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蓝湖国际公司

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液体粘滞阻尼器的测试与选用

本文大意: 作为二十世纪结构工程界最伟大的科技成果之一结构的保护系统,特别是各种耗能阻尼器,在近十几年来,发展非常迅速,超出了我们的想象。随着阻尼器制造技术的不断提高,各种试验、检验技术的完善,精确的计算方法、设计规范的发展,阻尼器已经从一种附加的保护措施,锦上添花的第二防线(大震发生时作用)发展成为结构构件的一部分,替代传统的结构抗震构件。数以百计的工程实例,特别是世界重大桥梁,建筑工程实例已经给我们工程领域的发展带来了质的飞跃。墨西哥和美国加州大量设置了阻尼器的建筑和桥梁结构经受了实际地震的检验,给人类能在地球上安全的生活带来了希望。然而, 面对多种多样的阻尼器我们应该怎样选取,阻尼器应该有些什么测试要求,结合美国的有关规范我们作一些介绍,并阐述我们的一些看法。

液体粘滞阻尼器质量要求的必要性

    大家知道,使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用,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。

    通过阻尼器,使单自由度或多自由度结构体系的整体阻尼比增加,耗减运动的能量,从而大大减少动力反应。这已经被结构分析和上百个工程实例所证明。

    在美国,已经得到结构界广泛共识的是:液压粘滞阻尼器最适于结构工程应用。它能给出精确的输出反应;特别是在静止情况下,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;它既可以减少动力反应的位移又可以减少受力,从而达到减少结构造价的目的。然而, 要想把它作为结构构件的一部分,替代传统的结构抗震构件, 就要对它的质量作严格的测试和检验。使其达到对阻尼器的以下要求:

    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,可能会因漏油、生锈等原因引起失效或部分失效。带来很多意想不到的有害的副作用

    美国一个原来生产减振器的公司为加州一个大桥安置的阻尼器,就发生了严重漏油,影响了使用,现在该大桥已经在美国重新投标、翻新改造。 我国几年前在一座跨长江桥竖杆上成功地使用了悬索减振器和TMD的技术,系统显著地减少了振动。但不幸的是仅相隔四年,阻尼器就因为漏油等原因失效,只能重新更换所有的阻尼器。在我国,作为使用阻尼器历史不长的国家,这样的事例已经发生了几起。由此可知,把好阻尼器质量的关是何等重要!遗憾的是有关的立法、制度还不健全。

    实际上,更困难的是要保证阻尼器在长期应用下所有的参数都能保持不变或只有在允许范围内的微小变化。阻尼器失效,原来的设置目的达不到,还可能会产生预想不到的坏作用。 如:

结构刚度的改变、周期改变、加大地震力,引起破坏;

不均匀破坏,引起扭转等附加力;

变形加大引起伸缩缝处磨损破坏;

支座阻尼器失效引起桥梁的破坏;

配合基础隔震的阻尼器一旦失效,地震时会引起建筑过大位移,甚至滑出支座.

    这就给阻尼器的制造和出厂质量检验提出了更高的要求。当然,也给我国质量监督、验收监理提出了更高的要求。

美国液体粘滞阻尼器在结构上应用的发展过程

    液体粘滞阻尼器在美国的发展过程,可以说就是一个质量保证的发展过程:

  • 计算模型试算:为了推广阻尼器的应用,首先是要把阻尼器模型放到结构计算模型中去试算,作为第一阶段这一点很容易在计算机上实现。
  • 工程应用模型实验研究:美国国家地震研究中心,加州大学伯克利分校地震研究中心和其他大学做了大量将阻尼器放到工程中应用的模型实验研究。这些实验证明了阻尼器在工程中实用的可能性。[1][2]
  • 两次大型联合测试:在实验室试验的基础上,美国国家科学基金会和美国土木工程协会等单位,分别组织了两次大型联合测试。分别是由美国科学基金会(NSF)组织的阻尼器在美国旧金山金门大桥工程的对比检验和美国高速公路创新技术评估中心组织的10个公司的11种产品的大型集中对比试验(HITEC)[8][9] 。这两次重要的测试指出了阻尼器应该经受的测试和检验的内容, 也为规范、规程的测试要求奠定了基础。经过这两次大型测试, 人们也对这种阻尼器的大量使用建立了信心。
  • 测试规程、设计规范的制定:美国AASHTO Section 32"[10]阻尼器测试要求的规程(几乎是世界上唯一的),明确地给出了锁定装置使用前和出厂的检验办法。虽然在其中说的是锁定装置,但基本测试要求显然也适用于耗能阻尼器。其他ATCFEMA 等设计规范对液体粘滞阻尼器应用的前提,都是要满足AASHTO的要求。
  • 在线健康监测:阻尼器的质量,特别是耐久性,是至关重要的。特别是在结构上起重大作用的阻尼器。人们希望进一步了解它的可靠性。 无论从实用和研究的角度,做使用中的在线健康监测都是很有意义的。美国西雅图在SAFECO棒球场的阻尼器所做的这一长期工作对我们深入认识阻尼器在结构中的作用,十分有意义。[18]
  • 从抽样检查到全面测试:在美国,规范和工程实际需要都给阻尼器提出了更高、更严格的出厂检验要求。为此,对于动力分析,改变了过去抽样检查的要求,对公司出厂的每一个产品,都要经过严格的调试和动力测试、 给出滞回和时程曲线,建立每个阻尼器的档案。满足所有的设计要求。

    有了以上测试和产品质量检验的发展,才使工程师们在实际工程中大量地使用这种液体粘滞阻尼器,上百个实际工程更为阻尼器使用的发展带来了质的改变。

以上介绍的液体粘滞阻尼器在结构工程领域里发展的整个历史过程可以用[流程1] 来描速。

流程1 阻尼器的发展过程

液体粘滞阻尼器应有的测试内容

对一种产品使用前的预先检测

按照美国设计规程AASHTO Section 32" 的要求, 结合美国旧金山金门大桥工程的对比检验和美国高速公路创新技术评估中心组织的大型集中对比试验(HITEC),我们认为,下列十个产品的足尺原形预先检测是十分必要的:

  1. 阻尼器力学滞回曲线检测:
  2. 阻尼器不是定性的构造措施, 它是参与计算的结构装置。它的结构反应应该是明确的,计算精确的。液体粘滞阻尼器的阻尼力是要求和运动的速度指数项成正比。要求符合公式

    F= C Vα

    这里,F 为阻尼力; C 为阻尼器的阻尼值;V为阻尼器两端间的相对运动速度而α为速度的指数(α=1 为线性关系)。我们可以采用前2-10圈的平均值作为对比的基准。 在所有下列4-8测试中,都以这个为基准,反应在不同的条件下的误差在15%以内。这是实现液体粘滞阻尼器精确性的基础。

  3. 阻尼器的最大承受负荷

保证阻尼器在设计条件,和规范要求1.5倍的安全系数下安全工作,就要对其最大受力,最大允许冲程,按设计要求测试。首先要做1.5倍的最大计算内部压力下持续3分钟,保证阻尼器没有漏油等损坏;其次,要在快速施加 1.5 倍的最大设计荷载并保持30秒以上;其三, 要检测峰值速度。阻尼器刚体的材料, 密封的好坏,决定了以上测定的结果。也就决定了阻尼器是否能在峰值,1.5倍超载下正常工作。

  3耗能效率

耗能阻尼器的好坏直接可以从阻尼器的峰值功率,平均功率, 能量耗散效率¦ 计算出来

¦ = 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

可以用简谐振动的前五圈记录结果进行检测。在美国,液体粘滞阻尼器的能量耗散效率¦ 均要求等于或大于82.5%.

阻尼器的累积耗能能力是用于风荷载时的一个重要指标。

4相同产品的一致性实验:

HITEC测试中, 要求作三个完全一样的产品测试, 这对产品的一致性是一个重要测试. HITEC 的测试结果可以看出,很多国外有名的公司都达不到满意的结果。

5. 耐温试验:

不同温度下曲线的测定决定了阻尼器是否可以在不同温度的环境下应用。阻尼器应该在40o-52o C 下都能应用, 要求阻尼器力学滞回曲线的变化在15%以内,这是液体粘滞阻尼器和其他阻尼器相比最大的优点。

6. 频率检测

为了保证阻尼器在不同频率的风荷载和地震荷载下都能发挥作用就要测试不同频率简谐振动输入时阻尼器的特性变化。一般可取频率变化从0.05-5 HZ时, 要求阻尼器力学滞回曲线的变化在 15%以内

7 力学性能的时变性实验

对于地震反应,前十个运动周期是最重要的。HITEC 特意作出了前十圈的阻尼力随循环圈数的变化曲线。保持在一定的误差范围内,是阻尼器质量的一项重要标志。

8. 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多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。HITEC要求作10,000次往复实验,而AASHTO更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,要求作100,000次以上的疲劳往复实验。

9. 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。如抗盐性实验

10 慢速运动下的力学性能

在一般情况下, 我们要求液体粘滞阻尼器没有起始刚度,在慢速情况下阻尼力很小。这才能保证在温度等引起的变形时阻尼力很小。AASHTO 要求,在前3个循环里,按工程师指定的慢速运动不漏油,结构的运动不受影响,阻尼器或锁定装置最大受力不大于设计最大力的10%

这里,想特别强调三点:

  1. 在美国,这种产品的预先资格论证,并不是在自己的合作单位里完成的, 而是由组织测定单位指定的“第三方”试验室或工程单位客观作出的。 制造工厂是不允许参加的。旧金山金门大桥工程的对比检验, 是由美国科学基金会NSF组织,由T.Y. Lin公司,加州伯克利大学专家组成的小组独立作出实验并完成实验报告;HITEC的大规模对比试验,也是由一个客观的委员会集中管理。委员会由加州交通局地震工程桥梁高级工程师Mohsn Sultan 领导,主要由各州交通局有关专家组成。试验是在有30年测试经验的美国能源技术工程中心(Energy Technology Engineering Center(ETEC) 进行。这一第三者的试验就保证了试验结果的正确性。
  2. 按美国阻尼器使用规程AASHTO的要求, 所有产品在使用前,至少都要通过美国土木工程学会制定的HITEC 规定的所有测试, 意大利FIP 公司, 没有赶上最初的测试, 为了叫工程师们承认他们的产品,后来自己补作了相同的试验。我国国内生产的阻尼器要想与世界接轨,也应该做类似的试验。
  3. 阻尼器是个看起来容易生产实际上很难保证质量的产品。 特别是要满足我们上面提到的几点要求。认真严格的作好以上检测是十分必要的。

产品的出产检验

    美国AASHTO规程对每个产品的出厂检验都作了明确的要求和说明。美国泰勒公司把这些对锁定装置的要求,延伸到对所有阻尼器的验收要求,对所有出厂的阻尼器逐个作以下质量控制检验:

  • 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。
  • 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。
  • 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

经过以上的出厂测试和检验,实际上每个阻尼器都建立起一个小档案。便于使用过程的长期维护。

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

阻尼器的无损监测,实际工程验证

    阻尼器是否真正按设计的要求使用了。是我们工程界最关心的问题。美国泰勒公司配合美国西雅图SAFECO棒球场管理单位在该工程上安置了在线无损监测系统。1999年竣工以来一直在长期监测。特别是在美国地震高发区的西部海岸线上的西雅图,2002年还 承受了5级以上的地震。其结果都证明了安置的阻尼器都能按设计的要求安全的使用。

    有了以上测试的结果,就很容易判断阻尼器质量的好坏。也就提供了择优选用的依据。安置了泰勒阻尼器的结构经受过很多次加州地震的考验,更经受了去年墨西哥7级地震的考验,在周围的建筑有很多破坏时,安置了阻尼器的68层钢结构大厦,墨西哥市市长大楼建筑,安然不动。

    我国自己生产的阻尼器,还没有经受地震检验的报告。甚至很少经过风荷载的长期晃动。

    我国有关管理单位正在编制阻尼器的有关检验和验收规程。希望以上美国的阻尼器发展情况可以参考。

REFERENCES

[1] T.T. Soong, G.F. Dargush: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, John Weley & Sons.

[2] M.C. Constantinou, T.T. Soong, G.F. Dargus: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, Monograph Series, MCEER

[3] National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) 2000 Proposal 12-7 and Chapter 15, Structures with Damping Systems.

[4] Fderal Emergency Management Agent (FEMA) Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings." Reports FEMA 273, P 2-23, FEMA 274, FEMA 368

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[10] Section 32 Shock Transmission Units AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 2002 Interim Edition.

[11] Douglas P. Taylor, History, Design, and Applications of Fluid Dampers in Structural Engineering.

[12] Oscar. Ramirez, M.C. Constantinou etc " Development and Evaluation of Simplified Procedures for Analysis and Design of Buildings with Passive Energy Dissipation Systems. MCEER-00-0010, 2001.

[13] AA Seleemah and M.C. Constantinou: Investigation of Seismic Response of Buildings with linear and Nonlinear Fouid Viscous Dampers", National Center for Earthquake Engineering Research" NCEER-97-004, 1997.5.21.

[14] Panayiotis C. Roussis, M.C. Constantinou , Mustafa Erdik, Eser Durukai and Murat Dicleli, Assessment of Performance of Seismic Isolation System of Bolu Viaduct, Journal of Bridge Engineering, ASCE/Jul/Aug, 2003

[15] Douglas P. Taylor,, Fluid Lock-Up Devices- A Robust Means to Control Multiple Mass Structural Systems Subjected to Seismic or Wind Input.

[16] S. Infanti, M.G. Castellano et al., Non-linear Viscous Dampers:Testing and Recent Applications, Proceedings of ATC-17-2A, Seminar on response modification technologies for performance-based seismic design, Los Angeles, CA, May 30-31, 2002.

[17] 胡律贤 "地震工程学" P 284 地震出版社 1988

[18] 陈永祁: 结构保护系统--液体粘滞阻尼器在结构工程上的测试,设计和应用的发展

陈永祁 地震工程博士, 高级工程师

美国蓝湖国际公司总裁