提升阀等机械

手段。

另外一种办法则是将小孔制成复杂并经过机加 工的通道，通过流液控制，采用一系列获得专利技术 准确定型的通道控制，依据这些通道的形状及面积 可使速度指数在 0. 3 ～ 1. 0 范围内变动，而不需要在 小孔内设置任何活动的部件。这类阻尼器成孔属于 第二类非伯努利型小孔，采用射流型方法，射流型控 制小

孔没有可动的部件，装置出力可随流体速度的 非平方幂指数变化。

图 7 射流型阻尼器内部构造( 提供回路和不提供回路)

Fig． 7 Construction of fluidic damper

( with and without circuit)

2

． 3． 2 第三代产品的性能及现状

第三代产品所采用的小孔射流技术是在 20 世

纪 80 年代发明并开始大量使用的，阻尼器介质通过

活塞头上特制的小孔获得所需要的参数。这种新技

术使阻尼器得到世界工程师的广泛认同，并能安全 稳定地工作几十年。也就带来了今天阻尼器的大

发展。

从 20 世纪 80 年代末期开始，美国桥梁工程师 把在机械航天等领域上已经应用的液体粘滞阻尼器 开始引入建筑和桥梁工程中，将其用于结构抗震的 保护系统，并取得了预想不到的发展。90 年代，为 了证明其在土木工程中的可用性，美国科学界与工 程界共同组织了两次具有历史意义的第三方联合预

检测，其中特别需要提到的是美国土木工程学会组 织高速公路新技术评估中心( HITEC) 组织的

大型集

中对比测试［3］

。 为了判定结构保护系统的性能，HITEC 提出的 测试难度极大

。在这次测试中，只有第三代阻尼 器

———美国泰勒公司完整地通过了计划内规定的 9

项检测。工程师们从 HITEC 的测试报告中充分了

解并掌握了各种产品的差别，并在以后 20 多年的产 品测试和工程使用中进一步明确了阻尼器产品的差 异所在: 一些产品由于性能不合格导致公司破产或 放弃生产。

相对于前两代产品，第三代阻尼器技术从应用 的角度来看，可以分辨和其它阻尼器的区别。

3 第三代黏滞阻尼器的技术特点

3. 1 ［4，6］

准确的定量产品 从 HITEC 测试要求就已经看出，设计人要求 准确定量的产品。结构工程师认识到: 准确定量 计算的建筑和桥梁上使用阻尼器的前提是长期耐 久

、性能稳定的定量产品，并保证其能在各种环境 条件下都能满足 F = CVα

的本构关系，其中要求速 度指数在 0. 3 ～ 2. 0 之间，可由设计者根据优化结

果进行确定。

阻尼器的加工制造看似简单，而如何按照设计 要求，加工一个定量化的产品实际上并非易事，这主 要归于在一些关键环节的认识和经验累计。通过生 产商

所进行过的产品性能测试，就不难看出这一点。 一些厂家不能根据设计提出的参数去进行制造加 工，而由于研发时间过长而造成不能按期交货; 或是 设计方只能按照厂家已有的参数进行设计，根本无 法进行阻尼器的参数优化。例如，除第三代阻尼器 外，第一代和第二代产品很难提供速度指数在

0. 6 ～ 0. 8 之间的阻尼器测试报告。

3. 2 不设阀门和油库的产品

［4］

30 年前，世界很多的阻尼器厂家都在设备外 ( 或内) 设置储能器、储油库以及控制阀门，这也是

第二代产品的关键技术。设有阀门、油库的阻尼器 存在的问题主要是耐久性较差

、过载后所引起的副 作用

、具有频率相关性以及不能进行缩尺试验、由于 连接间隙所造成的微小振动盲区等诸多问题

。 这种 30 年前使用的技术、落后的产品，容易在

振动时受损并破坏。国外一些企业的破产均由其落 后的产品设计生产技术所致。

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通过严格检测，特别是大量试件的超载测试、本

构关系测试和长期使用的观测就可以发现这种阻尼

器的弊端。

3. 3 需要实现不漏油的产品

［5］

不能否认液体阻尼器的漏油问题一直存在，一

些厂家仅仅以普通的液压技术处理阻尼器的密封问 题，而实质上阻尼器和各种油泵的技术完全不同。

找出漏油原因，使用先进的设计理念和产品以及

精密的加工和检验是不漏油的保证。第三代阻尼器

油腔内必须具有很大的内压( 100MPa 以上) ，从而使 活塞头小孔的射流能符合性能要求的阻尼器，这一高 压油腔的密封几十年不漏油就是其技术的关键。

采用上百万次以上的循环试验可以较为快速的

模拟阻尼器在真实情况下的运行情况，进而可用于

评估其密封性能。同时通过测试阻尼器腔体的内压 可以使阻尼器是否漏油得到量化，是分辨其是否漏

油的关键措施。

3. 4 阻尼器的低速测试

区别于其它类型减震装置，第三代阻尼器对于

多遇地震、常遇以及罕遇地震均具有减震功效，是既 抗震又抗风、在出力范围内均能准确工作的产品。

作为结构保护的阻尼器，要求其在各种频率的环境 下、无论抗风抗震都能很好准确地工作。在桥梁上

无论车辆行走的荷载还是大的地震荷载都要能做到 按本构关系工作。在实际运行中实际上阻尼器的工 作速度可能很低，在这种条件下要使阻尼器仍然很 好的满足设计要求。由于风荷载相对地震而言频率 较低，峰值力较小，因此要求所用阻尼器在较低速度 时可以正常工作，即既能在大荷载、大冲程、短时间 下，又能在小荷载、小冲程下长期连续工作下都能有 效工作。较小的阻尼器内摩擦就

是这种阻尼器的关 键技术。

在 San Diego Courthouse 项目中提出了对粘滞 液体阻

尼器进行低速测试。所用阻尼器参数为 C = 150kips / in( 26269. 0276 kN ·s / m) ，α = 0. 5。图 8 为

阻尼器速度范围在 ± 10in / s( ± 255mm / s) 时的试验

数据点和理论峰值阻尼力 － 峰值速度关系曲线。从 测试报告来看，第三代产品可以从 0. 02mm / s 的速 度时开始，并直到其最大工作速度，如 2 ～ 3m / s 下

都能准确工作，满足测试要求。

图 9 为 图 8 中 阻 尼 器 速 度 在 ± 0. 8in / s

( ± 20. 4mm / s) 范围内的放大图。数据点之间的直

图 8 峰值力 － 峰值速度关系( 速度范围 ± 10in / s) Fig． 8 Ｒelation of peak force and peak velocity

( ± 10in / s)

线为

附 加 的 两 条 当 阻 尼 系 数 C = 290kips / in

( 50786. 787kN·s / m) 且速度低于 0. 2in / s( 5. 1mm / s) 时，以及 C = 234kips / in ( 40979. 683kN·s / m) 且速 度低于 0. 6in / s ( 15. 3mm / s) 时的线性阻尼器力 － 速度参考线。图中所示数据是在考虑设备密封件摩 擦力( 测试为 6. 3kip ( 28. 0224kN) ) 的情况下得出 的。当把摩擦力从峰值力中减去以后，计算出的阻 尼系数将比图中所示的偏低。

图 9 峰值力 － 峰值速度关系( 速度范围 ± 0. 8in / s)

Fig． 9 Ｒelation of peak force and peak velocity

( ± 0. 8in / s)

从图 9 可以看出，阻尼器在速度不到 ± 0. 2 in / s ( 5. 1mm / s) 时已然可以正常工作，尽管此时的力 － 速

度行为更接近 C = 290kips / in 的线性阻尼器。

表 1 为速度在 0. 2in / s 以下的低速试验数据， 数据的

C 值与图 9 中进行摩擦力修正后的 C 值

(

290 × 0. 2 － 6. 3) /0. 2 = 259kips / in 一致。

由上可知，该阻尼器在速度达到 0. 026in / s ( 0. 663mm / s) 时即可开始工作，且在速度达 0. 10in / s ( 2. 55mm / s)

时即可以表现出其设计的性能。需

要注意的是，在普通抗震阻尼器的测试中这部分低 速反应通常是没有测试过的。此外，如果要求阻尼 器的内摩擦更低，可以采用无摩擦金属密封阻尼器。 当然，和普通抗震阻尼器相比，这种阻尼器的成本要 高得多。

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