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    桥梁和建筑用黏滞性阻尼器设计开发研究

    时间：2023-01-22 20:30:47来源：百花范文网本文已影响人

    帅昌俊

    （武汉亿纬储能有限公司，武汉430223）

    传统的结构抗震一般都是增加结构本身的强度、刚度，从而达到抵御自然灾害的破坏性，最终达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。但自然灾害的能量和作用往往有着巨大的不确定性和随机性，我国2008年发生的8.0级汶川大地震，2010年发生的7.1级的玉树地震，2013年发生的7.0级雅安大地震，对当地桥梁和建筑造成了巨大的损害，造成桥梁、建筑倒塌，导致重大经济损失甚至人员伤亡。减隔震技术也是近年来在中国基建中广泛运用，但是，此前的一些旧建筑和桥梁，受当时设计和成本的限制，并没有过多地考虑抗震减震的需要，随着现代交通负载的越来越复杂，超载及各种不确定的情况会导致桥梁损坏、交通中断，造成一系列的直接损失和间接损失。

    目前在工程实践中，运用最多的结构振动控制方法是被动控制，被动控制即在结构的合适位置安装合适的减、隔震产品，改善结构的阻尼特性，运用于减震耗能的产品有很多种，如摩擦摆支座、黏滞性阻尼器、橡胶支座、BRB耗能支撑等。黏滞性阻尼器是运用非常广泛的一种，黏滞性阻尼器在桥梁建筑中，能够给结构一个缓冲时间，吸收和衰减振动和冲击的能量，从而减小结构的动力反应，即阻尼器可以最大限度地吸收和消耗地震力对桥梁、建筑等结构的破坏冲击，达到保护结构的目的。黏滞性阻尼器是一种无刚度的速度型阻尼器，工作时不会改变结构的固有动力特性，只对结构提供附加阻尼，其阻尼力-位移滞回曲线近似矩形，使其具有稳定的动力特性和很强的耗散能力，广泛应用于桥梁、建筑等抗震领域。

    随着黏滞性阻尼器技术的发展，有各种新功能的阻尼器发明出来，主要分为速度型阻尼器和位移型阻尼器，如熔断阻尼器、黏弹性阻尼器、限位阻尼器、金属阻尼器、摩擦阻尼器、磁流变液阻尼器、摩擦型液体黏滞性阻尼器，根据桥梁和建筑的具体地震和振动工况，设计使用不同的阻尼器产品，能显著提高桥梁和建筑的抗震性能。

    黏滞性阻尼器的基本原理是，将黏滞性阻尼器安装在桥和桥墩之间，当阻尼器受到外部的力和振动时，阻尼器活塞会随之在缸筒内往复运动，从而带动缸筒内阻尼介质（一般为二甲基硅油）运动，缸筒内两个腔体通过活塞上的阻尼孔、活塞与缸筒间隙和活塞上的溢流阀连通，当活塞进行往复运动时，阻尼介质通过活塞上的孔隙和阀，由于阻尼介质本身的特性，活塞会受到一定的黏滞阻尼力，从而吸收和消耗地震力对桥梁结构的破坏冲击。

    黏滞性阻尼器设计一般采用双出杆油缸式结构，由连接头、活塞杆、活塞、溢流阀、缸筒、阻尼介质、密封材料等组成（如图1）。缸筒内装满阻尼介质，活塞的往复运动带动内部阻尼介质的流动，分子之间产生内摩擦力，以及阻尼介质与缸筒表面的摩擦力转换成热能，这样将地震能转化为分子热能，达到阻尼耗能的目的[1]。

    图1 黏滞性阻尼器结构

    黏滞性阻尼器在性能设计上有3个重要特点：1）必须满足设计的各项参数，从而保证桥梁和建筑的整体减隔震设计；
    2）必须保证阻尼器不漏油；
    3）必须保证阻尼器的设计使用年限，也就是阻尼器的耐久性[2-3]；
    本文通过对阻尼器产品的结构构造、设计理念、密封材料的选用及试验验证等各方面提出建议，供相关设计人员讨论与交流。

    1）黏滞性阻尼器本构关系。

    目前，关于黏滞性阻尼器的标准主要有以下几种：《桥梁用黏滞流体阻尼器》（JT/T 926-2014）、《铁路桥梁黏滞阻尼器和速度锁定器》（TB/T 3561-2020）、《斜拉索外置式黏滞阻尼器》（JT/T 1038-2016）、美国公路运输协会（AASHTO）的《美国公路桥梁设计规范》、《欧洲隔震装置EN15129》、《建筑消能阻尼器》（JG/T 209-2012）、《抗震设计规范》（GB 50011-2016）、《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）等。目前关于黏滞性阻尼器的标准规范很多，大多以美国AASHTO标准为范本，从阻尼器标准到原理公式清晰明了，但实践中最重要的问题是试验，阻尼器的性能主要通过严格的型式试验和出厂试验来保证，但目前试验机和试验中心还非常少，试验数据需要积累，这也是减隔震产品的一个通用问题[4-5]。

    黏滞性阻尼器的阻尼力与速度的关系方程为

    式中：F为阻尼力，kN；
    C为阻尼系数，kN/(m/s)α；
    V为阻尼速度，m/s；
    α为速度指数（一般取值范围为0.01～2之间）。

    当α＜1时，为非线性阻尼器；
    当α=1时，为线性阻尼器；
    当α=0时，为摩擦阻尼器；
    当α=2时，为速度锁定器。图2为不同α值时的力-速度曲线图，图3为不同α值时的力-位移曲线图，α取值越小阻尼效果越佳，即黏性流体材料滞回曲线所包围的面积较大，耗能能力较强。一般取α ≤0.15，这样将获得更加适合于耗散能量的滞回曲线。

    图2 力-速度曲线图

    图3 力-位移曲线图

    2）黏滞性阻尼器设计。

    某项目中，黏滞性阻尼器的最大阻尼力为2250 kN，其设计输入参数如表1所示，通过设计输入参数，计算得到阻尼器结构参数如表2所示。

    表2 结构参数

    黏滞性阻尼器通过在活塞上选取若干溢流阀（如图4），选用力士乐的先导式溢流阀。先导式溢流阀的特点是：首先在初始压力调整点设置溢流阀的开启压力，此项目中压力设置分别为13、20、27 MPa，阻尼器腔体内的压力先作用在主阀芯上面，压力也经过节流孔1和2作用在先导阀阀芯上，当阻尼器腔体内压力大于溢流阀初始压力时，先导阀打开，使得主阀芯内外产生压差，主阀芯打开，阻尼介质从出油口流出，达到了调节阻尼器腔体内压力与流量的作用。

    图4 溢流阀结构图

    溢流阀开启的压力和阻尼介质的流量之间的关系压差方程为

    式中：ΔP为缸体内两腔压差，Pa；
    A为溢流阀开口面，m2；
    ρ为流体的密度，kg/m3；
    Cd为流量系数；
    qv为流量，m3/s。

    通过调节不同溢流阀的压力（13、20、27 MPa），设置溢流阀阀座上阻尼孔大小，结合式（1）、式（2），仿真模拟出压力与流量曲线关系（如图5）、力与速度曲线关系（如图6）。根据标准EN 15129，力值允许±15%的偏差。由于地震力比较大，在图中可以看出，力值在允许的偏差范围内，满足设计要求。

    图5 压力-流量关系图

    图6 力-速度关系图

    1）黏滞性阻尼器主要的设计就是缸体的设计校核及缸体螺纹剪切力的设计校核，其中：缸体的外径为De，缸体的内径为Di，缸径比a=De/Di；
    缸体的周向应力σθ=p（a2+1）/（a2-1）；
    缸体的径向应力σr= -p；
    缸体的轴向应力σz=p/（a2-1）。

    Von Mises等效应力校核：

    最终缸体应力校验合格。

    2）连接筒和缸体之间采用螺纹连接，校核如下：

    式中：fd为设计的拉伸应力；
    φctd为连接筒螺纹公称直径；

    pct为螺距；
    lct为螺纹长度；
    dct1为螺纹小径；
    Acts为螺纹剪切面面积。

    最终螺纹剪切应力校验合格。

    黏滞性阻尼器的密封设计分为动密封和静密封设计，静密封一般选用O形密封圈，动密封一般选用进口的密封圈，比如特瑞堡密封圈或郝莱特（Hallite）密封圈。本文选用专用的活塞密封和活塞杆密封，其中，活塞密封由一个弹性体和一个添加青铜增强物的PTFE表面环组成，通过径向过盈配合，弹性体的预压缩变形提供给PTFE表面环密封作用力，在低压下具有良好的密封效果，当系统压力升高时，弹性体压缩变形，施加更大的力，使PTFE表面环紧贴密封面达到良好的密封效果，如图7所示。

    图7 黏滞性阻尼器用活塞密封

    活塞杆密封由一个高性能U型壳体和一个V型不锈钢弹簧组成，在系统压力过低时，内置的V型弹簧为密封件，提供预压缩力，以保证在低温低压时密封件具有良好的密封性能，随着压力的升高由系统压力提供主要密封作用力，从而保证了从低压到高压可靠的密封效果，如图8所示。

    图8 黏滞性阻尼器用活塞杆密封

    黏滞性阻尼器的钢件，必须严格按照图样的公差和表面处理要求，机加工合格，整个钢件严禁焊接，保证运动接触表面高度光滑，通过密封技术和机加工技术保证黏滞性阻尼器不漏油和耐久性。

    根据标准EN 15129，黏滞性阻尼器需要做出厂试验和型式试验，对新产品必须做型式试验，对于现有产品再生产，必须进行出厂试验，试验项目如表3所示。

    表3 阻尼器试验项目

    以本构关系试验为例，试验中加载正弦波，加载公式为

    根据标准EN 15129，得到力与位移的关系（如图9）、时间与位移的关系（如图10）、时间与力的关系（如图11）、时间与速度的关系（如图12）。从试验结果看，设计能够满足使用要求。

    图9 力与位移的关系

    图10 时间与位移的关系

    1）经典的黏滞性阻尼器设计，从理论公式到结构设计、密封设计及试验研究，是一成套的成熟系统，现在对其加以总结，也是为了更好地提高产品设计质量，从而专注其加工质量。桥梁和建筑都是公共工程，必须保证产品的质量，也必须保证产品的减隔震效果。

    图11 时间与力的关系

    2）随着我国桥梁和建筑的基建项目越来越多，国家开始强制在项目推进减隔震技术，黏滞性阻尼器会运用越来越广泛，目前关于黏滞性阻尼器的在线监测及健康监测要求也越来越多，通过监测的手段来保证黏滞性阻尼器更好地服务于桥梁和建筑的消能减震。

    3）关于黏滞性阻尼器的理论研究与标准规范越来越齐备。但是，关于黏滞性阻尼器的试验研究，在运行的黏滞性阻尼的状态数据少，希望将来有更多的黏滞性阻尼器的试验机和试验中心，通过对桥梁和建筑的黏滞性阻尼器在线运行情况的了解，进行改进设计。

    4）美国泰勒公司的黏滞性阻尼器，取消了溢流阀件，完全采用阻尼孔的形式，是未来黏滞性阻尼设计的一种方向[2-3]。

    图12 时间与速度的关系

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