耗能阻尼器的减振及其在实际工程中的应用
摘要：本文介绍了多种阻尼器的力学性能和其优缺点，为不同环境下选用合适的阻尼器减震装置提供方便。
关键词：耗能减震阻尼器工程应用
从动力学观点看，耗能装置的作用相当于增大结构的阻尼，从而减小结构的反应。
由于其装置简单、材料经济、减振效果好、使用范围广等特点，在实际结构控制中具有广泛的应用前景。
耗能减震装置的种类繁多，其常用的主要有：金属耗能阻尼器、摩擦耗能阻尼器、粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器。
1金属耗能阻尼器
金属耗能阻尼器是利用金属不同形式的弹性滞回变形来消耗能量。
由于金属在进入塑性状态后具有良好的滞回特性，并在弹塑性滞回变形过程中吸收大量能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能减震器。
目前已开发和利用的主要有：扭转梁耗能器、弯曲梁耗能器、U行钢板耗能器、钢棒耗能器、圆环耗能器、双圆环耗能器、加劲圆环耗能器、X型和三角形耗能器等。
金属耗能阻尼器在实际工程中的应用：金属耗能阻尼器中的无粘结支撑在日本、台湾和美国都得到推广应用【1】。
低屈服点钢耗能器、蜂窝状耗能器在日本多栋建筑中得到应用【2】。
台湾金华休闲购物中心。
本工程采用三角形加劲耗能装置，共270组。
在地震(PGA=0．39)作用下，最大层间位移也未超过规范规定的0．014rad。
潮汕星河大厦。
大厦为地下一层，地上原设计为22层。
后来在施工过程中业主要求增加3层。
为了使加层后的结构满足抗震设防要求，安装了28组耗能阻尼器。
装上阻尼器后，在大震作用下，结构的顶层位移和层间位移角均满足要求。
2000年建成的日本新住友医院，采用低屈服点剪切板耗能器进行结构减震控制。
结构在短边方向采用低屈服点剪切板耗能器，采用附加短柱的形式布置。
在加入耗能器后，结构的层间位移减小30％，控制效果明显。
2摩擦阻尼器
摩擦阻尼器是应用较早和较广泛的阻尼器之一。
摩擦阻尼器是一种位移相关型的阻尼器，它是利用两块固体之间相对滑动产生的摩擦力来耗散能量。
其基本理论是建立在以下假设的基础上：
(1)总的摩擦力不依赖于物体接触面的面积；
(2)总的摩擦力与在接触面上的总的法向力成比例；
(3)对于相对滑动速度较低的情况，总的摩擦力与速度无关。
因此可得到摩擦力F的计算公式：F N
μ
=
大多数摩擦耗能器是被动耗能装置，不能根据控制的需要改变自身的特性，其对结构的控制力完全受制于结构的运动，在大震下能滑动的摩擦阻尼器，小震作用下却不一定能滑动，从而不能起到小震下的减振作用，反之亦然。
因此，被动摩擦阻尼器的减振效果和使用范围都受到局限。
而半主动摩擦阻尼器却解决了上述问题，它的外部能源施加仅用于改变耗能器的参数，从而实现阻尼力的可调，并不直接施加于结构，因而避免了纯主动控制外加能源过大的缺点。
1997年吴波等利用摩擦阻尼器加固了东北某政府大楼；欧进萍、吴斌等对T字芯板摩擦阻尼器和T字芯板拟粘滞摩擦耗能器的工作原理进行了研究，并将其分别应用于云南洱源振戎中学食堂楼和教学楼的抗震设计，结构的抗震性能得到明显改善。
3 粘弹性阻尼器
粘弹性阻尼器(Viscoelastic Damper，简称VED)是一种速度相关型耗能装置。
世界上第一个应用VED来减小结构风致振动的是1969年美国的世界贸易中心双塔楼高层建筑【3】。
每个塔楼大致安装10000个VED。
随后，1982年和1988年在美国的西雅图又先后建成了安装有260个和16个大型VED的Columbia Center大楼和Two Square大楼，这些都是用来进行风致振动控制【4】。
VED是以夹层方式将粘弹性阻尼材料和约束钢板组合在一起，其工作原理是粘弹性材料随约束钢板往复运动，通过粘弹性阻尼材料的剪切滞回变形来耗散能量。
VED所用的粘弹性材料一般是高分子聚合物或玻璃质物质。
由于粘弹性阻尼材料是一种介于粘性液体和弹性体之间的，具有储存能量和耗散能量的材料。
它的基本特点是应变滞后于应力。
粘弹性阻尼器除应用于新建结构的振动控制外，还可以应用于己有结构的抗震加固。
4 粘滞阻尼器
粘滞液体阻尼器(VFD，Viscous Fluid Damper)是一种速度相关型的耗能装置，它是利用液体的粘性提供阻尼来耗散振动能量。
粘滞液体阻尼器早先就在航天、机械、军事等领域得到应用。
最早应用于土木工程上是在1974年所建的一座桥梁上，以后，在房屋的基础隔震、管网、地震加固、房屋抗风和抗震的设计中得到应用。
粘滞液体阻尼器的种类很多，归纳起来可分为以下两类：
第一类是液体在封闭的容器中产生一定的流速来进行耗能的阻尼器。
在这类阻尼器中，
活塞要迫使粘滞液体在很短的时间内通过小孔，这将产生很大的压力。
此类阻尼器的内部工艺设计要求较高。
第二类是粘滞液体在敞开的容器中产生一定的位移来进行耗能的阻尼器。
此类阻尼器要求粘滞液体尽量粘稠以获得最大限度的阻尼。
因此设计中粘滞液体材料的选择是关键问题。
这类粘滞阻尼器常用的形式即是粘滞阻尼墙。
建筑中常用的粘滞液体阻尼器多是第一类阻尼器。
粘滞阻尼器的显著特点是对结构只提供附加阻尼，而不提供附加刚度，因而不会改变结构的自振周期【5】。
其优点是安装了粘滞性耗能器的支撑不会在柱端弯矩最大时给柱附加轴力。
粘滞性阻尼器的最新进展是与磁流变体智能材料的联合使用，通过联合拓宽了粘滞性耗能器的发展空间。
在实际工程中，1998年北京火车站候车大厅主体结构的抗震加固，采用了美国Taylor 公司生产的粘滞油缸耗能器；1992年日本静冈市建成的15层Sut．Building建筑上采用粘滞阻尼墙，它给结构提供20％-32％的阻尼比，减小75％一80％的地震反应。
南京奥体中心观光塔。
塔身顶点标高110．2m。
由于风振和地震影响较大，在88．1m一105．7m之间设置了30个粘滞阻尼器。
设置阻尼器以后，结构的各项响应均有下降。
横风向脉动风作用下观光平台处的加速度峰值由0．2235m／s2降至0．1481m／s2；顺风向脉动风作用下观光平台处反应位移峰值由0．1920m降至0．1592m。
同时，观光平台的扭转也得到一定的改善，减震效果很好。
北京奥林匹克公园国家会议中心。
由于其第4层为60m×81m的大跨结构，在外荷载作用下引起的振动加速度和幅值较大，经优化设计，布置了72套由粘滞阻尼器和TMD系统组成的减振装置，减振效果十分明显。
参考文献．
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