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从工程的眼光看结构保护系统的应用和发展
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摘要：在结构上广泛发展并迅速应用的结构保护系统至今已有二十多年了。本文从一个工程师的眼光和结构安全、工程应用发展的角度来看看隔震、阻尼耗能装置和其它振动控制，对其在国内外的诞生和发展过程作一盘点。首先，肯定被广泛采用的已经成熟的技术：基础隔震，液体黏滞阻尼器和金属防屈曲耗能支撑；其次对几种尚需发展的结构保护系统进行了分析，其中包括结构主动控制，半主动的磁流变阻尼器，固体黏弹性阻尼器，摩擦阻尼器，并分别针对性的提出了各自的问题和相应的建议；也讨论已有很多应用的金属阻尼器，质量谐调阻尼器的工程上的应用问题和前景。为了使其健康发展，还介绍国际上的先进的规范、有关对保证结构安全和质量的做法、法规、鉴定试验以至整个安全体系。试将规范和论文背后的一些分歧和存在的问题，提出来和大家讨论。最后，也从长远的观点，擅述我们对其未来发展方向上的一些看法。
关键词：基础隔震，液体黏滞阻尼器,防屈曲耗能支撑，主动控制，半主动的磁流变阻尼器，固体黏弹性阻尼器，摩擦阻尼器，金属阻尼器，质量谐调阻尼器
1. 前言
地震工程上近二十年来最伟大的发展应该属于基础隔震，消能减振和振动控制为内容的结构抗震保护系统。上世纪90年代美国T.T. Soong和M. C. Constantinou等教授对各种保护系统作了全面的论述 [1][2]。在我国，周锡元[3]、欧进萍、周福霖、周云等多位专家[4][5][6]做的综合评述和著作对我国这个领域上的发展起了重要的引路作用。
结构保护系统对我们结构工程抗震上的发展称之为“革命”一点也不过分。它完全甩开了我
们传统结构工程的理念和手段，转向外加设备，给破坏性大、发生概率小的工程抗震找到了一个好的解决办法；它使我们认识到以结构的破坏为代价的延性设计的不足和应该避免；它也使我们重新审核一下“强柱弱梁”，“大、中、小地震”设计理念的缺欠和可能的改变。还使我们对已经广泛应用的剪力墙抗震体系探讨一个更好的取代办法。国际上无论是理论还是工程实践的成熟发展也对我国结构保护系统领域的发展和应用起了很大推动作用。仅看液体粘滞阻尼器就在我国重要的桥梁和建筑上有了可观的应用[7][8]。基础隔震更是在我国几百个建筑上得到了实施[5]。当然，在我们看来，和国际上的发展过程一样，在我国的发展和应用中也存在很多问题需要讨论和解决。为了使结构保护系统能在国内健康发展，使我们的结构变得更安全、可靠，我想在这里结合介绍在美国这个领域内的发展的同时，提出我们的观点，以此和大家讨论。也算是抛砖引玉吧！
本文想从工程应用上讨论这些问题。当然，从美国开始发展的二十多年来，对结构保护系统，从来就不是同一个观点。无论试验报告、论文和规范，大家都不同程度上的从工程出发。但是在所有文字的背后都有一个“工程应用的行为准则”，它可以推出结构工程师认可的想法和产品，这个“应用准则”并不是完全取决于产品理论上的先进性，甚至不取决于土木工程中短时间的使用和减震效果，而更多的是取决于下述几点：
l 产品在各种环境下，计算的准确性。我们讨论的是要参与我们结构受力分析的定量装置，绝不是一个“能起作用就可以”的定性产品。它应该是和我们结构分析其它精度相匹配的精确“构件”。
l 产品应该是免维护，并且能重复使用。我们并不想、也完全可以做到所用的结构保护装置不是想在我们建筑上再加装一个像空调、电梯、暖气这样需要经常维护的产品，而是希望它能和其它结构构件一样，基本上是免维护的装置。在数次地震、大风和其它振动中能自动回位并重复使用。
l 产品在各种环境下可靠、稳定和耐久。在我们设计并建造要使用50－100年的结构所处的各种环境下，系统的主要性能和计算结果都要能保持基本一致。
l 产品的实用性，便于施工安装；容易理解，和我们工程结构中现有的结构构造接近。
l 经济性，产品在工程市场竞争中能胜出。
也许，有的人并不完全赞同这个标准，特别是有的教授喜欢对所有的产品全面、平等地作理论介绍，很少作实际应用结果的评述，更不愿去得罪人说明产品的问题，以及他们为什么会被淘汰。其结果是，没有时间和机会作深层研究的很多学生和初学的工程师在罗列成堆的结构保护系统中无从判断，甚至把国际上早已否认的理念和产品，作为“创新”和“发明”应用在实际工程中。本文想从另一个角度大胆地去讨论该问题，用上述几点衡量一下目前世界上存在的结构保护系统，判断它们的发展应用前途，希望对工程师们有帮助。看看我们要使用的产品是否能用？是否好用？是否经济？虽然，所谈到的结构保护系统，并不都是作者经过深入研究的课题，可也想使大家知道，在这些问题上，还有这样一些不同的观点存在。作为一个工程师，我们还有不同的考虑。
抗震技术最先进的两个国家——美国和日本，在结构保护系统上的发展和应用有很大的不同。我们在学用这些先进技术时应有自己的研究和判断。作者对美国、特别是日本的一些做法和想法也并不完全认同。但因对日本了解有限，在此主要介绍美国的有关情况和想法。
2. 结构保护系统的发展过程简述
上世纪八十年代末期，在美国、加拿大、日本等国，无论“被动保护系统”和“主动保护系统”以及后来诞生的“半主动保护系统”都有了很大的发展，开始有人把这一理论引入到我们土木工程界，经过了一个“百花齐放”的广泛发展阶段。在这个时期的最初几年内，有很多新的想法诞生，新的“装置”被试用。专业工程师喜欢用下框图来说明这一阶段的发展：
框图1 结构的保护系统
在结构保护系统的发展史上，考虑到大量地震工程的应用，这些“新”想法中一部分被从事实际工程的结构工程师们认为不适用或时机尚不成熟，很快被质疑。结构的主动和半主动抗震保护系统发展的困难就基于这个原因；有的产品只要经过简单的试验，当然也有的作过大量实际测试后，被结构工程师们认为有严重缺欠、不能满足工程要求而被列入待发展的行列，金属摩擦阻尼器，材料性黏弹性阻尼器等都属这类产品。他们不仅经历了大量试验，还在美国、日本、加拿大、新西兰等国做过几个甚至十几个工程后最终被否定；当然，也有很多的产品因各种问题，自知无前途，生产厂家将产品转型、兼并或已经破产。经过二十年的肯定和淘汰，在各种工程事故、抗震、抗风的检验，工程师们的反思，世界工程界已经用“应用”作为选票，用事实说明，在美国已经有了较一致的看法。本文将分别介绍这些常被提到的结构保护装置的成功和问题所在。
到了九十年代中期，工程师们希望对这些“百花齐放”的结果作一个鉴定，希望有人能正确地告诉他们“能否使用”和“是否好用”，当然最希望的是让试验和工程说话。美国由官方（NSA－美国国家科学基金会）或半官方（ASCE－美国土木工程学会）出面组织了两次非常重要，也非常经典的联合鉴定测试[10][11]。更有代表性的应该是美国土木工程协会（ASCE）组织的HITEC（美国高速公路创新技术评估中心）的联合测试。测试是在上述前期理论推导和振动台理念试验的基础之上进行的。工程师们选择了已经作了大量试验室，振动台研究试验，从概念上得到肯定的基础隔震和液体黏滞阻尼器两类产品进行预检测。世界上最先进的十一个生产厂家的产品被邀请参与了这一测试，其中8个为基础隔震产品，包括铅芯橡胶垫隔振垫、摩擦摆隔震垫，3个为液体黏滞阻尼器。测试由第三方组成的一个专门小组领导。当时，所有要想进入市场的产品都需要经过这一预检测。测试的结果是对产品的鉴定，也给了工程师们一个可以信赖的数据依据。
测试内容包括：
l 基本性能检验/时变性测试(Performance benchmark)
l 频率相关性测试(Frequency Dependent Characterization)
l 疲劳及磨损测试(Fatigue and Wear)
l 环境老化测试(Environment Aging)
l 极限温度下的动力测试(Performance at Temperature Extremes)
l 耐久性测试(Durability Test)
l 超载测试(Ultimate Performance)
再不了解情况的人也会想到，这些试验对这些新技术的推广和应用是个重要的鉴定。请注意，这些测试不是为了说明基础隔震和阻尼器在建筑结构中使用的效果，这一效果早已在这些试验之前的振动台模型测试中得到肯定，并在后来作为一个特殊单元被编制在SAP2000和ETABS等结构计算机程序之中。与此不同，美国土木学会规定的这些试验内容就是为了鉴定我们测试的这些装置本身，看它是否能在我们土木工程会遇到的各种环境下正确工作。是否能满足我们土木工程所要求的可靠性和稳定性。还有一点很有趣，这是个由官方或半官方组织的、所有生产厂家退出的专家鉴定小组。在试验报告中，只是客观写出试验的结果，并不作任何结论。就连在超载试验以前就已经早早破坏了的美国ENIDINE的阻尼器，他们也不去下什么结论。然而，对于细心的使用者说来，这些试验结果就已经完全说明问题了。
工程师们都十分肯定并相信这一测试内容，所有相关的美国规范规程包括FEMA（Federal Emergency Management Agency－联邦紧急管理局)[12]、ASHTO（桥梁设计规程）[13]、ASCE[14]都把通过这一测试作为其产品可以应用的前提条件。在这之后，任何想进入美国市场的相关产品如果没有做过HITEC测试的，也都希望按它的测试过程自己或请人测试一遍，实际上这已经成为了工程师们选用试金石。不是属于基础隔震和阻尼器 的其它产品，也完成可以按照上述测试内容，自己组织一套相应试验，这应该是起码的要求。
在这次试验完成、美国相应规范规程肯定以后，“结构的保护系统”才正式大张旗鼓地进入到实际工程领域。越来越多的世界上重要的建筑和桥梁工程，用上了世界上效果最好、最可靠、最耐久的结构保护产品。实际证明了，也将不断证明。只有确保质量，才能真正被广大工程师们真正接受，才可能为结构保护系统带来长期的发展和广泛的应用。
即便至此，结构保护系统的发展并不是已经结束。最近美国Constantinou教授[15]在美国科学基金会和美加州交通部等单位要求和资助下完成了“在日常运营及地震作用下结构抗震保护装置的性能表现”的研究总结，对这20多年来结构保护系统的发展作了系统地盘点和总结归纳。值得说明的是，他们的侧重和研究的目的不是理论的完整和先进性，而是工程中应用的相关问题。结构保护系统全部发展过程，我们可以用框图2概述。
框图2 结构保护系统发展过程
3. 在实践中最被肯定的三种产品
在上述发展之后，相对而言，美国地震工程师们，已经不再热衷于建立新的想法和新的装置，而更重视提高使用办法的可靠性和稳定性并扩大其应用范围。经过近十年的淘汰发展，在美国被工程界所认可的理念和先进的产品是：液体黏滞阻尼器所构成的耗能减振系统；结构基础隔振，特别是摩擦摆隔振系统；以及难得的首创于日本，并得到美国工程界认可的不屈服支撑（UBB 或 BRB）系统。
3.1. 液体黏滞阻尼器的耗能技术(Fluid Viscous Dampers, Energy Dissipation)[16]
一种看上去很像车辆减振器的活塞筒状装置。内设硅油，在活塞的往复运动中液体起黏滞作用，耗散地震能量，对结构起到减振控制作用。这种内置硅油的速度型阻尼器，性能相对可靠稳定，已经发展成从规范、设计规程到分析计算程序，产品检验完整的系统。它完全可以很好满足我们上述工程中应用的“应用准则”。其中，最使工程师们青昧的世界最好的美国泰勒公司的液体黏滞阻尼器，产品质量过硬、性能稳定，可以有35年的保质期并终身免维护。在短短的二十多年里，美国和世界各地已经有近四百多座桥梁和建筑结构上使用了这一产品。
我们也同时要指出的是：结构工程所要求的液体黏滞阻尼器是个技术要求很高的产品，在工作上， 它有以下几个要求和特点：
l 它应是个准确定量的产品，才能满足我们工程计算的需要
l 它是在可能的高速下工作。在地震作用下，有时高达每秒一至两米以上
l 在动力超高压下工作，其内压经常高达100兆帕以上
l 要能在各种环境下长期、可靠、稳定的工作，要求与结构同寿命
图1 美国旧金山海湾大桥上设大型阻尼器
实际上，在液体黏滞阻尼器的制造上，有两个大多数生产厂家难于解决的难题：
保证液体黏滞阻尼器在长期动力荷载下不漏油[17]；保证液体黏滞阻尼器满足设计参数的要求[18]。
正因为这两个难题，致使国际上的一些液体黏滞阻尼器厂家的产品在质量上频频发生问题[19]，使阻尼器的发展呈现两极。一端是国际上“知名”的阻尼器厂的“破产”（如英国Colebrand法国Jarret）或“停止生产”(美国Enidine)；另一端是世界最好的阻尼器生产厂在发展和应用上呈明显上升趋势。
当然，它毕竟是在我们传统的结构构件之外加装的一个“外来装置”。了解这个装置的真正作用、找到合适的安装空间、熟悉它的存在、确认它的经济效益、判断在使用上它是否稳定、耐久、可靠，都是我们建筑、桥梁结构工程师的考虑。
3.2. 基础隔震技术(Base isolation)[20]
用一个允许一定程度运动、可以耗散地震能量的隔震装置把地面运动和结构隔离开，可以很好地对结构起到隔离减振作应。最早发展起来，保持到至今不断完善的铅芯橡胶垫的技术得到了成功的应用。美国Dynamic Isolation Systems Inc已经在世界各地为近300座桥梁安装了橡胶各种支座。然而，我们仍想指出工程师们在使用时的顾虑和可能发生的问题：有机的橡胶装置在长期工作环境中的真正稳定、耐久性怎么样？日本不是证明了它在温度变化中的性能改变现象吗[19]？在日本所做的较高尺寸橡胶支座上发生折断试验也不能不引起我们的警惕。请看网站上，某橡胶支座在试验中破坏。
http://www.bluelakeint.com/chinese/kangzhen/qitai/shiyanguocheng.htm
逐步发展起来的金属摆动摩擦支座的技术显示了更快的发展。这种原创于美国地震保护系统Earthquake Protection System（EPS）公司的金属型摩擦摆隔震产品Friction Pendulum Bearing(FPB)。工程师们认为比铅芯橡胶垫可以在更广泛的环境下承受更大的垂直荷载和更大的允许水平位移，并能在更长的时间内可靠稳定的工作。看上去，它和传统的桥梁支座差不多，但抗震性能上确有着本质的不同。更容易受到工程师的欢迎。近几年已经有近50多个工程在美国和世界各地使用这一产品。
图2 美国Benicia-Martinez大桥上设置的世界最大隔震垫（40,000 lb, 13ft）
在隔震系统上配合使用液体黏滞阻尼器可以使结构起到隔震作用，又避免了过大的位移，是一个常被采用的设计方案。
目前我国已经大量采用橡胶隔震系统；北京万国城各楼间连廊上安置了我国首例美国FPB摩擦摆拉压支座；也在其它工程上安置了我国仿制的抗震FPB支座。存在的最大问题是，目前国内具有的垂直压力下能高速水平推进的动力试验设备性能尚有局限。也就是说，我国已经大量应用的隔震系统几乎都没有经过真正符合美国标准的动力测试。正因为测试验收的问题，致使我国南方正在进行的世界最大的基础隔震工程所采用的橡胶垫在安装后发现大量问题，而不得不返工更换。
土耳其高架高速公路上金属隔震支座，因设计和产品的双重问题，在1999年Duzce7.2级大地震中严重破坏的案例也应该引起我们基础隔震工程的警惕[19]。
当然, 考虑到倾倒危险等问题,各种隔震系统用在高层或超高层建筑上都受到应用局限，也必须解决链接地下管线的空间冲突问题。此外，它毕竟是对传统“牢固基础”的一个观念上的改变。真正全面接受它也要有个长期的适应和发展过程。
3.3. 防屈曲耗能支撑(Buckling Restrained Brace)
由日本Nippon公司研究出的金属防屈曲耗能支撑（UBB）（BRB），它也是在结构工程师早已习惯的结构支撑构件的基础上改进发明出来的产品。它在普通金属支撑上加上软钢芯和可靠的保护层，在强烈地震中软钢可以率先屈服，起到屈服耗能作用，软钢外设的保护装置将屈服约束在软钢上，对整个的系统和结构是个很好的保护。这种位移型阻尼器，是在美国本土之外发明而又得到了美国工程界认同的好产品。美国本土也有两家公司购买了Nippon公司的专利，开始并大量生产防屈曲耗能支撑（STAR SEISMIC, LLC和 CoreBrace ,LLC）
图3 正在安装中的UBB装置
当然，和我们下面将要介绍的其他位移型金属阻尼器在使用上同样有不足之处。我们将在下面讨论。作者的看法是：尽管这种装置有其不足，它不仅要改变结构原设计的周期，可能引起地震荷载的加大；给结构带来的长期往复抗震能力也有限。但它在我们传统建筑上的形式上的改变很少，应该最容易被结构工程师接受，也就应该有广泛的前景。
要重复一点的是，在美国、日本等抗震研究先进的国家，基本上没有人出来说“什么产品不好，什么产品不能用”，而是通过规范肯定好的产品。通过“不去”应用，淘汰不成熟的产品。给设计人员明确的指导，也给不成熟的产品留下发展改进的余地。作为我们后来启动的研究者，首先要了解他们为什么肯定以上三种产品，也更要了解为什么有的产品被淘汰或需要进一步的工作。当然，结构保护系统的其它的产品从来没有停止过发展，新的理念和产品层出不穷，笔者的看法是：要想真正发展并广泛应用某一产品，应该首先要看看过去做过的试验、工程教训。也更要看看大家公认的缺欠问题是否已经被解决。无论新的产品和重新启用的老产品，都应该作过类似上述HITEC试验的鉴定，并有满意的结果。
4. 尚需发展的几种产品
下面介绍作者在结构振动控制的学习和应用过程中对各种结构保护系统的一些体会和看法。
4.1. 结构的主动控制 (Active Control)
在结构上，用先进的探测和传感系统通过计算机系统捕捉地震或风振可能给结构带来的振动信息，将其传送到计算机内进行分析，计算出需要在一个预先设置的外加力（或外加阻尼、外加刚度，从而更改结构频率）装置上施加反效应荷载的数据，正确地启动这一装置，起到人为的主动控制结构反应。这种主动控制的想法并不陌生，工程师们早就在建筑室内温度控制中成熟地采用了这一理念和方法。这一系统用在短时间的航空等其它领域上也可能是一个好的建树，要想用于我们的结构工程，不要说用在发生概率很低的罕遇地震，就是用于结构抗风都是十分困难的。从目前的应用、管理和维护技术水平来看，都与我们传统的土木结构行业目前状况相差太远。很难做到几十年的可靠性和稳定性。无论地震和飓风的到来都可能使电源、线路等受到致命的威胁而终止控制工作。 仅想做到在灾害中保证一个可靠的电源和维护整个控制系统的稳定可靠就已经十分困难。主动控制的理论和装置虽然在日本有了一定的发展，已经用了几十个工程，也很难看到继续发展下去的前景。到目前为止，我国鲜见的电视塔主动控制或半主动工程都未见成功的结果。
4.2. 半主动控制的磁流变阻尼器 (Magneto-Rheological Damper)
磁流变阻尼器是一种半主动控制装置。它以智能材料（磁流变材料）为驱动材料的可调参数阻尼器，在磁场的作用下，流变液中的固体颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于磁场两极之间，这样，对于平行于电极的剪切力而言，流变液在磁场的作用下就会发生磁流变效应，即从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为具有一定屈服力的粘塑体从而达到比被动阻尼器更好的减振效果。
图4 磁流变阻尼器示意图
首先生产出这种产品的美国Lord公司最先在飞行员座椅、汽车悬挂减振系统上应用这一先进技术。毫无疑问，这是个好的科技发展研究题目。可要想在我们土木工程中所期望的长期、可靠、稳定的需要下大量应用，就是另一回事。国内已经有了好几个生产厂家开始生产这一产品并得到一些桥梁斜拉索上的应用。可是，它真适合我们结构工程中使用吗？实际上，这种装置存在三个值得考虑的问题：
（1）和主动控制一样，这种装置上使用的传感器、线路系统，电源等等，都需要日久天长的维护，这给日常性能的保持带来巨大困难；
（2）磁流变阻尼器内磁流粉的长期稳定和克服沉淀；
（3）和液体黏滞阻尼器一样存在缸体保持不漏油的问题。
有人说，就是半主动控制系统失效，也可以当被动阻尼器使用。其实，除了同样有的漏油问题以外，如果能看到控制系统的维护和稳定问题难以解决，效果又好得有限，那又何必不直接用被动阻尼器哪？最先生产出这种产品的美国 Lord 公司在我国洞庭湖大桥前，从来没有在世界桥梁工程中应用过。就是至今，他们也没有在美国和欧洲工程中有所应用。生产各种先进阻尼器的美国泰勒公司，最初曾试产过这种产品，在发现无法保证其可靠的应用以后，毅然放弃了这一产品的生产。 实际上，在我国，最初已经使用了磁流变阻尼器和控制系统的工程，仅仅几年就已经停止使用并拆除了。国内已经在一些十分重要的桥梁上，不仅在斜拉索上设计和使用了这种减振装置，还在著名的大桥上用来控制铁路机车带来的纵向振动。建筑上，也有在高塔抗风上采用了这种装置。不知是否经过产品性能上的严格检验。其长期甚至中期的可靠性也是令人担心。
4.3. 固体黏弹性阻尼器(Viscoelastic damper )(VE)[6]
图5 固体黏弹性阻尼器和恢复力曲线
在金属板之间放置上有粘滞性能的固体材料，就可以构成了这种随速度和位移两种因素变化的速度型阻尼器。阻尼力大小可以表示为：
在这种阻尼器最初发明以后，随着美国世贸中心双塔大楼等抗风工程应用的前后，也作了大量试验研究。其试验结果却不能令人满意。美国专家认为这种固体黏弹性阻尼器因为下列原因目前还不适于继续在结构工程中应用：
（1） 试验显示出它对环境温度和荷载频率有很高的依赖性，这在多次试验中都显示了有高达70%甚者几倍的变化率。
（2） 随着负载的大小，阻尼器参数的可观改变。
（3） 随时间变化性能改变，减震作用减退。既在长期工作中，耐疲劳性、稳定性很差。
在美国HITEC联合测试前对这种黏弹性阻尼器的研究结果使它并未被工程师们看好，它没有被选入测试的产品。随着大量应用的困难，这种产品的技术已经被美国工程师们放弃并转卖到日本。固体黏弹性阻尼器（VE）也就正式退出了美国工程师的选择范围。我们不太清楚在日本其性能是否得到实质性的提高和改进，但知道它有断断续续的应用。这可能是分歧最大的一种阻尼器。然而，其目前还有不可克服的缺点却是大家的共识。为了克服阻尼器随温度变化的缺点，在日本横滨对马岛的加固工程上甚至不能理解的加设了昂贵的恒温系统[6]。不过，最多日本也就任其自然发展，我国却把这种极不成熟的产品和液体黏滞阻尼器一起列成国家行业标准[27]。变相推广这种不成熟的产品，是作者不能赞同的另一个问题。
这里有一个例外，剪切型的固体黏弹性阻尼器在我国作为斜拉索外置阻尼器已经持续用了几年了[21]。目前，占据了我国很大的斜拉索减振阻尼器市场。尽管如此，遗憾地是，我们几乎没有见过完整的试验报告。即便其有减振效果也很有限，并同时具有受温度影响很大、长期使用作用衰减等缺点。但因为我国一些桥梁业主对斜拉索阻尼器的要求不高、国产的产品又价格便宜，形成了黏弹性阻尼器应用上的一支独秀。是否能继续发展下去，还有赖于它和其它类型的减振阻尼器的发展和进一步试验。
4.4. 摩擦阻尼器（Friction Damper）[6]
图6 Pall 摩擦阻尼器
最初由加拿大研究并得到一定应用的摩擦阻尼器，是基于库伦摩擦阻尼原理发明、生产的阻尼器。只要经过简单的试验研究就已经被美国大多数结构工程师所怀疑。在摩擦过程中因为阻尼力取决于金属间正压力大小，而正压力又受到温度、湿度变化、金属表明锈蚀的影响难以控制。这些因素都带来了摩擦系数和摩擦力可能的变化，使我们很难在计算分析中作为一个稳定的定量作用来考虑，再加上它所承受阻尼力太小的限制，使它从来没有得到多数美国工程师的广泛认可。对这种已经夭折的装置，要想在工程上重新启用，一定要十分小心。
4.5. ADAS、TDAS及铅阻尼器等金属阻尼器 (Metallic Dampers)
伴随结构保护系统的发展过程也有一些发展的多种位移型金属阻尼器，它利用金属构件上人为制造的薄弱环节在地震中率先屈服耗能，起到结构保护作用。环境和力学性能的稳定是他们的优点。
图7 金属阻尼器
虽然，从使用性能上，美国的工程师更喜欢初始刚度为零的液体黏滞阻尼器（FVD）和实际施工应用上简单方便、用受到保护的防屈曲耗能支撑（BRB，UBB）。特别是最近Constantinou教授[23]又证明了这种位移型阻尼器不能对结构上附属结构的反应减少起到很好的帮助作用。容易得到的结论是：它们起码是些使用效果上并不太好，安装也不方便的产品。然而，它有FVD和UBB难于战胜的优点--价格便宜。虽然在原有支撑上改进有限，却没有明显缺点和副作用。进一步的完善和发展也许会带来更多的应用。
4.6. 质量谐调阻尼器,（Tune Mass Damper， TMD）( Active Mass Damper ，AMD)
图8 不同TMD 系统
这是一种利用外加一个由质量、刚度和阻尼器组成的谐振系统来减少主体结构振动的巧妙办法。不容怀疑，结构谐振阻尼系统可以很好地减少主结构的振动。国内外在高层结构抗风、行人桥、铁路桥梁的横向振动、楼板减振上都得到一些成功的应用。加拿大Motioneering公司对世界上一些重要工程的TMD计算分析起了很大作用。然而，该系统是靠TMD和主体结构谐振起到减振作用，可以说是“以动制动”。从我们的计算分析和运用的经验来看，它有下列几个问题值得考虑：
（1）它是频率敏感性很高的系统。一些有摩擦的阻尼器、黏弹性阻尼器、带有非线性的橡胶支座都会引起TMD系统频率的变化，都不适于应用在TMD系统中。考虑到结构在日常运行中的屈服和荷载变化，引起结构周期的改变，如不及时调整，TMD也会改变效果，甚者失去作用。
（2）该系统的阻尼器要求很高。这种阻尼器是在常年运动中发挥作用，阻尼器很容易生热破坏。笔者特意示出三种不同的TMD工程实例图片，三种不同功率、不同大小和价格天壤之别的阻尼器。对于大质量、大功率的TMD系统，应该尽量采用无摩擦或小摩擦的金属密封阻尼器[22]。美国纽约王牌世界大厦（Trump world Tower）TMD系统的漏油检修就说明了它的问题和困难。
（3）TMD如果失去作用，结构无用质量的增加、反应的放大都会起到严重的副作用。
（4）考虑到地震荷载是个多频率的复合荷载，TMD甚至多频率MTMD都很难起到很好的减振作用。
（5）TMD系统的质量块对设计的运动方向和幅值都应该有严格的导向和限制， 放任的振动使其效果难于控制。
（6）至今，国内十分罕见TMD真实减振效果和可靠性的试验。
实际上，对于既可以用TMD又可以用阻尼器直接减振的结构（如高层抗风、铁路桥梁横向减振），我们计算的经验、价格分析和长期运行的维护管理来说，直接运用阻尼器减振要可靠得多。
日本在很多高层建筑上安装了主动控制的AMD系统，他们大多数是在TMD的基础上附加作动器，提高TMD的减振效果，当然，这种系统比起整个结构受力的主动控制要容易得多。但和上述主动控制一样，有价格昂贵和难于维护的困难。日本设计投资建设的上海金融环球大厦上运用了两套AMD减振系统。
图9 日本的AMD系统 图10上海金融环球AMD系统
笔者认为，目前国内很多结构设计都采用了TMD系统减振。尽管从理论上容易理解，计算简单。但这些TMD系统是否真需要？是否真起
到作用？它还有太多的产品和构造问题、阻尼器产品问题。特别是用在高层结构上抗风TMD系统、AMD的跟进者。草率的应用是十分危险的设计。
5. 确保工程质量的管理体系[14]
在美国关于结构保护系统设计规范中，考虑到对多数工程师它是个新的技术， 有明确要求完成下列程序：结构设计并配合提出测试报告；由有设计和安装经验的第三方专家进行全面的结构和产品的设计审查；严格的产品检测。他们并不要求都做小模型的振动台试验，而是一定要作产品的原型检验，并有明确的检测要求[24][25]。
目前，我国最需要的一个是有人出面管理这个领域；建立第三方专家的审查制度。
当然，目前在我国 建立起大型原型测试设备并学习和掌握严格地测试方法、手段和制度是另一个重要工作[26]。下表中列出了美国目前主要的几个设备表。
表1 美国大型动力测试设备列表
其中以圣地亚哥大学2003年改造后的设备最为突出。它已经成为世界大型结构保护系统，包括隔震支座和阻尼器的主要测试基地。我国要想使该领域的发展达到世界先进水平， 这是不可少的设备。
图 11 美国圣地亚哥大学三维测试设备
6. 最新研究发展
图12 MCEER基础隔震和阻尼器耗能结构试验
美国在结构保护系统的百花齐放的发展和汇总鉴定的HITEC联合测试以后，在结构保护系统上不断发展完善。做了以下几方面的深入研究：
1） 安置了结构保护系统的结构性能的改善确认
图12示出了美国地震研究中心（MCEER）所做的振动台上钢结构模型试验。请注意这都是1/3～1/5缩尺试验。结构保护系统对主体结构和对附属结构的影响、位移和速度型阻尼器的对比在这一试验中可以示出。
2） 设计规范的完善
看了参考文献中几本规范的不同，是可以看出结构保护系统在规范中所处位置、分析方法、简化计算和髙振型的影响、试验检测等各种问题上的发展。
3） 结构保护系统硬件和安置上的发展
随着工程上的不同应用，结构保护系统的硬件和应用方法上也在不断发展。美国泰勒公司又发明了多种新型专利阻尼器[28]。在我国苏通大桥上的新型带限位的超大阻尼器的开发和应用；为铁路桥梁设计的战胜火车车辆荷载和地震荷载双重作用的阻尼器；为TMD和行人桥上设计并已经使用的金属密封无摩擦阻尼器；为斜拉索设计的新型单出杆带油库阻尼器。放大阻尼器位移和提高阻尼器使用效率的套索式连接、剪刀型连接和跨层连接的办法都获得了越来越多的工程应用[16]。
在双层摩擦摆之后，美国EPS公司又创造出了三层摩擦摆系统，大大提高了摩擦摆的效率和应用范围[20]。橡胶支座扭曲问题、抗老化、温度稳定的性能改进研究。
4） 特种结构上的应用
海洋平台，水塔、储油罐、核电站等特种结构的结构保护中也遇到特殊的问题。这些工程实例的研究为特种结构的工程抗震开拓方向。
5） 实际工程震害的剖析分析
对在土耳其地震中遭到破坏的机场，高架桥梁进行详细分析。在加固过程中以高质量的摩擦摆隔震系统代替高架桥上遭到破坏原有的金属耗能隔震垫。秘鲁地震后的震害分析。
6） 不同结构工程的结构保护
对超高层结构、大跨空间结构，钢筋混凝土框架或剪力墙结构保护上的特点。最近美国PEER研究中心和Weidlinger, Taylor devices 等公司合作研究一个42层超高层钢筋混凝土结构设计中用阻尼器替代剪力墙的方案显示出了很好的效果和前景[29]。
7） 桥梁隔震支座长期可靠性的原型测试
美国MCEER最近开始了一个铅芯橡胶隔震支座在长期荷载作用下的耐久性研究测试（图13）。
图13 MCEER正在进行的橡胶隔震支座长期耐久测试
8） 日本今年完成的四种阻尼器： 粘滞型（FVD）、日本油型（Oil）、固体粘弹性（Viscoelastic）、金属防屈曲耗能（UBB）、金属摩擦（Friction）进行了振动台上大型原型对比测试[30]。
图14 日本在振动台上5种阻尼器原型测试
7. 结论和建议
重申一下，笔者并不排斥任何新老产品的研究发展。只是强调工程应用有着与研究不同的考虑、不同的标准和最终不同的结果。我们曾在不同地方提过以下几个建议，这里不妨再重复一下。
1） 有关领导尽快组织对使用了结构保护系统的土建工程进行排查。对已经安置了阻尼器和其它的保护系统的几百个工程作一次系统调查和审查，审核一下使用的阻尼器产品设计是否合格、产品是否经过质量检测而合格验收，工程是否满足抗震要求。
2） 有关领导尽快组织建一二次产品的联合质量测试，可以由已经决定使用或有意向提供产品的厂家按产品的技术要求生产出样品，组织由第三者负责的公开预检测。将通过测试作为中国市场的准入条件，只有符合设计规范要求的才能使用。
3） 对于本文认为目前还不适于推广使用的产品，特别是一些在国外测试中早已淘汰或问题很多的产品。如，金属摩擦阻尼器、磁流变阻尼器；对抗震中打算应用的固体黏弹性阻尼器；对不论计算、产品和效果上了解不深的TMD系统都应该尽快组织包括生产厂家在内的讨论，试验，在有了较一致的结论前谨慎使用。
参考文献
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https://blog.sciencenet.cn/blog-534208-408095.html
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关键词：基础隔震，液体黏滞阻尼器,防屈曲耗能支撑，主动控制，半主动的磁流变阻尼器，固体黏弹性阻尼器，摩擦阻尼器，金属阻尼器，质量谐调阻尼器
1. 前言
地震工程上近二十年来最伟大的发展应该属于基础隔震，消能减振和振动控制为内容的结构抗震保护系统。上世纪90年代美国T.T. Soong和M. C. Constantinou等教授对各种保护系统作了全面的论述 [1][2]。在我国，周锡元[3]、欧进萍、周福霖、周云等多位专家[4][5][6]做的综合评述和著作对我国这个领域上的发展起了重要的引路作用。
结构保护系统对我们结构工程抗震上的发展称之为“革命”一点也不过分。它完全甩开了我
们传统结构工程的理念和手段，转向外加设备，给破坏性大、发生概率小的工程抗震找到了一个好的解决办法；它使我们认识到以结构的破坏为代价的延性设计的不足和应该避免；它也使我们重新审核一下“强柱弱梁”，“大、中、小地震”设计理念的缺欠和可能的改变。还使我们对已经广泛应用的剪力墙抗震体系探讨一个更好的取代办法。国际上无论是理论还是工程实践的成熟发展也对我国结构保护系统领域的发展和应用起了很大推动作用。仅看液体粘滞阻尼器就在我国重要的桥梁和建筑上有了可观的应用[7][8]。基础隔震更是在我国几百个建筑上得到了实施[5]。当然，在我们看来，和国际上的发展过程一样，在我国的发展和应用中也存在很多问题需要讨论和解决。为了使结构保护系统能在国内健康发展，使我们的结构变得更安全、可靠，我想在这里结合介绍在美国这个领域内的发展的同时，提出我们的观点，以此和大家讨论。也算是抛砖引玉吧！
本文想从工程应用上讨论这些问题。当然，从美国开始发展的二十多年来，对结构保护系统，从来就不是同一个观点。无论试验报告、论文和规范，大家都不同程度上的从工程出发。但是在所有文字的背后都有一个“工程应用的行为准则”，它可以推出结构工程师认可的想法和产品，这个“应用准则”并不是完全取决于产品理论上的先进性，甚至不取决于土木工程中短时间的使用和减震效果，而更多的是取决于下述几点：
l 产品在各种环境下，计算的准确性。我们讨论的是要参与我们结构受力分析的定量装置，绝不是一个“能起作用就可以”的定性产品。它应该是和我们结构分析其它精度相匹配的精确“构件”。
l 产品应该是免维护，并且能重复使用。我们并不想、也完全可以做到所用的结构保护装置不是想在我们建筑上再加装一个像空调、电梯、暖气这样需要经常维护的产品，而是希望它能和其它结构构件一样，基本上是免维护的装置。在数次地震、大风和其它振动中能自动回位并重复使用。
l 产品在各种环境下可靠、稳定和耐久。在我们设计并建造要使用50－100年的结构所处的各种环境下，系统的主要性能和计算结果都要能保持基本一致。
l 产品的实用性，便于施工安装；容易理解，和我们工程结构中现有的结构构造接近。
l 经济性，产品在工程市场竞争中能胜出。
也许，有的人并不完全赞同这个标准，特别是有的教授喜欢对所有的产品全面、平等地作理论介绍，很少作实际应用结果的评述，更不愿去得罪人说明产品的问题，以及他们为什么会被淘汰。其结果是，没有时间和机会作深层研究的很多学生和初学的工程师在罗列成堆的结构保护系统中无从判断，甚至把国际上早已否认的理念和产品，作为“创新”和“发明”应用在实际工程中。本文想从另一个角度大胆地去讨论该问题，用上述几点衡量一下目前世界上存在的结构保护系统，判断它们的发展应用前途，希望对工程师们有帮助。看看我们要使用的产品是否能用？是否好用？是否经济？虽然，所谈到的结构保护系统，并不都是作者经过深入研究的课题，可也想使大家知道，在这些问题上，还有这样一些不同的观点存在。作为一个工程师，我们还有不同的考虑。
抗震技术最先进的两个国家——美国和日本，在结构保护系统上的发展和应用有很大的不同。我们在学用这些先进技术时应有自己的研究和判断。作者对美国、特别是日本的一些做法和想法也并不完全认同。但因对日本了解有限，在此主要介绍美国的有关情况和想法。
2. 结构保护系统的发展过程简述
上世纪八十年代末期，在美国、加拿大、日本等国，无论“被动保护系统”和“主动保护系统”以及后来诞生的“半主动保护系统”都有了很大的发展，开始有人把这一理论引入到我们土木工程界，经过了一个“百花齐放”的广泛发展阶段。在这个时期的最初几年内，有很多新的想法诞生，新的“装置”被试用。专业工程师喜欢用下框图来说明这一阶段的发展：
框图1 结构的保护系统
在结构保护系统的发展史上，考虑到大量地震工程的应用，这些“新”想法中一部分被从事实际工程的结构工程师们认为不适用或时机尚不成熟，很快被质疑。结构的主动和半主动抗震保护系统发展的困难就基于这个原因；有的产品只要经过简单的试验，当然也有的作过大量实际测试后，被结构工程师们认为有严重缺欠、不能满足工程要求而被列入待发展的行列，金属摩擦阻尼器，材料性黏弹性阻尼器等都属这类产品。他们不仅经历了大量试验，还在美国、日本、加拿大、新西兰等国做过几个甚至十几个工程后最终被否定；当然，也有很多的产品因各种问题，自知无前途，生产厂家将产品转型、兼并或已经破产。经过二十年的肯定和淘汰，在各种工程事故、抗震、抗风的检验，工程师们的反思，世界工程界已经用“应用”作为选票，用事实说明，在美国已经有了较一致的看法。本文将分别介绍这些常被提到的结构保护装置的成功和问题所在。
到了九十年代中期，工程师们希望对这些“百花齐放”的结果作一个鉴定，希望有人能正确地告诉他们“能否使用”和“是否好用”，当然最希望的是让试验和工程说话。美国由官方（NSA－美国国家科学基金会）或半官方（ASCE－美国土木工程学会）出面组织了两次非常重要，也非常经典的联合鉴定测试[10][11]。更有代表性的应该是美国土木工程协会（ASCE）组织的HITEC（美国高速公路创新技术评估中心）的联合测试。测试是在上述前期理论推导和振动台理念试验的基础之上进行的。工程师们选择了已经作了大量试验室，振动台研究试验，从概念上得到肯定的基础隔震和液体黏滞阻尼器两类产品进行预检测。世界上最先进的十一个生产厂家的产品被邀请参与了这一测试，其中8个为基础隔震产品，包括铅芯橡胶垫隔振垫、摩擦摆隔震垫，3个为液体黏滞阻尼器。测试由第三方组成的一个专门小组领导。当时，所有要想进入市场的产品都需要经过这一预检测。测试的结果是对产品的鉴定，也给了工程师们一个可以信赖的数据依据。
测试内容包括：
l 基本性能检验/时变性测试(Performance benchmark)
l 频率相关性测试(Frequency Dependent Characterization)
l 疲劳及磨损测试(Fatigue and Wear)
l 环境老化测试(Environment Aging)
l 极限温度下的动力测试(Performance at Temperature Extremes)
l 耐久性测试(Durability Test)
l 超载测试(Ultimate Performance)
再不了解情况的人也会想到，这些试验对这些新技术的推广和应用是个重要的鉴定。请注意，这些测试不是为了说明基础隔震和阻尼器在建筑结构中使用的效果，这一效果早已在这些试验之前的振动台模型测试中得到肯定，并在后来作为一个特殊单元被编制在SAP2000和ETABS等结构计算机程序之中。与此不同，美国土木学会规定的这些试验内容就是为了鉴定我们测试的这些装置本身，看它是否能在我们土木工程会遇到的各种环境下正确工作。是否能满足我们土木工程所要求的可靠性和稳定性。还有一点很有趣，这是个由官方或半官方组织的、所有生产厂家退出的专家鉴定小组。在试验报告中，只是客观写出试验的结果，并不作任何结论。就连在超载试验以前就已经早早破坏了的美国ENIDINE的阻尼器，他们也不去下什么结论。然而，对于细心的使用者说来，这些试验结果就已经完全说明问题了。
工程师们都十分肯定并相信这一测试内容，所有相关的美国规范规程包括FEMA（Federal Emergency Management Agency－联邦紧急管理局)[12]、ASHTO（桥梁设计规程）[13]、ASCE[14]都把通过这一测试作为其产品可以应用的前提条件。在这之后，任何想进入美国市场的相关产品如果没有做过HITEC测试的，也都希望按它的测试过程自己或请人测试一遍，实际上这已经成为了工程师们选用试金石。不是属于基础隔震和阻尼器 的其它产品，也完成可以按照上述测试内容，自己组织一套相应试验，这应该是起码的要求。
在这次试验完成、美国相应规范规程肯定以后，“结构的保护系统”才正式大张旗鼓地进入到实际工程领域。越来越多的世界上重要的建筑和桥梁工程，用上了世界上效果最好、最可靠、最耐久的结构保护产品。实际证明了，也将不断证明。只有确保质量，才能真正被广大工程师们真正接受，才可能为结构保护系统带来长期的发展和广泛的应用。
即便至此，结构保护系统的发展并不是已经结束。最近美国Constantinou教授[15]在美国科学基金会和美加州交通部等单位要求和资助下完成了“在日常运营及地震作用下结构抗震保护装置的性能表现”的研究总结，对这20多年来结构保护系统的发展作了系统地盘点和总结归纳。值得说明的是，他们的侧重和研究的目的不是理论的完整和先进性，而是工程中应用的相关问题。结构保护系统全部发展过程，我们可以用框图2概述。
框图2 结构保护系统发展过程
3. 在实践中最被肯定的三种产品
在上述发展之后，相对而言，美国地震工程师们，已经不再热衷于建立新的想法和新的装置，而更重视提高使用办法的可靠性和稳定性并扩大其应用范围。经过近十年的淘汰发展，在美国被工程界所认可的理念和先进的产品是：液体黏滞阻尼器所构成的耗能减振系统；结构基础隔振，特别是摩擦摆隔振系统；以及难得的首创于日本，并得到美国工程界认可的不屈服支撑（UBB 或 BRB）系统。
3.1. 液体黏滞阻尼器的耗能技术(Fluid Viscous Dampers, Energy Dissipation)[16]
一种看上去很像车辆减振器的活塞筒状装置。内设硅油，在活塞的往复运动中液体起黏滞作用，耗散地震能量，对结构起到减振控制作用。这种内置硅油的速度型阻尼器，性能相对可靠稳定，已经发展成从规范、设计规程到分析计算程序，产品检验完整的系统。它完全可以很好满足我们上述工程中应用的“应用准则”。其中，最使工程师们青昧的世界最好的美国泰勒公司的液体黏滞阻尼器，产品质量过硬、性能稳定，可以有35年的保质期并终身免维护。在短短的二十多年里，美国和世界各地已经有近四百多座桥梁和建筑结构上使用了这一产品。
我们也同时要指出的是：结构工程所要求的液体黏滞阻尼器是个技术要求很高的产品，在工作上， 它有以下几个要求和特点：
l 它应是个准确定量的产品，才能满足我们工程计算的需要
l 它是在可能的高速下工作。在地震作用下，有时高达每秒一至两米以上
l 在动力超高压下工作，其内压经常高达100兆帕以上
l 要能在各种环境下长期、可靠、稳定的工作，要求与结构同寿命
图1 美国旧金山海湾大桥上设大型阻尼器
实际上，在液体黏滞阻尼器的制造上，有两个大多数生产厂家难于解决的难题：
保证液体黏滞阻尼器在长期动力荷载下不漏油[17]；保证液体黏滞阻尼器满足设计参数的要求[18]。
正因为这两个难题，致使国际上的一些液体黏滞阻尼器厂家的产品在质量上频频发生问题[19]，使阻尼器的发展呈现两极。一端是国际上“知名”的阻尼器厂的“破产”（如英国Colebrand法国Jarret）或“停止生产”(美国Enidine)；另一端是世界最好的阻尼器生产厂在发展和应用上呈明显上升趋势。
当然，它毕竟是在我们传统的结构构件之外加装的一个“外来装置”。了解这个装置的真正作用、找到合适的安装空间、熟悉它的存在、确认它的经济效益、判断在使用上它是否稳定、耐久、可靠，都是我们建筑、桥梁结构工程师的考虑。
3.2. 基础隔震技术(Base isolation)[20]
用一个允许一定程度运动、可以耗散地震能量的隔震装置把地面运动和结构隔离开，可以很好地对结构起到隔离减振作应。最早发展起来，保持到至今不断完善的铅芯橡胶垫的技术得到了成功的应用。美国Dynamic Isolation Systems Inc已经在世界各地为近300座桥梁安装了橡胶各种支座。然而，我们仍想指出工程师们在使用时的顾虑和可能发生的问题：有机的橡胶装置在长期工作环境中的真正稳定、耐久性怎么样？日本不是证明了它在温度变化中的性能改变现象吗[19]？在日本所做的较高尺寸橡胶支座上发生折断试验也不能不引起我们的警惕。请看网站上，某橡胶支座在试验中破坏。
http://www.bluelakeint.com/chinese/kangzhen/qitai/shiyanguocheng.htm
逐步发展起来的金属摆动摩擦支座的技术显示了更快的发展。这种原创于美国地震保护系统Earthquake Protection System（EPS）公司的金属型摩擦摆隔震产品Friction Pendulum Bearing(FPB)。工程师们认为比铅芯橡胶垫可以在更广泛的环境下承受更大的垂直荷载和更大的允许水平位移，并能在更长的时间内可靠稳定的工作。看上去，它和传统的桥梁支座差不多，但抗震性能上确有着本质的不同。更容易受到工程师的欢迎。近几年已经有近50多个工程在美国和世界各地使用这一产品。
图2 美国Benicia-Martinez大桥上设置的世界最大隔震垫（40,000 lb, 13ft）
在隔震系统上配合使用液体黏滞阻尼器可以使结构起到隔震作用，又避免了过大的位移，是一个常被采用的设计方案。
目前我国已经大量采用橡胶隔震系统；北京万国城各楼间连廊上安置了我国首例美国FPB摩擦摆拉压支座；也在其它工程上安置了我国仿制的抗震FPB支座。存在的最大问题是，目前国内具有的垂直压力下能高速水平推进的动力试验设备性能尚有局限。也就是说，我国已经大量应用的隔震系统几乎都没有经过真正符合美国标准的动力测试。正因为测试验收的问题，致使我国南方正在进行的世界最大的基础隔震工程所采用的橡胶垫在安装后发现大量问题，而不得不返工更换。
土耳其高架高速公路上金属隔震支座，因设计和产品的双重问题，在1999年Duzce7.2级大地震中严重破坏的案例也应该引起我们基础隔震工程的警惕[19]。
当然, 考虑到倾倒危险等问题,各种隔震系统用在高层或超高层建筑上都受到应用局限，也必须解决链接地下管线的空间冲突问题。此外，它毕竟是对传统“牢固基础”的一个观念上的改变。真正全面接受它也要有个长期的适应和发展过程。
3.3. 防屈曲耗能支撑(Buckling Restrained Brace)
由日本Nippon公司研究出的金属防屈曲耗能支撑（UBB）（BRB），它也是在结构工程师早已习惯的结构支撑构件的基础上改进发明出来的产品。它在普通金属支撑上加上软钢芯和可靠的保护层，在强烈地震中软钢可以率先屈服，起到屈服耗能作用，软钢外设的保护装置将屈服约束在软钢上，对整个的系统和结构是个很好的保护。这种位移型阻尼器，是在美国本土之外发明而又得到了美国工程界认同的好产品。美国本土也有两家公司购买了Nippon公司的专利，开始并大量生产防屈曲耗能支撑（STAR SEISMIC, LLC和 CoreBrace ,LLC）
图3 正在安装中的UBB装置
当然，和我们下面将要介绍的其他位移型金属阻尼器在使用上同样有不足之处。我们将在下面讨论。作者的看法是：尽管这种装置有其不足，它不仅要改变结构原设计的周期，可能引起地震荷载的加大；给结构带来的长期往复抗震能力也有限。但它在我们传统建筑上的形式上的改变很少，应该最容易被结构工程师接受，也就应该有广泛的前景。
要重复一点的是，在美国、日本等抗震研究先进的国家，基本上没有人出来说“什么产品不好，什么产品不能用”，而是通过规范肯定好的产品。通过“不去”应用，淘汰不成熟的产品。给设计人员明确的指导，也给不成熟的产品留下发展改进的余地。作为我们后来启动的研究者，首先要了解他们为什么肯定以上三种产品，也更要了解为什么有的产品被淘汰或需要进一步的工作。当然，结构保护系统的其它的产品从来没有停止过发展，新的理念和产品层出不穷，笔者的看法是：要想真正发展并广泛应用某一产品，应该首先要看看过去做过的试验、工程教训。也更要看看大家公认的缺欠问题是否已经被解决。无论新的产品和重新启用的老产品，都应该作过类似上述HITEC试验的鉴定，并有满意的结果。
4. 尚需发展的几种产品
下面介绍作者在结构振动控制的学习和应用过程中对各种结构保护系统的一些体会和看法。
4.1. 结构的主动控制 (Active Control)
在结构上，用先进的探测和传感系统通过计算机系统捕捉地震或风振可能给结构带来的振动信息，将其传送到计算机内进行分析，计算出需要在一个预先设置的外加力（或外加阻尼、外加刚度，从而更改结构频率）装置上施加反效应荷载的数据，正确地启动这一装置，起到人为的主动控制结构反应。这种主动控制的想法并不陌生，工程师们早就在建筑室内温度控制中成熟地采用了这一理念和方法。这一系统用在短时间的航空等其它领域上也可能是一个好的建树，要想用于我们的结构工程，不要说用在发生概率很低的罕遇地震，就是用于结构抗风都是十分困难的。从目前的应用、管理和维护技术水平来看，都与我们传统的土木结构行业目前状况相差太远。很难做到几十年的可靠性和稳定性。无论地震和飓风的到来都可能使电源、线路等受到致命的威胁而终止控制工作。 仅想做到在灾害中保证一个可靠的电源和维护整个控制系统的稳定可靠就已经十分困难。主动控制的理论和装置虽然在日本有了一定的发展，已经用了几十个工程，也很难看到继续发展下去的前景。到目前为止，我国鲜见的电视塔主动控制或半主动工程都未见成功的结果。
4.2. 半主动控制的磁流变阻尼器 (Magneto-Rheological Damper)
磁流变阻尼器是一种半主动控制装置。它以智能材料（磁流变材料）为驱动材料的可调参数阻尼器，在磁场的作用下，流变液中的固体颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于磁场两极之间，这样，对于平行于电极的剪切力而言，流变液在磁场的作用下就会发生磁流变效应，即从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为具有一定屈服力的粘塑体从而达到比被动阻尼器更好的减振效果。
图4 磁流变阻尼器示意图
首先生产出这种产品的美国Lord公司最先在飞行员座椅、汽车悬挂减振系统上应用这一先进技术。毫无疑问，这是个好的科技发展研究题目。可要想在我们土木工程中所期望的长期、可靠、稳定的需要下大量应用，就是另一回事。国内已经有了好几个生产厂家开始生产这一产品并得到一些桥梁斜拉索上的应用。可是，它真适合我们结构工程中使用吗？实际上，这种装置存在三个值得考虑的问题：
（1）和主动控制一样，这种装置上使用的传感器、线路系统，电源等等，都需要日久天长的维护，这给日常性能的保持带来巨大困难；
（2）磁流变阻尼器内磁流粉的长期稳定和克服沉淀；
（3）和液体黏滞阻尼器一样存在缸体保持不漏油的问题。
有人说，就是半主动控制系统失效，也可以当被动阻尼器使用。其实，除了同样有的漏油问题以外，如果能看到控制系统的维护和稳定问题难以解决，效果又好得有限，那又何必不直接用被动阻尼器哪？最先生产出这种产品的美国 Lord 公司在我国洞庭湖大桥前，从来没有在世界桥梁工程中应用过。就是至今，他们也没有在美国和欧洲工程中有所应用。生产各种先进阻尼器的美国泰勒公司，最初曾试产过这种产品，在发现无法保证其可靠的应用以后，毅然放弃了这一产品的生产。 实际上，在我国，最初已经使用了磁流变阻尼器和控制系统的工程，仅仅几年就已经停止使用并拆除了。国内已经在一些十分重要的桥梁上，不仅在斜拉索上设计和使用了这种减振装置，还在著名的大桥上用来控制铁路机车带来的纵向振动。建筑上，也有在高塔抗风上采用了这种装置。不知是否经过产品性能上的严格检验。其长期甚至中期的可靠性也是令人担心。
4.3. 固体黏弹性阻尼器(Viscoelastic damper )(VE)[6]
图5 固体黏弹性阻尼器和恢复力曲线
在金属板之间放置上有粘滞性能的固体材料，就可以构成了这种随速度和位移两种因素变化的速度型阻尼器。阻尼力大小可以表示为：
在这种阻尼器最初发明以后，随着美国世贸中心双塔大楼等抗风工程应用的前后，也作了大量试验研究。其试验结果却不能令人满意。美国专家认为这种固体黏弹性阻尼器因为下列原因目前还不适于继续在结构工程中应用：
（1） 试验显示出它对环境温度和荷载频率有很高的依赖性，这在多次试验中都显示了有高达70%甚者几倍的变化率。
（2） 随着负载的大小，阻尼器参数的可观改变。
（3） 随时间变化性能改变，减震作用减退。既在长期工作中，耐疲劳性、稳定性很差。
在美国HITEC联合测试前对这种黏弹性阻尼器的研究结果使它并未被工程师们看好，它没有被选入测试的产品。随着大量应用的困难，这种产品的技术已经被美国工程师们放弃并转卖到日本。固体黏弹性阻尼器（VE）也就正式退出了美国工程师的选择范围。我们不太清楚在日本其性能是否得到实质性的提高和改进，但知道它有断断续续的应用。这可能是分歧最大的一种阻尼器。然而，其目前还有不可克服的缺点却是大家的共识。为了克服阻尼器随温度变化的缺点，在日本横滨对马岛的加固工程上甚至不能理解的加设了昂贵的恒温系统[6]。不过，最多日本也就任其自然发展，我国却把这种极不成熟的产品和液体黏滞阻尼器一起列成国家行业标准[27]。变相推广这种不成熟的产品，是作者不能赞同的另一个问题。
这里有一个例外，剪切型的固体黏弹性阻尼器在我国作为斜拉索外置阻尼器已经持续用了几年了[21]。目前，占据了我国很大的斜拉索减振阻尼器市场。尽管如此，遗憾地是，我们几乎没有见过完整的试验报告。即便其有减振效果也很有限，并同时具有受温度影响很大、长期使用作用衰减等缺点。但因为我国一些桥梁业主对斜拉索阻尼器的要求不高、国产的产品又价格便宜，形成了黏弹性阻尼器应用上的一支独秀。是否能继续发展下去，还有赖于它和其它类型的减振阻尼器的发展和进一步试验。
4.4. 摩擦阻尼器（Friction Damper）[6]
图6 Pall 摩擦阻尼器
最初由加拿大研究并得到一定应用的摩擦阻尼器，是基于库伦摩擦阻尼原理发明、生产的阻尼器。只要经过简单的试验研究就已经被美国大多数结构工程师所怀疑。在摩擦过程中因为阻尼力取决于金属间正压力大小，而正压力又受到温度、湿度变化、金属表明锈蚀的影响难以控制。这些因素都带来了摩擦系数和摩擦力可能的变化，使我们很难在计算分析中作为一个稳定的定量作用来考虑，再加上它所承受阻尼力太小的限制，使它从来没有得到多数美国工程师的广泛认可。对这种已经夭折的装置，要想在工程上重新启用，一定要十分小心。
4.5. ADAS、TDAS及铅阻尼器等金属阻尼器 (Metallic Dampers)
伴随结构保护系统的发展过程也有一些发展的多种位移型金属阻尼器，它利用金属构件上人为制造的薄弱环节在地震中率先屈服耗能，起到结构保护作用。环境和力学性能的稳定是他们的优点。
图7 金属阻尼器
虽然，从使用性能上，美国的工程师更喜欢初始刚度为零的液体黏滞阻尼器（FVD）和实际施工应用上简单方便、用受到保护的防屈曲耗能支撑（BRB，UBB）。特别是最近Constantinou教授[23]又证明了这种位移型阻尼器不能对结构上附属结构的反应减少起到很好的帮助作用。容易得到的结论是：它们起码是些使用效果上并不太好，安装也不方便的产品。然而，它有FVD和UBB难于战胜的优点--价格便宜。虽然在原有支撑上改进有限，却没有明显缺点和副作用。进一步的完善和发展也许会带来更多的应用。
4.6. 质量谐调阻尼器,（Tune Mass Damper， TMD）( Active Mass Damper ，AMD)
图8 不同TMD 系统
这是一种利用外加一个由质量、刚度和阻尼器组成的谐振系统来减少主体结构振动的巧妙办法。不容怀疑，结构谐振阻尼系统可以很好地减少主结构的振动。国内外在高层结构抗风、行人桥、铁路桥梁的横向振动、楼板减振上都得到一些成功的应用。加拿大Motioneering公司对世界上一些重要工程的TMD计算分析起了很大作用。然而，该系统是靠TMD和主体结构谐振起到减振作用，可以说是“以动制动”。从我们的计算分析和运用的经验来看，它有下列几个问题值得考虑：
（1）它是频率敏感性很高的系统。一些有摩擦的阻尼器、黏弹性阻尼器、带有非线性的橡胶支座都会引起TMD系统频率的变化，都不适于应用在TMD系统中。考虑到结构在日常运行中的屈服和荷载变化，引起结构周期的改变，如不及时调整，TMD也会改变效果，甚者失去作用。
（2）该系统的阻尼器要求很高。这种阻尼器是在常年运动中发挥作用，阻尼器很容易生热破坏。笔者特意示出三种不同的TMD工程实例图片，三种不同功率、不同大小和价格天壤之别的阻尼器。对于大质量、大功率的TMD系统，应该尽量采用无摩擦或小摩擦的金属密封阻尼器[22]。美国纽约王牌世界大厦（Trump world Tower）TMD系统的漏油检修就说明了它的问题和困难。
（3）TMD如果失去作用，结构无用质量的增加、反应的放大都会起到严重的副作用。
（4）考虑到地震荷载是个多频率的复合荷载，TMD甚至多频率MTMD都很难起到很好的减振作用。
（5）TMD系统的质量块对设计的运动方向和幅值都应该有严格的导向和限制， 放任的振动使其效果难于控制。
（6）至今，国内十分罕见TMD真实减振效果和可靠性的试验。
实际上，对于既可以用TMD又可以用阻尼器直接减振的结构（如高层抗风、铁路桥梁横向减振），我们计算的经验、价格分析和长期运行的维护管理来说，直接运用阻尼器减振要可靠得多。
日本在很多高层建筑上安装了主动控制的AMD系统，他们大多数是在TMD的基础上附加作动器，提高TMD的减振效果，当然，这种系统比起整个结构受力的主动控制要容易得多。但和上述主动控制一样，有价格昂贵和难于维护的困难。日本设计投资建设的上海金融环球大厦上运用了两套AMD减振系统。
图9 日本的AMD系统 图10上海金融环球AMD系统
笔者认为，目前国内很多结构设计都采用了TMD系统减振。尽管从理论上容易理解，计算简单。但这些TMD系统是否真需要？是否真起
到作用？它还有太多的产品和构造问题、阻尼器产品问题。特别是用在高层结构上抗风TMD系统、AMD的跟进者。草率的应用是十分危险的设计。
5. 确保工程质量的管理体系[14]
在美国关于结构保护系统设计规范中，考虑到对多数工程师它是个新的技术， 有明确要求完成下列程序：结构设计并配合提出测试报告；由有设计和安装经验的第三方专家进行全面的结构和产品的设计审查；严格的产品检测。他们并不要求都做小模型的振动台试验，而是一定要作产品的原型检验，并有明确的检测要求[24][25]。
目前，我国最需要的一个是有人出面管理这个领域；建立第三方专家的审查制度。
当然，目前在我国 建立起大型原型测试设备并学习和掌握严格地测试方法、手段和制度是另一个重要工作[26]。下表中列出了美国目前主要的几个设备表。
表1 美国大型动力测试设备列表
其中以圣地亚哥大学2003年改造后的设备最为突出。它已经成为世界大型结构保护系统，包括隔震支座和阻尼器的主要测试基地。我国要想使该领域的发展达到世界先进水平， 这是不可少的设备。
图 11 美国圣地亚哥大学三维测试设备
6. 最新研究发展
图12 MCEER基础隔震和阻尼器耗能结构试验
美国在结构保护系统的百花齐放的发展和汇总鉴定的HITEC联合测试以后，在结构保护系统上不断发展完善。做了以下几方面的深入研究：
1） 安置了结构保护系统的结构性能的改善确认
图12示出了美国地震研究中心（MCEER）所做的振动台上钢结构模型试验。请注意这都是1/3～1/5缩尺试验。结构保护系统对主体结构和对附属结构的影响、位移和速度型阻尼器的对比在这一试验中可以示出。
2） 设计规范的完善
看了参考文献中几本规范的不同，是可以看出结构保护系统在规范中所处位置、分析方法、简化计算和髙振型的影响、试验检测等各种问题上的发展。
3） 结构保护系统硬件和安置上的发展
随着工程上的不同应用，结构保护系统的硬件和应用方法上也在不断发展。美国泰勒公司又发明了多种新型专利阻尼器[28]。在我国苏通大桥上的新型带限位的超大阻尼器的开发和应用；为铁路桥梁设计的战胜火车车辆荷载和地震荷载双重作用的阻尼器；为TMD和行人桥上设计并已经使用的金属密封无摩擦阻尼器；为斜拉索设计的新型单出杆带油库阻尼器。放大阻尼器位移和提高阻尼器使用效率的套索式连接、剪刀型连接和跨层连接的办法都获得了越来越多的工程应用[16]。
在双层摩擦摆之后，美国EPS公司又创造出了三层摩擦摆系统，大大提高了摩擦摆的效率和应用范围[20]。橡胶支座扭曲问题、抗老化、温度稳定的性能改进研究。
4） 特种结构上的应用
海洋平台，水塔、储油罐、核电站等特种结构的结构保护中也遇到特殊的问题。这些工程实例的研究为特种结构的工程抗震开拓方向。
5） 实际工程震害的剖析分析
对在土耳其地震中遭到破坏的机场，高架桥梁进行详细分析。在加固过程中以高质量的摩擦摆隔震系统代替高架桥上遭到破坏原有的金属耗能隔震垫。秘鲁地震后的震害分析。
6） 不同结构工程的结构保护
对超高层结构、大跨空间结构，钢筋混凝土框架或剪力墙结构保护上的特点。最近美国PEER研究中心和Weidlinger, Taylor devices 等公司合作研究一个42层超高层钢筋混凝土结构设计中用阻尼器替代剪力墙的方案显示出了很好的效果和前景[29]。
7） 桥梁隔震支座长期可靠性的原型测试
美国MCEER最近开始了一个铅芯橡胶隔震支座在长期荷载作用下的耐久性研究测试（图13）。
图13 MCEER正在进行的橡胶隔震支座长期耐久测试
8） 日本今年完成的四种阻尼器： 粘滞型（FVD）、日本油型（Oil）、固体粘弹性（Viscoelastic）、金属防屈曲耗能（UBB）、金属摩擦（Friction）进行了振动台上大型原型对比测试[30]。
图14 日本在振动台上5种阻尼器原型测试
7. 结论和建议
重申一下，笔者并不排斥任何新老产品的研究发展。只是强调工程应用有着与研究不同的考虑、不同的标准和最终不同的结果。我们曾在不同地方提过以下几个建议，这里不妨再重复一下。
1） 有关领导尽快组织对使用了结构保护系统的土建工程进行排查。对已经安置了阻尼器和其它的保护系统的几百个工程作一次系统调查和审查，审核一下使用的阻尼器产品设计是否合格、产品是否经过质量检测而合格验收，工程是否满足抗震要求。
2） 有关领导尽快组织建一二次产品的联合质量测试，可以由已经决定使用或有意向提供产品的厂家按产品的技术要求生产出样品，组织由第三者负责的公开预检测。将通过测试作为中国市场的准入条件，只有符合设计规范要求的才能使用。
3） 对于本文认为目前还不适于推广使用的产品，特别是一些在国外测试中早已淘汰或问题很多的产品。如，金属摩擦阻尼器、磁流变阻尼器；对抗震中打算应用的固体黏弹性阻尼器；对不论计算、产品和效果上了解不深的TMD系统都应该尽快组织包括生产厂家在内的讨论，试验，在有了较一致的结论前谨慎使用。
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https://blog.sciencenet.cn/blog-534208-408095.html
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