抗风阻尼器的简介

weixin

2021年5月18日12时31分，深圳赛格大厦出现晃动。专家组初步认为赛格大厦晃动的原因是多种因素耦合，主要是风的影响，还有地铁运行和温度的影响。专家建议，下一步应当考虑安装阻尼器以提高大厦的抗风能力和舒适度。

目前，用于抗风的阻尼装置主要有黏弹性阻尼器、调谐质量阻尼器 (TMD)、调谐液体阻尼器 (TLD) 以及液体黏滞阻尼器 (FVD)，本文将按照其发展的顺序分别进行介绍。

01、黏弹性材料阻尼器

随着20世纪80代末冷战的结束，许多原本用于军工领域的技术可以出售用于民用。美国泰勒公司 (Taylor Devices Inc.) 与美国纽约州立大学布法罗分校 (SUNYAB) 共同研究，将用于军事上的减振阻尼器和缓冲器装置转用于土木工程中。

其实早在此之前，人们已经开始在建筑中使用阻尼装置，例如美国世贸中心双塔大楼中就设置了数量极多的黏弹性阻尼器进行风振控制。

黏弹性阻尼器是指，通过在金属板之间放置具有黏滞性能的固体材料而构成的一种随速度和位移两种因素的变化而变化的速度型阻尼器。由于弹性体阻尼产品具有高度非线性，其阻尼输出与系统所受应力的同步性很强，所以在降低了系统反应的同时，黏弹性阻尼也增加了系统的受力。此外，温度的变化也会对黏弹性阻尼产生极大的影响。

人们对在美国世贸中心双塔大楼等抗风工程中的应用的黏弹性阻尼器作了大量试验研究，但试验结果却不能令人满意。一些专家认为，这种黏弹性阻尼器不适于继续在结构工程中使用，其原因如下：

  · 黏弹性阻尼器对环境温度与荷载频率有很高的依赖性，在多次试验中其性能都显示出了高达70%甚至数倍的变化；

  · 随着负载的变化，黏弹性阻尼器的参数会出现可观的改变；

  · 在长期的工作中，黏弹性阻尼器的耐疲劳性和稳定性较差，随着时间的延长，其性能也会发生改变，使减振作用发生减退。

随着在大量应用中出现的种种问题，黏弹性阻尼器在温度稳定性和耐久性等方面的缺点逐渐显现。这些因素成为了推广黏弹性阻尼器技术的瓶颈。

02、调谐质量阻尼器 (TMD)

调谐质量阻尼器减振系统，是一种利用外加质量和刚度的谐振系统来减少主体结构振动的方法。结构谐振阻尼系统可以很好地减少主体结构的振动，其在国内外的一些高层结构抗风、减少行人桥竖向振动和铁路桥梁的横向振动以及楼板减振上都得到了成功的应用。调谐质量阻尼器由固体质量块、弹簧和阻尼元件等部件组成，通过将调谐质量阻尼器自身的振动频率调整到结构振动的主要频率附近，可使调谐质量阻尼器和主体结构产生谐振，实现使振动能量从主结构向调谐质量阻尼器的转移，从而达到减小主结构振动的目的，可以说是“以动制动”。

从以往的计算分析和运用经验来看，调谐质量阻尼器有下列几个问题值得思考和探讨：

  · 调谐质量阻尼器减振系统是频率敏感性很高的系统。一些有摩擦的阻尼器、黏弹性阻尼器和带有非线性的橡胶支座等都会引起其频率的变化，都不适于与其同时使用。考虑到结构在日常运行中的屈服和荷载变化会引起结构周期的改变，调谐质量阻尼器的减振效果可能也会随之发生改变，甚者失去作用；

  · 调谐质量阻尼器对阻尼器的要求很高。这种阻尼器是在常年运动中发挥作用，所以很容易发生热破坏。对于大质量、大功率的调谐质量阻尼器系统，其阻尼器应该尽量采用无摩擦或小摩擦的金属密封阻尼器；

  · 调谐质量阻尼器如果失去作用，结构无用质量的增加、反应的放大，可能都会引起严重的副作用；

  · 考虑到地震荷载是多频率的复合荷载，调谐质量阻尼器甚至多频率的调谐质量阻尼器，都很难起到很好的减震作用；

  · 至今无论国内外都十分罕见调谐质量阻尼器真实减振效果和可靠性的试验；

  · 对于既可以用调谐质量阻尼器又可以用阻尼器直接减振的结构（如高层结构抗风、铁路桥梁横向减振等），根据以往的计算经验、价格分析和长期运行的维护管理来说，直接采用阻尼器减振要可靠得多。

台北101大楼、芝加哥凯越酒店、纽约公园大道432号建筑等，工程中均设有调谐质量阻尼器用于抗风，其主要问题在于为了与结构基频一致产生共振，调谐质量阻尼器的频率通常设置为唯一的，而且结构的振动频率却多达几十甚至上百个，即使采用多频率的调谐质量阻尼器，也无法满足与结构的每个振动频率一一匹配。此外，悬挂在楼顶的动辄成百上千吨的质量块，极有可能在摆动过程中与结构产生碰撞，对结构本身造成破坏，更有甚者，一旦质量块掉落，会对建筑内人们的生命安全造成威胁，其后果更是难以估计。最后，质量块的制造所耗费的大量钢材也不利于工程成本的节约。另外，国内某些应用调谐质量阻尼器的工程，其所采用的阻尼器多为普通抗震阻尼器，不能保证因常年工作中产生的大量热量，可能对阻尼器的破坏。

03、调谐液体阻尼器 (TLD)

在调谐质量阻尼器之后，水箱减振的方式也开始受到一些工程师的关注并正在被慢慢推广应用到结构抗振中。

水箱减振主要分为两种，一种为整体式水箱，其原理与调谐质量阻尼器类似，都是通过谐振来达到结构减振的目的，只不过把调谐质量阻尼器中的质量块换成了盛有水的水箱。

另一种则由许多根水管组成，称为调谐液体阻尼器。这种阻尼器主要依靠将具有一定形状的固定在结构上的刚性盛水容器中的浅水液体的晃动频率调节到与结构振动频率接近来谐调减振，达到抗振的目的。同时，当火灾发生时，水箱中的水还可以兼具消防用水的作用。

虽然上述通过水箱减振的方式去掉了调谐质量阻尼器那样沉重的质量块，看似节约了钢材消耗的成本，但其与调谐质量阻尼器一样只能满足一个或很少的几个频率，不能真正与结构的多个振动模态匹配，且调谐液体阻尼器的设计与制造也相当繁琐，其在建筑结构上的应用并不比其他减振装置更容易。故而调谐液体阻尼器事实上也不是结构抗振的一个最优选择。

04、液体黏滞阻尼器

如今，越来越多的结构工程师开始考虑通过直接设置液体黏滞阻尼器来进行结构抗风，并已经有了许多工程实例，一些安装了阻尼器的建筑结构成功地通过了大风的考验和认证。例如北京银泰中心、天津国际国贸中心以及美国的波士顿亨廷顿111大楼等工程，均采用了世界阻尼器中最先进的液体黏滞阻尼器减振技术，很好的提高了结构的舒适度，达到了设计规范的要求。

液体黏滞阻尼器作为一种土木工程领域可采用的较为理想的耗能装置，主要表现在其耗能效率较高，可以较多地消耗能量、灵活机动、可以准确计算，这也就意味着其可以附加给结构较大的阻尼比，一般可达到5％～20％。而且由于液体黏滞阻尼器自身没有刚度，也就不会改变结构的频率，只是通过改变原结构的整体阻尼比来降低结构动力反应，原结构的动力特性不会受到影响。当安装了阻尼器后，建筑的阻尼比随之增加，其抵抗风致振动的性能也将大大提高。

阻尼器抗风与普通抗震的最大区别是：地震荷载的相对持续时间短，虽然荷载峰值可能很高，但输入的总能量远不及动辄持续数小时的风荷载；而风荷载的频率较低、峰值力较小，因此要求所用阻尼器需要在相对小的力和振幅下以及较低速度时正常工作——即，既能在大荷载、大冲程、短时间下有效工作，又能在小荷载、小冲程下长期连续工作。因此，阻尼器必须消耗其连续工作所吸收并转化为热能形式的能量，设计者也必须考虑在如此长时间的运行下阻尼器的热量耗散情况，即功率。一定的功率是保证阻尼器在连续或接近连续工作下不破坏的必要条件。众所周知，高温是对阻尼器最不利的因素，如果阻尼器在连续工作中产生的功率太大，其在生热的情况下便很容易损坏，一些质量较差的阻尼器的密封装置还会在内部高温的情况下由于软化导致漏油甚至爆炸。为了防止在长时间连续工作下由于生热对阻尼器带来的损害，按照阻尼器的设计使用规定，对于主要设计用于抗风的阻尼器一定要进行功率计算，对阻尼器工作时的功率进行严格控制，这也是决定阻尼器是否漏油的关键技术。许多项目上的抗风阻尼器都曾进行了能量耗散能力（即功率）这项测试。

由于阻尼器的吨位通常都很大，能达到几十甚至上百吨，而抗风所需的冲程可能只有几个毫米。对于抗风阻尼器，将阻尼器的敏感性提高，使其在小位移下也能很好的工作也是一项必不可少的内容。另外，阻尼器及其连接构件的加工精度也会对结构的抗风效果产生较大的影响。

最后，需要说明的是当风荷载事件发生时，在结构的微小振动速度下，只有真正高质量的液体黏滞阻尼器才能做出有效的响应，并提供很小的动力荷载，起到减振的作用。

来源：陈永祁科学网博客，作者：陈永祁。