【YTUYMU】 学习系列--2.4.5阻尼器

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2.4.5阻尼器

在传统的抗震结构中，依靠主体结构消耗输入的地震能量，当能量输入较低时，各构件用弹性变形储能；当能量继续增加时，不得不允许某些构件率先破坏，如剪力墙结构是连梁先破坏，框架结构是梁端先破坏，框架—填充墙是填充墙先破坏。结构构件耗能越多，则其破坏越严重。在结构中某些位置设置阻尼器，在主体结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态，充分发挥耗能作用，耗散大量输入结构体系的地震能量，则结构本身需消耗的能量很少，这意味着结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，延缓或者减轻损伤或破坏程度。

根据阻尼器耗能的依赖性可分为速度相关型（如粘弹性阻尼器和粘滞阻尼器）和位移相关型（如摩擦阻尼器、钢弹塑性阻尼器和铅挤压阻尼器）等。工程实用的阻尼器应当物理参数明确，滞回曲线简单、形状饱满、易于解析表达，耗能能力强，便于检修、更换。

1）速度型阻尼器

（1）粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。典型的粘弹性阻尼器如图2.4-22（a）所示，它是由两个T形约束钢板夹一块矩形钢板所组成，T形约束钢板与中间钢板之间夹有一层粘弹性材料，在反复轴向力作用下，T形约束钢板与中间钢板产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切滞回变形，以吸收和耗散能量。

图2.4-22（b）为粘弹性阻尼器的典型滞回曲线（恢复力-变形曲线），可以看出，其滞回环呈椭圆形，具有很好的耗能性能，它能同时提供刚度和阻尼。由于粘弹性材料的性能受温度、频率和应变幅值的影响，所以粘弹性阻尼器的性能受温度、频率和应变幅值的影响，有关研究结果表明，其耗能能力随着温度的增加而降低；随着频率的增加而增加，但在高频下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。当应变幅值小于50％时，应变的影响不大，但在大应变的激励下，随着循环次数的增加，耗能能力逐渐退化至某一平衡值。粘弹性阻尼器的恢复力与变形和速度的关系一般可以表示为：

式中
和
——阻尼器的刚度和阻尼器系数；


和
——阻尼器的相对位移和相对速度。

（2）粘滞流体阻尼器

粘滞阻尼器主要有筒式粘滞阻尼器、粘滞阻尼墙系统等。筒式粘滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘滞流体组成。活塞上开有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流体的缸内作往复运动。当活塞与筒体间产生相对运动时，流体从活塞的小孔内通过，对两者的相对运动产生阻尼，从而耗散能量。图2.4-23(a)为典型的筒式粘滞阻尼器，图2.4-23 (b)为粘滞阻尼器的恢复力特性，形状近似为椭圆。粘滞阻尼器产生的阻尼力一般与速度和温度有关。粘滞阻尼墙系统由日本学者M.Miyazaki等最先提出，并于20世纪80年代在日本得到应用。如图2.4-24所示，粘滞阻尼墙由钢箱体、内钢板和粘滞液体构成。钢箱固定于下层楼面梁顶部，内钢板固定在上层楼板梁底部，箱内灌入粘滞阻尼液体。楼层发生相对位移时，内钢板在粘滞液体中滑动，消耗能量，减小楼层的地震反应。

粘滞流体阻尼器的恢复力与速度的关系如图2.4-25，一般可以表示为：

式中
—粘滞阻尼器相对速度；C0粘滞阻尼器的阻尼系数，可由阻尼器的产品型号给定或由试验确定。


为速度指数，原则上可取0.3~1.0。为得到特定数值的输出力Fd，若指数α越小，在一定的速度下，
就越小，那么相应阻尼值 C0就越大，阻尼器效率就越高，阻尼器耗能也就越大。但考虑到过小的指数α会带来实际困难，常用0.3-0.5 作为经验设计参数。

2）位移型阻尼器

（1）摩擦阻尼器

摩擦阻尼器因其耗能能力强，构造简单，取材容易，造价低廉，具有良好的应用前景。它的耗能机理是在主要结构构件屈服前的预定荷载下产生滑移或变形，依靠摩擦或阻尼耗散地震能量。目前已有多种不同构造的摩擦阻尼器，如Pall型摩擦阻尼器、摩擦筒制震器、限位摩擦阻尼器、摩擦滑动螺栓节点及摩擦剪切铰阻尼器等。图2.4-25（a）、（b）为Pall等设计的摩擦耗能装置，它是可滑动而改变形状的机构。机构带有摩擦制动板，机构的滑移受板间摩擦力控制，而摩擦力取决于板间的挤压力，可以通过松紧节点板的高强螺栓来调节。该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动设计，而在强震作用下，其主要构件尚未发生屈服，装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能量，并改变结构自振频率，从而使结构在强震中改变动力特性，达到减震目的。

摩擦阻尼器滞回环呈矩形，耗能能力强，工作性能稳定。图2.4-26（c）为典型的滞回曲线。摩擦阻尼器一般安装在斜撑上形成摩擦耗能支撑。                     （a）            （b） （2）金属阻尼器

金属阻尼器对金属的共同要求是屈服后性能要稳定。有软钢阻尼器、铅阻尼器、铝阻尼器、合金阻尼器等，除记忆合金外，其他均无复位能力，会产生残余变形。

（2.1）软钢阻尼器

软钢具有较好的屈服后性能，利用其进入弹塑性范围后的良好滞回特性，目前已研究开发了多种耗能装置，如加劲阻尼装置（ADAS）、锥形钢阻尼器、圆环（或方框）钢阻尼器、双环钢阻尼器、加劲圆环阻尼器等。这类阻尼器具有滞回性能稳定，耗能能力大，长期可靠并不受环境与温度影响的特点。

加劲阻尼装置（ADAS）是由数块互相平行的X形或三角形钢板通过定位件组装而成的耗能减震装置，如图2.4-27所示。它一般安装在人字形支撑顶部和框架梁之间，在地震作用下，框架层间相对变形引起装置顶部相对于底部的水平位移，使钢板产生弯曲屈服，利用弹塑性滞回变形耗散地震能量。双环钢环阻尼器由两个简单的耗能圆环构成，这种阻尼器既保留了圆环钢阻尼器变形大、构造简单、制作方便的特点，又提高了初始的承载能力和刚度，使其耗能能力大为改善。试验研究表明，这种阻尼器的滞回环为典型的纺锤形，形状饱满，具有稳定的滞变回路。

加劲圆环阻尼器由耗能圆环和加劲弧板构成，即在圆环阻尼器中附加弧形钢板以提高圆环钢阻尼器的刚度和阻尼，改善圆环钢阻尼器承载能力和初始刚度较低的缺点。试验研究表明，加劲圆环阻尼器工作性能稳定，适应性好，变形能力强，耗能能力可随变形的增大而提高，而且具有多道减震防线和多重耗能特性。

图2.4-28（a）为软钢阻尼器试验典型滞回曲线，在工程设计时常简化为图2.4-28（b）。（2.2）铅阻尼器

铅是一种结晶金属，具有密度大、熔点低、塑性好、强度低等特点。发生塑性变形时晶格被拉长或错动，一部分能量将转换成热量，另一部分能量为促使再结晶而消耗，使铅的组织和性能回复至变形前的状态。铅的动态回复与再结晶过程在常温下进行，耗时短且无疲劳现象，因此具有稳定的耗能能力。

铅挤压阻尼器首先是新西兰W.H.Robinson根据铅受挤压产生塑性变形消耗能量的原理制成, 有两种基本形式, 即收缩管型和凸轴型，如图2.4-29（a）、（b）。收缩管型铅阻尼器由厚壁钢管、带两活塞的中心轴及高纯度铅组成。当外壁钢管和中心轴产生相对运动时, 铅被挤压通过收缩段, 发生塑性变形, 从而耗散能量。凸轴型铅阻尼器的中心轴上有一个凸起, 同收缩型阻尼器的原理类似, 当外壁钢管和中心轴发生相对运动时, 铅被挤压通过凸起段, 从而使铅发生塑性变形而耗能。研究结果表明, 铅挤压阻尼器的滞回曲线饱满, 耗能效率高且阻尼性能与加载频率无关, 工作性能稳定。

铅挤压阻尼器的优点可以总结如下：①挤压力和耗能能力基本上与速度无关, 具有“库仑摩擦”的特点；②不受工作硬化或疲劳的影响, 具有稳定的耐久性, 震后也无需更换；③ 不会因过载而损坏；④构造简单, 无需维护。

铅阻尼器滞回曲线基本呈矩形，如图2.4-29（c）。速度型阻尼器在较小的变形状态下即开始耗能，而位移型阻尼器则需要较大的相对位移才能开始耗能：如金属阻尼器在位移较大时发生屈服变形耗能，而摩擦阻尼器要克服静摩擦力之后才开始摩擦耗能。通常将位移型阻尼器安装在主体结构相对位移较大处，耗能效果较好。

3）阻尼器选择和布置

耗能减震结构体系的抗震计算分析，宜采用静力非线性分析或非线性时程分析方法。耗能减震结构的总刚度应为结构刚度和耗能部件有效刚度的总和；耗能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和耗能部件附加给结构的有效阻尼比的总和；耗能部件有效刚度和有效阻尼比，应通过试验确定。

（1）阻尼减震结构设计流程：（2）阻尼器布置

粘滞阻尼器既可减少结构受力又能减少结构位移，实际工程应用较多，图2.4-30为某K型耗能支撑中的粘滞阻尼器安装实景。工程中应选择合理位置，便于安装、调换。

阻尼器安装在建筑的不同位置，可以达到不同设计目的。随着阻尼器在结构抗震、抗风等工程项目上应用的发展，很多结构上采用了不同安装方式、组成不同类型的安置模型。

阻尼器的放置方式对结构阻尼比的影响较大。以单层框架结构为例，如表2.4-2中简图所示，u为结构层间位移，uD为阻尼器两端的相对位移，f为位移放大系数，

阻尼器恢复力
；那么阻尼器提供的水平力
。

式中，
为楼层层间速度。那么，阻尼器对结构提供的附加阻尼比为：

这表明，阻尼比与位移放大系数的平方成正比，当f1时，ξ迅速增加；因此设置阻尼器应寻求合理方式，才能取得较大的效率。表2.4-2给出了三种支撑形式和位移放大系数。

表2.4-2阻尼器的位置与效能的关系

名称

简图

位移放大系数f

对角支撑





人字支撑







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