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BLUE LAKE INTERNATIONAL, INC.

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蓝湖国际公司

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公司组织 灯光控制 工程结构减震 创新中国

结构保护系统—泰勒公司液体粘滞阻尼器

在建筑工程上的应用

  

    

陈永祁 地震工程博士

中国总代理 Blue Lake International, Inc.

一、 结构保护系统Taylor公司液体粘滞阻尼器在建筑上的应用问题解答

1. 结构的保护系统

在地震工程领域内,始终存在着难以解决的问题:随着科学和计算机的发展,使计算分析越来越精确,但是,地震荷载非常复杂而又粗糙;地震所带来的破坏可能非常大,但发生的概率又非常之低;长期以来,工程师们往往是加大梁、柱、剪力墙用来被动抵抗,而采用更主动的办法减小结构所受地震力上不足。

到了二十世纪末期, 这种现象有了很大的改变。吸收和采用其他航空和机械领域的成果, 人们在传统结构构件之外,另加的装置:如基础隔震(Base Isolation),利用各种阻尼器(Damper) 吸能、耗能系统, 高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统(TMD)和主动控制( Active Control)减震体系都是已经走向了工程实际。它们往往是一些机械系统装置,我们称之为结构的保护系统。对于我们的结构工程师,它是一种新的思路。标志着我们已经跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动能力的观念,结合结构的动力性能,巧妙的避免或减少了地震、风力的破坏;对于预想不到地震,对于还不十分清楚的多维振动破坏,它有很好的预防和承受能力;它容易更换,最容易体现小震不坏,大震不倒的抗震原则。

结构保护系统的发展非常迅速,超出了我们的想象。作为二十世纪末期世界地震工程上最振奋人心的成果----结构的保护系统,在世界上先进国家已经快速发展了30多年。已经有了非常成熟的成果,这种新技术的使用不仅是开辟了我们结构工程师的一个新天地,也确实解决了我们很多传统结构解决不了的问题。我国台湾起步比我们晚,但现在已经有十几个重要建筑,桥梁安置或正在安置了泰勒公司和日本的阻尼器。美国和日本是应用最多发展最快的国家。美国的主要地震地区加州,不考虑应用阻尼器,业主不会同意,主管部门不批准。

阻尼器一经使用,就显示出巨大的作用。最初几年,还没有相应的设计规范和精确的计算方法, 它只是成为一种附加的保护措施在工程中应用。随着计算方法、规范和各种试验、检验技术的完善,实际地震中的观察和测试,它已经完全被人们接受。 阻尼器的使用已经从锦上添花的第二防线(大震时发生)发展到结构构件的一部分,替代传统的结构构件,参加结构分析。使用阻尼器还会大大减少结构造价。现在,我们可以肯定地说,“结构的保护系统”是二十世纪人们对结构的抗振动能力的提高上最显著的成果[11]

当然, 主要用来抗震的结构保护系统, 对于大风、海浪、车辆等机械振动也同样重要,也同样得到了广泛的考虑和应用。总结一下结构的保护系统,有以下几种(表1):

表1 结构的保护系统

基础隔震

被动耗散能量

半主动和主动控制

智能材料

弹性基础隔震

金属阻尼器

主动支撑系统

 

铅芯橡胶垫

摩擦阻尼器

主动质量阻尼器

 

滑动摩擦隔震

粘弹性阻尼器

变刚度变阻尼系统

 
 

粘滞液体阻尼器

   
 

谐振配重阻尼器TMD

   
 

液体谐振配重阻尼器TMD

   

2.什么是结构用的阻尼器? 什么是液压粘滞阻尼器?

上面谈到的结构保护系统中争议最少,有益无害的系统要属利用阻尼器来吸收难予预料的地震能量。利用阻尼来吸能减震不是什么新技术,在航天航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器来减振消能。从二十世纪七十年代后,人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等工程中,其发展十分迅速。

简单地说,使自由振动衰减的各种摩擦力和其他阻碍力,我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力,耗减运动能量的装置,我们称为阻尼器。

我们早已经熟习汽车、 大炮、电梯间上面使用的减振器。如果把它进行数学模型化,应用到我们结构工程上, 我们传统的结构动力方程可以写成[1][2][14]

运动方程: Mÿ + Cý + Ky + D = - Mÿg

式中的D 项, 就是阻尼器带来的 (先按线形列出)。只要处理正确, 它总是会使运动减小。如果我们写出能量方程的形式:

能量方程: EK + E D + E S + E P = EI

结构增加了一个耗能因素 E P

结构增加阻尼以后, 结构的动力反应谱会有很大的降低。从下列标准动力阻尼反应可以清楚的看出(图1):

图1 单自由度体系不同阻尼比下的动力反映

分解成不同振型的单自由度体系的反应随阻尼器的增大而减少, 其多自由度结构相应阻尼比也就响应增加,反应降低。一般地说, 我们很容易通过阻尼器,使多自由度体系的整体阻尼比增加15%-30%[11]。

可以看出, 我们所熟习的减振装置,如果能把它精确化、准确化,就可以成为我们工程中可以应用的减振器,可以称为阻尼器或吸能器。

到二十世纪末,人们设计制造出了各种方式的阻尼器。已经成功实用的阻尼器主要的有以下三种[1][2]:

  1. 磨擦阻尼利用金属(或非金属)之间的磨擦产生阻尼。加拿大Pall Dynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的构造简单, 造价低。缺点是承受力较小,温度的稳定性差。

  2. 粘弹性阻尼利用一些粘弹性材料产生的阻尼。美国3M公司的粘弹性阻尼在日本有了很大的应用。但它有个初始刚度,也有温度的稳定性的问题。

  3. 液压粘滞阻尼利用液体在运动中的粘滞特性产生阻尼。这种阻尼器在军事和宇航上已经成功的应用了几十年,精确性好,稳定性高,缺点是价格较高

他们的滞回曲线分别如下(图2):

液压粘滞阻尼        摩擦阻尼          粘弹性阻尼

图2 不同阻尼下的滞回曲线

已经得到结构界广泛共识的是:这种液压粘滞阻尼器最适于我们结构工程应用,主要一点是,在静止情况下,它没有起始刚度,不会影响到结构的其它计算(如周期,振型等)。也就不会产生预想不到的副作用。这种阻尼器既可以降低地震反应中的结构受力也可以降低反应位移。这种阻尼器在其它领域上已有几十年的应用历史,成熟的经验、稳定的结果,都给在建筑结构上应用迅速成功带来了很大帮助。

和摩擦阻尼器相比,价格较高是需要改进的地方,泰勒公司已经采取了一系列的措施使其价格在国外同类产品中处于最低价位。进一步的降低造价办法也在努力之中

3.结构上使用的阻尼器的特点

阻尼器可以看成减振器, 但它和普通汽车、电梯间、大炮绝然不同。对我们结构工程师说来,最重要、最关心、也一定要考虑的是以下几方面:

  • 精确性 要求阻尼器不仅能在定性上“减振”,还要求能精确的计算出它的阻尼力。带来阻尼的大小。最初阻尼器的使用,是作为一种锦上添花的抗震措施,基本的结构分析可能并不考虑它。但是, 随着阻尼器的使用发展, 它已经进入抗震分析中。 也就是说, 用了阻尼器可以减少其他结构要求。 美国规范和工程界都已经接受。计算的精确性,就成了重大因素。
  • 可靠性,结构要在各种不同的环境下使用, 也就要求阻尼器一定要在各种环境下可靠,如:温度、天气下的可靠。
  • 耐久性,长期使用的的稳定, 包括疲劳,长期应用下的徐变等影响。

这些要求,就使得我们选择阻尼器产品,不能简单地看外形,看一、二次试验的结果。我们一定要从它的材料、设计制造、产品检验、模型和原型振动分析、工程应用、实际地震的考验、规范和工程界接受等诸方面评价。特别要强调的是如果没有真正深入了解技术的专家组的鉴定, 没有长时间应用的检验就使用的阻尼器可能会带来很多意想不到的有害的副作用。

4.泰勒公司的液压粘滞阻尼器

位于美国纽约州布法罗城的泰勒公司是世界上少有的专业生产阻尼器的工厂[11]。从一九五五年建立以来,他们就领导了美国吸能减振这个领域的先进技术。为航天飞机飞船(如,阿波罗号登月飞船)、导弹、大炮、枪弹等军工产品设计并生产了减振装置。泰勒公司在世界上也首次成功地把其先进的液压沾滞阻尼器运用到工程中,在美国及加拿大、英国、日本、台湾和南美等地均有成功工程。截止到现在,泰勒公司已经在世界各地完成了480多个结构工程。其中有120多座桥梁,9个体育场馆建筑。

如果说二十世纪90年代还是阻尼器百花齐放的阶段,世界上各种阻尼器层出不穷。 经过这近十年工程界的对比、分析和选择,这480多个工程的业主和设计院,也就是说,占90%以上的阻尼器应用工程的负责人,都选中了泰勒公司的产品。很多不适用的产品已经被淘汰。这不是偶然的,是从大量的材料分析、设计制造原理、产品检验办法、模型和原型振动分析结果、工程应用和实际地震大风的考验、美国规范的要求分不开的。

4.1 液压粘滞阻尼器的制造[11]

泰勒公司的液压粘滞阻尼器是几十年研究应用的总结。技术上有独特的地方。

图3 泰勒公司液压粘滞阻尼器

如图3所示泰勒公司液压体粘滞阻尼器看上去象个气缸活塞系统,但实际上, 考虑到它的使用功能和耐久性,他的要求比普通气缸要高的多,也复杂的多。我这里简单介绍以下它的几个主要主成部分:

缸体--阻尼器的缸体装满液体,承担着阻尼器工作压力和可能的超载压力(设计要求1.5倍的设计压力)。因此缸体要求用一个无缝的圆柱整体钢管组成,在承受1.5倍设计压力时,没有任何液体屈服、变形破坏、泄露等现象

活塞和活塞头--高度抛光的活塞杆是一个关键。为了不允许有任何变形、锈蚀,TAYLOR公司采用不锈钢活塞杆,有时采用络合金板相连。活塞杆的设计要求承受运动过程中的任何载荷,不允许变形。要求和活塞缸紧密结合的活塞头把阻尼器分成两个液腔,活塞头上的小孔和活塞与缸体的空隙使两个腔体中的液体,在一定的活塞压力下可以按设计要求来回流动。

液体--阻尼器中的液体要求不可燃,无毒,温度稳定并不随时间老化变质。TAYLOR公司采用液态硅油,非常稳定,燃点超过340℃,满足这一要求。

密封--内装液体受压并在长期载荷作用下不泄漏,密封好坏就成了关键所在。双重密封保险由TAYLOR公司拥有这一密封的专利可以保证使用30年不泄漏。

储备室--液体粘滞阻尼器的设计一般需要一个储备室。储备室可以和阻尼器用同一个金属缸体,用一个控制阀控制室内的液体的进出,也可以是一个分开的金属缸。他的目的是用来控制和补充液压油的多少。TAYLOR公司现在设计的产品采用的是高度平衡的活塞杆,不需要储备室。减少了这种储备室,就减少了一个装置带来破坏和不稳定的因素。

以上工艺看起来简单,但要满足所有设计的要求,并作到30年以上在各种气候条件下稳定参数,就不是简单的工艺了。

2 泰勒公司液体粘滞阻尼器的材料要求

零件PART

材料MATERIAL

要求特点SPECIFICATION

活塞杆Piston Rod

15-5PH Stainless Steel, Wrought Bar,160 ksi Minimum Yield Stress

MIL-HDBK-5 and AMS 5659

外筒Cylinder

AISI 4340 Tubing,

120 ksi Minimum Yield Stress

MIL-HDBK-5

活塞头Piston Head

Bearing Bronze, Bar Stock, 50 ksi Minimum Yield Stress

AMS 4640

密封件Seal Retainer

AISI 4340 Wrought Bar, 120 ksi Minimum Yield Stress

MIL-HDBK-5

精选的材料(表2);优质的设计;高超的工艺;严密的密封是我们谈到泰勒公司液体粘滞阻尼器优点的基础。

4.2 泰勒公司的液压粘滞阻尼器在结构上的应用测试[6][7][9]

八十年代中期,随着美国国家地震研究中心(National Center For Earthquake Engineering Research (NCEER))在纽约州立大学布法罗分校的建立,泰勒公司就开始和美国国家地震研究中心的研究人员一起研究,将用于军事上的减振阻尼器转用在土木工程中。在美国科学基金的支持下,他们作了大量的试验研究,振动台上检验。大量的研究报告都证明了,这些用于其它机械系统上阻尼器用在结构中,只要稍加改进就能十分成功(图 4[1][2][6][7]

4 Taylor公司50,000磅(22.7吨)液压阻尼器

4.3 泰勒公司阻尼器的优点

泰勒公司阻尼器可以在很宽的应用范围内选用:

  • 所承受的阻尼力可以从5公斤-----1000吨
  • 可以将结构临界阻尼比由3%提高到50%, 
  • 可以任意设计阻尼值(C)和阻尼力与速度的非线性指数α,

作到这一点,需要大量的技术资料和经验参数,泰勒公司有几十年积累的技术经验

  • 可以在(- 40℃-----71.1℃)温差内应用,性能保持不变
  • 40多年的运用历史中没有漏油,没有破坏,平时免维护
  • 容易安装,免现场调试阻尼器
  • 它很容易和其它结构保护系统联合使用,如:隔震,质量阻尼器,主动保护系统

4.4 泰勒公司阻尼器的出厂检验[8][10]

具有50多年成功经验的Taylor公司阻尼器有严格的试验检验程序,对于公司所有出厂的产品,都要经过严格的调试和出厂测试. 一定要满足所有的设计要求。

  1. 外形测试:检查阻尼器外形几何尺寸。看是否和设计要求一致。是否满足设计允许公差。检查阻尼器有无漏油, 油漆剥落,外壳损坏
  2. 超载耐压测试:确保阻尼器在最大压力下,甚至超过最大压力,达到设计压力的1.5倍时不能漏油。每一个阻尼器都必须经过这一检验。
  3. 动力测试:所有工厂生产的阻尼器,都要在模拟动力的试验设备上检验, 要求按设计要求作一个完整的滞回过程,给出以下参数和曲线:
      1. 阻尼力、冲程和速度的时程曲线
      2. 冲程和阻尼力的滞回曲线
      3. 不同冲程下的阻尼力与理论曲线的对比(要求在±15%的误差范围内)
      4. 在受拉和受压情况下的最大阻尼力和冲程

以上出厂检测均用出厂的阻尼器原形,均满足了规范对阻尼器的测试要求。如有其他的项目测试要求,可以提出,泰勒公司都可以配合完成。

4.5 金门大桥工程的对比检验[9]

除此之外, Taylor公司的阻尼器还经过了美国科学基金会(NSF)组织的针对美国旧金山金门大桥工程的对比检验。评选小组经过分析,选择了世界上最好的四种阻尼器,Taylor公司液体粘滞阻尼器是其中的一个。简单介绍如下:

1995年,NSF组织了由T.Y. Lin公司,加州伯克利大学专家组成的小组对选中的四种粘滞阻尼器(德国、意大利、美国ENIDINETaylor公司)进行了严格的检测测试,内容包括:

1. 阻尼器力学滞回曲线检测:

    分别生产的阻尼器,要求符合公式 F=75 kip sec1/2/in1/2 V ½

    这里,F 为阻尼力; 75 为假定的阻尼器的阻尼值;V为阻尼器两端间的相对运动速度而α=1/2为速度的指数。 在不同的条件下要求误差在15%以内:采用前两圈的平均值作为对比的基准反应

2. 阻尼器的最大承受负荷

其中包括:最大受力,最大允许冲程,峰值速度,峰值加速度,持续时间,频率。

3. 耗能效率 :峰值功率,平均功率, 能量耗散效率¦

¦ = loop area/ (F max - F min)x (D max - D min ) x 100%

这里,loop area 阻尼力和位移滞回曲线面积

F max, F min最大和最小阻尼力

D max , D min -- 最大和最小位移

这里, 用简谐振动的前五圈记录结果进行检测。其能量耗散效率¦ 均要求等于或大于82.5%.

4. 耐温试验: 不同温度下曲线的测定, 旧金山是4-52, 要求阻尼器力学滞回曲线的变化在 15%以内

5. 频率检测:不同频率简谐振动输入时阻尼器的特性变化。频率变化从1-5 HZ时, 要求阻尼器力学滞回曲线的变化在 15%以内

6. 耐久及抗疲劳试验:考虑风荷载下的抗疲劳能力,测试阻尼器的密封系统在1800次往复运动中是否有漏油,阻尼器力学滞回曲线的变化是否在 15%以内。强调在长期高次数车辆交通荷载的运行中的抗磨损能力,防漏油能力

7. 耐腐蚀抗老化材料采用的不锈钢或不锈钢等同耐腐蚀的钢材在不同可能的环境下抗腐蚀,老化的能力。

8. 地震输入检测:将90秒持续时间,峰值20 in/sec; 峰值位移为6英寸的地震记录输入,安置了阻尼器的结构。观察试验结果是否符合公式要求。

这些要求,是和美国规范的要求完全符合的。试验结果证明了Taylor公司阻尼器是适用于重要工程的合格高质量产品。