减振利器——粘滞阻尼器

二十一世纪以来，随着社会经济的发展，许多城市都在努力地提升自身形象，越来越多的高层建筑拔地而起，地标性建筑物也不断涌现，不断地刷新自身的天际线。

? 图1

对于这些高层建筑，拥有良好的抗震能力显得尤为重要。传统的抗震设计思想是使结构具有一定的强度、刚度和延性，以达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的目标。这种传统的建筑抗震设计采用最笨的“硬抗”的方式，结构被动地依赖于自身储存和消耗地震能量，这必然会导致构件截面尺寸的增大、配筋量的增加和施工成本的增加。而且，地震的随机性和无规律性，使得传统方法设计的结构抗震自我调控能力差，一旦发生突发性超强地震，结构很可能发生严重破坏甚至倒塌，安全性得不到保证。

上世纪70年代，在建筑结构中首次出现了现代控制理论的身影，结构振动控制的概念慢慢孕育而生，打开了结构振动控制研究的大门。我们称采用结构振动控制技术的结构为消能减震结构，在结构中布设消能部件，当地震来临时，消能部件率先进入塑性消耗地震能量，使结构在地震下的响应减小，保护结构构件免受破坏，从而保证结构在强震下的安全。数据表明，运用消能减震技术的工程结构在地震中显得更加积极主动，在地震发生时表现出非常好的抗震效果。

粘滞阻尼器是速度相关型阻尼器，滞回曲线比较饱满，可重复使用无需更换，具有稳定的耗能能力，能增加结构的阻尼，已被当作消能部件广泛地使用在高层结构的抗风抗震中。

? 乌鲁木齐绿地中心粘滞阻尼伸臂

? 粘滞阻尼墙

? 人字形连接

? 对角连接

? 套索连接

? 剪刀形连接

上世纪五十年代起，在航天、军事和机械等领域就慢慢能见到粘滞阻尼器的身影了。当然，在土木结构中运用粘滞阻尼器时间较晚，约二十年后，才慢慢能在土木结构中瞧见粘滞阻尼器的身影。经过了几十年的研究发展，粘滞阻尼器作为消能元件应用在结构中的技术已日趋成熟。

? 图2 粘滞阻尼器分类

杆式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞、阻尼孔或间隙、粘滞阻尼介质和导杆等部分组成。其工作原理是：在动力荷载作用下，活塞运动使活塞两边的粘滞阻尼介质产生压力差，从而产生阻尼力。粘滞阻尼墙主要是由内部钢板、外部钢板及内外钢板之间的粘滞阻尼介质等构成，粘滞阻尼墙在外部钢板围合的空间内做平面运动，引起粘滞材料的内摩擦而耗散振动能量。缸筒式粘滞阻尼器主要由大小两个圆桶、粘滞阻尼介质以及密封装置等组成，主要是利用可动部件在粘滞液体中的移动依靠剪切摩擦和液体压缩产生阻尼力。

粘滞阻尼器的优点可以总结如下：（a）滞回曲线饱满，呈椭圆形，具有不错的耗能能力；（b）粘滞阻尼器对结构不产生附加刚度，不增加地震动能量输入且不用考虑阻尼器与结构主体的刚度匹配问题；（c）通过耗能方式降低地震需求，无需过多对结构主体加强，进行加固施工时简单易操作；（d）温度适应性好，发挥作用稳定，维修代价低。正是由于以上优点，粘滞阻尼器在既有建筑加固领域具有不错的表现。

? 图3 粘滞阻尼器滞回曲线

减震结构是在结构内部某些部位设置附加耗能元件，使该元件被动地消耗结构的振动能量。设置阻尼器减小地震反应的原理，是基于阻尼器的附加刚度导致系统周期的缩短以及阻尼器的粘滞特性可吸收能量导致阻尼增加这样两方面的效应，使地震响应降低，从而有效保护建筑主体结构。两个方面的作用原理可用图4-7所示的地震反应谱解释。图4-7分别表示拟加速度反应谱、拟速度反应谱、位移反应谱，随着减震结构周期的缩短（效应①），以及阻尼的增加（效应②），最终导致位移、加速度以及速度均减小。当然，随着自振周期与阻尼比变化程度的不同，效应①、②所占比例也各异。

? 图6 位移反应谱

（注：h为普通结构阻尼比，heq为减震结构等效阻尼比；Tf为普通结构自振周期，Teq为减震结构等效周期）

从能量角度看，结构在地震中是一个能量的吸收与耗散的过程。结构在地震作用下，某时刻的能量方程为：

（注：E_in为地震输入给结构的能量；ER为结构振动时的能量，即势能和动能之和；ES为结构非弹性变形消耗的能量；ED为结构阻尼消耗的能量；EA为消能减震装置消耗的能量）

在能量方程中，等式左边为结构遭遇地震时结构需要消耗的能量总量，等式右边为结构能消耗的能量总量。当结构能消耗的能量总量比结构需要消耗的能量总量大时，结构在遭遇地震时才不至于倒塌。由等式关系可知，当遭遇地震时，传统抗震结构的大部分能量是由ES来承担，这可能会引起承重构件变形过大而被破坏，严重时还可能使主体结构发生倒塌；而减震结构首先是由EA来承担大部分能量，只有当Ein远远大于EA时，ES才不得不参与耗能，所以这就要求进行消能减震结构设计时，必须把消能减震装置设计的足够强，让ES尽量少参与耗能，这样可以有效避免构件的破坏甚至主体结构的倒塌。