粘滞阻尼器的研究与应用

李旋

摘要：粘滞阻尼器是根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型阻尼器。一般由油缸、活塞、活塞杆、衬套、介质、销头等部分组成，活塞可以在油缸内作往复运动，活塞上设有阻尼结构，油缸内装满流体阻尼介质。当外部激励（地震或风振）传递到结构中时，结构产生变形并带动阻尼器运动。在活塞两端形成压力差，介质从阻尼结构中通过，从而产生阻尼力并实现能量转变（机械能转化为热能），达到减小结构振动反应的目的。

关键词：阻尼器；耗能减震；动力分析

一、基本概念及构造特点

（1）基本概念

阻尼是结构振动衰减的根本原因，但由于实际结构中的阻尼复杂特性使得并不能精准定位阻尼，故在结构分析中一般认为结构阻尼为线性粘滞阻尼，也即是认为阻尼力与速度成正比，且假定结构中设置粘滞阻尼器后所附加给结构的阻尼与结构本身的阻尼基本一致。

粘滞阻尼器（墙）是根据流体运动，特别是当流体通过节流孔或在封闭空间中进行相对运动时与壁缸或壁筒产生相互作用，将流体运动产生的动能转化为热能，从而耗散地震输入的能量。这种因流体运动将动能转化为热能所产生粘滞阻尼的耗能装置，即被称之为粘滞阻尼器，又称之为速度型阻尼器，其阻尼力的大小与流体运动的速率密切相关，速度越大，阻尼力越大，速度为0时，阻尼力为0，是一种刚度无关、速度相关的阻尼器。

（1—1）

其中：

F——粘滞阻尼器的粘滞阻尼力；

C——阻尼系数，与壁缸或壁筒的具体尺寸、粘滞流体的粘度等因素密切相关。

粘滞阻尼器以其优异的抗风、抗震（振）能力和经济性，近年来在工程结构领域得到广泛应用。其应用领域包括：民用建筑（如住宅、办公楼、商场等多层高层及大跨建筑结构）、生命线工程（如医院、学校、城市功能建筑）、工业建筑（如厂房、塔架、设备减振）、桥梁（人行桥、高架路桥）、军工行业等。

（2）构造组成

粘滞阻尼器，是应用粘性介质和阻尼器结构部件的相互作用产生阻尼力的原理设计、制作的一种被动速度相关型阻尼器，一般由缸筒、活塞、阻尼孔、阻尼介质（粘滞流体）和导杆等部分组成。当工程结构因振动而发生变形时，安装在结构中的粘滞阻尼器的活塞和缸筒之间发生相对运动，由于活塞前后的压力差使粘滞流体从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，耗散外界输入结构的振动能量，达到减轻结构振动响应的目的。阻尼介质为硅油，该介质具有粘温系数小、极低和极高温度下（-50℃~+250℃）性能稳定、抗辐射性能好的优点，同时具有优良的电气绝缘性能和优良的抗臭氧、耐电晕、憎水防潮性能。

粘滞阻尼器的发展经历了三代的发展：第一代使用的是高粘度阻尼介质，因受温度影响较大阻尼特性不稳定、且易疲劳，故产品性能较差；第二代使用了低粘度阻尼介质和溢流阀，相对一代比较稳定，但溢流阀易受到破坏，该代产品基本上在国内发展及应用不多。第三代产品采用了低粘度阻尼介质，没有溢流阀且采用的是小孔射流技术，很好地克服了前两代产品的缺点，产品性能稳定，阻尼特性好。

（3）特点

粘滞阻尼器的特点主要有以下几点：

1）具有长久的发展历史，使用性及可行性好，耗能能力强；

2）应用领域范围广，可用于军事、机械、建筑结构的抗震及抗风；

3）维修方便、可更换（规范最低要求设计使用年限30年，本公司产品承诺保修50年，与主体结构同寿命）；

4）是速度相关型的消能器，不增加附加刚度，对原结构动力特性影响小；

5）构造连接简单、可靠、美观大方；

6）减小上部结构反应，不仅减小位移，还减小加速度；

7）从小位移到大位移各个阶段均能有效发挥作用。

8）阻尼器出力与结构位移反应有相位差，位移最小时，力最大，位移最大时，力最小。

二、适用范围及验收标准

（1）适用范围：

适用于各种民用建筑及工业建筑，包括新建工程和既有建筑的加固改建；尤其加固改建工程可以在原有建筑改动最小的的情况下满足改造要求，对于缩短工期和造价方面有明显的优势。

（2）验收标准：

检验批划分具体可参见《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）第5.6.1条文1款及《建筑消能阻尼器》（JGT209-2012）第8条文的相关规定。同时尚应符合出厂检验及型式检验的相关要求。粘滞阻尼器的性能参数应符合《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）5.6.3条文2款。

三、主要参数设置

（1）弹性阶段软件的参数设置

在设计软件PKPM和YJK中，定义粘滞阻尼器时基本上不用附加什么，只需要在分析参数中增加预设的附加阻尼比即可，然后进行计算。比如，混凝土框架结构，预设增加3%的附加阻尼，则只需将结构阻尼比由5%更改为8%即可。至于由于粘滞阻尼器产生的附加阻尼力对相邻结构构件的影响，是应当给予考虑的，但小震计算时软件中无法具体实现操作，需要单独将该附加力添加到相邻结构构件的内力中，然后再进行截面设计与配筋。《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）第6.4.2章节中对于消能子结构的截面抗震验算进行了明确的规定，按重要结构构件设计，且截面设计及截面验算时应当考虑消能器（粘滞阻尼器）在极限速度下的阻尼力作用影响。

（2）弹塑性分析时的软件模拟

在Sap2000，Etabs，和Midas中，可采用连接单元对粘滞阻尼器进行模拟。

Sap2000-DAMPER单元、Etabs-DAMPER单元、Midas-粘弹性消能器-maxwell模型，采用连接单元时，三个软件参数类似。因此仅以Sap2000为例进行参数说明，在所有软件中均采用Maxwell力学模型描述。

参考文献

[1]安装粘滞阻尼器结构的抗震设计方法研究[J].吴波，李惠，陶全兴，郭安薪.地震工程与工程振动.2000（01）

[2]粘滞阻尼器力学性能试验研究[J].翁大根，卢著辉，徐斌，周红卫，夏女燕.世界地震工程.2002（04）

[3]粘滞阻尼器消能减震结构的简化设计[J].邹银生，陈敏，冯承辉.湖南大学学报（自然科学版）.2005（06）