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液体黏滞阻尼器技术的最新发展
成立于1955年,一直是世界上减震器、液体弹簧、振动隔离系统、吸能阻尼器等振动控制产品的先驱,是纳斯达克上市公司,位于美国北部纽约州布法罗市,离尼亚加拉大瀑布不远。公司拥有世界上最高的振动控制技术,它是美国宇航局、国防部,航空工业振动控制装置的主要供应商,在美国阿波罗人造飞船、导弹发射和空军基地内均有泰勒公司的产品。
80年代末起,公司和美国国家地震工程研究中心一起开始把阻尼器应用到建筑工程和桥梁结构上,进行了大量消能减震结构试验。90年代初,美国国家科学基金会和土木工程学会分别组织了大型联合测试,泰勒阻尼器均被选为有资格参与测试的产品。试验的肯定、规范的制定,使这一产品开始在实际结构上逐步应用。泰勒公司十分重视产品的研究、更新、改进和提高质量,其拥有阻尼器生产和检测的全套设备和能力,拥有可加载至700吨以上的动力液压设备,是用来测试的主要设备之一。在美国、日本、台湾及世界各地,泰勒阻尼器是被结构工程界公认的高质量和信得过的产品。它是世界上唯一真正能做到35年免维护的振动控制产品。美国泰勒公司在世界范围内已经完成了700多个大型建筑、桥梁工程,其中有160座大型桥梁,有30多座斜拉和悬索桥。
泰勒公司能够获得成功得益于公司惊人的研发能力和创新意识。Taylor在冲击和振动团体中广泛地发表文章,创作了超过75篇关于不同主题的技术出版物,涵盖了从汽车碰撞安全到船舶与航天器的生命力的范围。他是在能量管理、水力学和隔振领域的36项专利的发明人或共同发明人。在2015年,Taylor先生正式就任NASA和太空基金会的太空技术名人堂,是国际结构控制与监测协会的一位创始成员,钢铁技术协会的终身会员,且曾在ASCE委员会担任桥梁的抗震性能和建筑的防爆工作。
公司在2018年6月成功完成了新老交替,原公司总裁兼董事Douglas P. Taylor和执行副总裁兼董事Richard G. Hill退休,新总裁Alan R. Klembczyk上任。
2016年5月19日,世界高层都市建筑学会(Council on tall buildings and urban habitat, CTBUH)组织在美国芝加哥举行了世界高层结构阻尼器技术研讨会,会议成员为来自世界上近40个公司和研究机构的专家,他们介绍和讨论了世界阻尼器在高层结构上的应用情况和工程情况,并对相关问题进行了讨论并交换看法。
图1 CTBUH出版
《Damping Technologies for Tall Buildings》
2018年9月CTBUH出版了《高层建筑阻尼技术,Damping Technologies for Tall Buildings》一书,该书在综合了全世界相关专家意见并分别撰写了关于阻尼器的选择、设计、安装和测试等诸多内容。书中对不同阻尼系统优缺点做了对比分析,使读者更为直观和准确做出选择。
2018年10月泰勒公司召开了第一次代理商代表大会,来自世界各地的泰勒技术销售人员在三天中对产品性能、销售策略以及泰勒最新发展技术进行了交流和学习,并在会后参观了泰勒最新建成的工厂。
为了达到结构抗风、提高舒适度的目的,除了常用的加强结构刚度的办法外,目前设计师更倾向于采用如下两种办法:一种是采用TMD系统(Tuned Mass Damper,调谐质量阻尼器)减振。国际上几个著名工程(如芝加哥凯悦酒店、台北101等)采用了TMD系统抗风的方案。另一种是直接采用液体黏滞阻尼器,目前越来越多的结构工程师已经考虑通过这种方式来减少结构的振动,并已有多个工程实例且成功通过了大风的考验。
1)波士顿亨廷顿111大楼为39层钢结构,使用60个130Ton阻尼器抑制结构风振反应,阻尼器设置以层间布置为主,部分阻尼器隔层布置,一定程度地保证了阻尼器从下到上的均匀性,其中一半的阻尼器采用效率较高的套索(Toggle)布置形式,阻尼器系统时程分析结果37层加速度X和Y方向分别由减振前的0.696 m/s2和0.45 m/s2下降到0.523 m/s2和0.305 m/s2;
2)北京银泰中心主塔楼共布置阻尼器73个,内筒从44~57层共用59个,外筒分别布置在46~57层共用14个,其中X向为35个阻尼器,Y向为38个阻尼器,同时在加强层23~48层设置了无粘结屈曲支撑(UBB)。55层(控制层)加速度X和Y方向分别由减振前的0.232 m/s2和0.231m/s2下降到0.200 m/s2和0.204m/s2,满足规范舒适度要求。
3)深圳恒裕后海项目为高档公寓建筑,B、C塔结构高度均超过250m,结构在风荷载作用下的顶部加速度超过了《高规》中限值,其中B座在结构7/15/28/40/53层5个加强层的环带柱间和墙柱之间布置双排对角连接的阻尼器,并在X向设置了阻尼器。X方向在减振前后顶层加速度由0.146 m/s2将至0.100 m/s2,减震率31.1%;Y方向在减振前后顶层加速度由0.190m/s2 将至0.146 m/s2 ,减震率23.2%;C座在结构的6/15/25/35/45层5个加强层的环带柱间和墙柱之间布置对角连接的阻尼器。X方向顶部加速度已满足要求,Y方向在减振前后顶层加速度由0.138m/s2 将至0.113 m/s2。
高层结构使用液体黏滞阻尼器抗风有3个需要注意的地方:1)风荷载造成的结构层间位移较小,对角连接方式通常不能有效利用阻尼器的最大冲程;2)由于风荷载持续时间长,阻尼器长时间工作产生的热量对阻尼器很不利,需要对阻尼器的平均功率进行验算,并根据工程需要采用特殊大功率的阻尼器;3)结构在微小的振动速度(如1mm/s)下,只有高质量的液体黏滞阻尼器才能有所响应并起到减振作用。
阻尼器发展至今,已经绝非传统意义、单一功能的流体黏滞阻尼器,产品随着多个工程的应用不断发展,不断创新具备特定功能的减振装置,阻尼器产品的更新换代主要体现为如下几种产品:
黏滞阻尼器经过数十年的发展进步,在工程应用上已经呈现出一些新的变化和趋势。1)建筑工程用阻尼器不再局限于50吨、100吨小吨位阻尼器,而采用吨位较大、阻尼系数较大的阻尼器,如300~600吨阻尼器,阻尼系数在8000~10000kN/(m/sec)α。这一现状在高层、超高层结构中尤为突出。2)阻尼器不但要在地震中发挥作用,而且对于风振等微幅振动也要很好起到控制作用,阻尼器速度在2~500mm/sec均能发挥控制效果并保持本构关系。这种趋势对阻尼器的设计和制造、产品的测试都提出了更高的要求。
无摩擦金属密封阻尼器FHD(Frictionless Hermentic Damper)是一种具有独特性能的减振产品,是美国泰勒公司的一种专利产品,自从二十世纪八十年代开始就一直用于外太空设备装置中,并独家为美国航天局NASA以及相关的宇航机构供货。FHD阻尼器的出现解决了多年困扰美国航天局及军方的难题,即如何在太空中应用各种内置油液设备。泰勒公司很好的借鉴了应用于气态密封的金属波纹管密封技术,并成功应用到液体黏滞阻尼器上。金属波纹管密封技术的应用完全保证了阻尼器的零泄漏且在运动过程中几乎没有摩擦产生,可以满足核电领域所要求百分之二低摩阻的要求。
由于金属波纹管密封件的采用,该阻尼器可提供更大的功率,产生的热量随时平衡消散,可承受更高的内部温度而不破坏,阻尼器的耐久性、稳定性大幅提高。这类阻尼器可以用于振动幅度很大、频率较高的外界环境下。在土木工程领域已有部分项目采用这类阻尼器,如伦敦千禧桥、芝加哥凯越酒店TMD系统等。在这类阻尼器应用过程中,对于普通阻尼器有些情况并不适用,而应采用可以提供更高功率的无摩擦金属密封阻尼器。
图2超大无摩擦金属密封阻尼器
该产品被用于纽约西55街超高层建筑用阻尼伸臂桁架系统。这种早期应用于航天工程中的高性能金属密封阻尼器,目前在土木工程领域获得了长足的发展,并且根据土木工程需要提高了阻尼器的出力和冲程,满足了建筑和桥梁更广泛应用发展。
在日常荷载作用下大跨度桥梁用阻尼器、特别是晃动超大的悬索桥用阻尼器磨损严重。在普通液体黏滞阻尼器的基础上进行改进,使阻尼器具有一定的移动间隙,可以大大减少阻尼器的磨损量,延长阻尼器的使用寿命。此装置主要用来应对地震荷载的作用,避免日常荷载所引起的结构振动对阻尼器耐久性产生影响。间隙大小可以根据日常荷载所产生的变形设置。该阻尼器工作原理为:当该阻尼器两端所连接结构的相对运动位移的绝对值在间隙的范围内时,阻尼器不参与结构受力,一旦发生地震位移量大于间隙值后,该装置发挥常规液体黏滞阻尼器的作用。
这是美国泰勒公司的专利产品,在金属密封阻尼器基础上进行改进的产品,可用于抑制风振、耐高温、振幅大和持时长的振动;
图3 改进型抗风无摩擦阻尼器
目前该产品已经成功安置在纽约432Park Avenue工程TMD系统中。
文森特·托马斯大桥(Vincent Thomas Bridge)1964年建成,为主跨457m悬索桥。在1998年采用了阻尼器进行地震加固,由于车流量较大桥体日运动量较大导致阻尼器出现漏油。在重新更换阻尼器时采用了泰勒阻尼器。为最大限度减小由于车辆载荷造成的桥体运动,泰勒公司采用了20英寸宽、100Kip的摩擦环限制微小振动;当发生地震后,阻尼器可消耗地震能量,阻尼器最大出力165Kip,冲程±610mm。
图4具有摩擦环黏滞阻尼器
根据不同的工程要求,设计者有时期望阻尼器具有下面两个阶段的特性:对于风、温度、刹车、小地震等常规荷载,阻尼器像刚性连杆一样,不发生两端相对运动;而在大风和大地震、超过一定的动力荷载时,阻尼器开始相对运动,并消耗振动能量,带熔断的液体黏滞阻尼器可以很好地实现这一愿望。这种阻尼器比常规的液体黏滞阻尼器多一个金属熔断装置,金属熔断装置起到控制开关的作用。其工作原理或工作方式可概括为:在金属熔断装置开前,其像刚性连杆一样,把所连接的结构锁定在一起,当达到一定的条件时,金属熔断装置断开,其将转换为常规液体粘滞阻尼器。
在美国旧金山附近的 Richmond SanRafael大桥上,泰勒公司提供了设计值为2270kN的带熔断的液体阻尼器,该装置上设计了在1250kN(F0)时断裂的金属熔断片。如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载,受力低于F0时,金属熔断片限制了阻尼器两端的相对运动;如果地震引起该阻尼器产生的力达到甚至超过F0时,金属熔断片断裂,其将像常规液体阻尼器那样耗能工作。熔断片断裂以后,只要简单地更换熔断片即可重复使用。
当然,这种阻尼器在工作的第一阶段金属熔断片限制了阻尼器的相对位移,桥梁也就限制了风和刹车荷载下的墩、梁相对运动,进而限制了温度变化下的墩、梁相对位移。要想在温度变化引起的变形较大的桥梁上使用时,可以在桥梁的另一端使用常规液体黏滞阻尼器,放开温度变形。
带熔断的液体黏滞阻尼器不能释放温度变形,Taylor公司对早期熔断阻尼器基础上进行了更新换代,提出了带泄压阀的液体黏滞阻尼器。带泄压阀的液体黏滞阻尼器比普通黏滞阻尼器多一个泄压阀,此泄压阀为功能转换阀。泄压阀打开前表现为常规速度锁定装置的性质,打开后为常规液体黏滞阻尼器的作用。
带泄压阀速度锁定装置是内部经过特殊设计的速度锁定装置,起控制作用的为特殊的泄压阀,泄压阀打开前其具有普通锁定装置的功能,泄压阀打开后,锁定装置释放所连接结构体之间的相对运动。泄压阀打开和关闭受装置所产生的力控制,其控制值对应于最大锁定力Fmax,一旦动荷载所引起该装置所产生的力达到或超过最大锁定力达到Fmax值时,泄压阀打开;一旦动荷载作用结束,泄压阀关闭,重新发挥常规锁定装置的作用。
随阻尼器在结构抗震、抗风等工程项目上应用的发展,也出现了多种不同的阻尼器安置办法。
传统的对角支撑(diagonal)虽然存在斜向分量弱化阻尼器控制效果的问题,但仍然有其所特有的优势:1)连接方式简单,阻尼器的作用清楚,广泛被结构工程师使用;2)支撑刚度采用钢构件的拉伸压缩刚度,该刚度要远大于人字支撑、套索等阻尼器连接形式,同时降低由于钢支撑体系造成的位移量损耗,这十分有利于超大阻尼系数、非线性指数较小的阻尼器发挥更好控制效果。
人字型支撑 (chevron)的基础上又发展了考虑到放大位移的套索式支撑(toggle)、剪刀式支撑(Scissor Jack)等几种阻尼器安置办法。这几种连接方式具有如下特点:1)相对于对角支撑,阻尼器控制效果随放大系数均有较大放大,特别是套索和剪刀撑;2)这些连接形式大大增加了对支撑刚度的要求,一般来说,支撑刚度受力需要按照放大系数的平方进行设计,由此带来的设计难度大大增加;3)对于具有位移放大功能的连接形式,不建议采用过大的放大系数。虽然在有限元分析中可通过调整角度实现超大的放大系数,但这种连接的鲁棒性很差,在实际中很难实现预期的控制效果;4)根据Huang的分析,该放大系数并没有考虑连接支撑刚度的影响,如果考虑支撑刚度,其放大效果将有所降低。
在墨西哥使用的跨层大支撑加设阻尼器是抗震的一种好形式。墨西哥市长大楼(Torre Mayor)采用的隔层大型支撑方法安置,放大了阻尼器两端和位移,比单一层间安置的位移当然大得多,阻尼器的减振效果也就显著得多。旧金山弗里蒙特街181号结构阻尼器同样使用巨型支撑连接,每个巨型支撑上设置有4套阻尼器,每个方向的立面有2个带阻尼器的巨型支撑。
墨西哥市长大楼跨层支撑
美国181号结构阻尼器巨型支撑连接
图5 跨层大支撑构造
伸臂桁架阻尼系统是近几年出现的一种高层结构风振控制的全新理念,其利用高层结构外层柱和核心筒的弯曲变形。伸臂连接又称竖直连接,通过结构的弯曲变形造成的内外部结构的竖直位移差来使阻尼器运动,而伸臂结构可以尽可能放大这一相对位移。由于这种连接方式往往要求所采用的阻尼器必须满足高功率、低摩擦的要求,同时在地震中由于出力过大也要求阻尼器不易继续工作,这也要求阻尼器具有限力的功能。这一连接形式在我国的应用呈现如下特点:
①设计人对是否真正断开伸臂桁架存在顾虑,这也限制了这种连接形式的普及。确实,如此大规模改变结构人员的固有思路是非常困难的;
②部分设计人员采用伸臂桁架阻尼系统进行地震控制而完全不考虑风振,由此引发阻尼器的漏油风险。
③不能采用仅适用于地震工况的普通阻尼器,而应采用能够适应持续风振等微幅振动的高功率、低摩阻的抗风阻尼器。
④一些超高层项目设置阻尼器用于抗震,但并未考虑风振对阻尼器的影响,忽视在风振造成的阻尼器功率过高的问题,从而对工程安全造成隐患。
图6 伸臂桁架阻尼器简化模型
开放空间系统是泰勒公司最新的研究成果。由于目前的阻尼器连接系统均于其安放处在视觉上和身体上对空间产生阻碍,因而使建筑师或业主有时拒绝使用阻尼系统。开放空间阻尼系统利用简单机械联动来使系统可安置于空间周边,这样实际上使得空间在外观上没有改变。简单联动和机械装置提供了一个阻尼系统来去除振动能量,这如同一个不占用整个空间的对角支撑一样,对系统的安装是有效的。
图7 开放空间系统示意图
位于纽约州立大学布法罗分校SEESL试验室的大量大型振动台地震测试已经验证了系统的性能、理论及计算模型。可应要求提供技术报告MCEER-16-0007,它提供了完整的测试结果及系统理论与计算模型,以用于带有此系统的结构分析中。泰勒公司提供系统安装的完整理论和分析支持。
地铁上盖物业最大的问题,就是长期持续的受到地铁振动的困扰。目前常用的钢弹簧隔振(地铁振)体系能够起到隔地震的作用。但钢弹簧隔振支座会使结构竖向频率下降并更接近地震的频率,一定程度上放大结构的竖向地震反应;水平向刚度过大,对于水平地震的隔震效果不佳。
这里可借鉴Constantinou教授为解决电力系统中变压器在地震中遭受破坏的问题,提出的变压器三维隔震体系,该三维隔震装置主要由隔离竖向地震的钢弹簧和阻尼器系统以及隔离水平地震的摩擦摆组成。这一装置解决了隔震支座同时具有较大的水平变形和竖向变形,而不发生失稳的问题。通过分析研究,这种摩擦摆-钢弹簧阻尼器结合的三维隔震装置,对于地铁振动引起的上部结构竖向振动,其减振率可基本达到传统钢弹簧支座的效果。与此同时,该装置对于水平地震作用的减震效率特别高,且可做到对竖向地震作用不放大。因此,该三维减振装置非常适合于高烈度区的地铁上盖结构的减振。在隔震层增加水平放置的液体粘滞阻尼器,来控制隔震支座的水平变形。为竖向振动提供粘滞阻尼力的为液体粘滞阻尼器,这与传统的钢弹簧支座中自带的胶质粘滞材料相比,更具有有效性和稳定性。
这种竖向钢弹簧、阻尼器以及隔离水平地震的摩擦摆组成系统目前还应与在了核电领域,如南非、法国的核电站隔震项目。
目前,大多数高层建筑剪力墙是结构水平侧力的主要补充体系,或主要体系,这已经在绝大部分建筑中广泛应用并深入人心。尽管这种结构可能因为剪力墙的作用有效地防止了结构的倒塌,但一旦剪力墙破坏,除了自身系统的破坏以外,可能会引起结构、管道、设备及玻璃幕墙等附属结构的破坏,这些破坏往往是损失巨大并难于修复的。
美国42 层Peer 大厦的设计者尝试采用阻尼器取代剪力墙的设计理念,如果这个方向得到验证,会给我们的结构设计带来革命性的影响,这种前沿的想法是值得支持和肯定的。
与剪力墙抗震体系相比,应用阻尼器体系有以下优点:①不用或少用剪力墙后将使用结构周期变长,一般会减少地震荷载。Peer大厦在取消核心筒的剪力墙,变成纯框架体系后,结构的第一周期由原来的4.1s变成5.54s,相应的结构反应下降。②使用阻尼器使结构阻尼比增加,进一步减少了结构反应。只要设计合理,采用阻尼器体系可以很好地取代剪力墙体系抗震。结构的层间剪力和基底剪力也都比原剪力墙结构有成倍的下降。且剪力墙是个一经破坏难以修复的体系,而设计合理、质量可靠的阻尼器在设计地震中不易破坏可重复使用,采用阻尼器的优势更加明显。
王珊珊对修建于1970s的某35层高层钢结构分别采用不同的方式进行了旨在提高其抗震性能的加固,并进行了对比。这些方法包括:采用液体粘滞阻尼器(FVDs);采用粘滞阻尼墙(VWDs)以及采用防曲屈支撑(BRBs)。得到了下面的结论:
1)在BSE-2E水准的地震下,通过优化布置FVDs,使得结构层间位移角减小非常显著(减小30%),尤其对于原结构5~10层,最大层间位移角由5%减至1.5%之内,使得层间位移角变得更加均匀。同时减小层加速度50%以上,这对减少非结构构件的破坏很有帮助。并且有效的减少了梁柱节点的破坏。
2)采用VWDs方案,最大层间位移角仍然很大,最大一层超过3%,且梁柱连接处的破坏依旧非常严重。对于顶层的楼层加速度,比原结构反而增大了20%。且结构柱的受力也比之前增大很多。将梁柱连接加强之后,使用VWDs,其对层间位移角的减小可以与FVDs相当,但加速度的减小依然与FVDs差距较大。可见,该方法容易引起梁柱连接的破坏,对梁柱连接要求很高。
3)对于BRBs方案,由于BRBs增加了结构的刚度,从而增加了地震需求,反而增大了结构的部分楼层的层间位移角,梁柱连接的破坏也有所增加,同时楼层加速度也比原结构增加不少。
4)从结构地震反应性能来看,对于高层钢结构的抗震加固,VWDs和BRBs方案均远远逊于FVDs方案。
5)从未来的经济效应来讲,综合考虑三种加固方案的成本,以及在日后遇到的设计地震中,结构主体构件和非结构构件可能发生的破坏损失,和修缮成本、时间成本,采用FVDs方案是远远优于其他两种方案的。该方案可以将结构构件在设计地震下的维修损失率低于0.08的概率升至90%,而相对应的,VWDs方案的概率为30%,BRBs方案的概率为50%。通过采用FVDs方案加固,该建筑在未来可能发生的地震中的经济损失可以降低90%以上。
采用液体粘滞阻尼器对钢结构进行加固是最有效的提供结构抗震性能的方法,同时,其未来的经济效应最高。
阻尼器测试的问题在当下已经是老生常谈,如何保证阻尼器质量无论如何都撇不开测试这一环节,这也是所有阻尼器厂家和设计人员所必须面对的问题。此外,笔者想谈及的是关于阻尼系统的测试问题。
美国Constantinou教授经过数年的振动台实验进一步验证的具有位移放大功能的阻尼支撑的功效,并申请的专利,这也是套索式以及剪刀撑可以推广到实际工程的理论基础。近些年在国内也出现了几种套索专利,整个连接机构仅在具有略作调整后就完全抄袭原有的套索机构,并也同样沿用同形式的放大系数,而没有进行任何理论研究以及实验室的测试。更有甚至,有的专利已经被用于实际工程中,而对实际专利拥有人造成侵权,这些未经验证的机构也对建筑物安全产生不利影响。
应该指出,我国在专利申请与是否真是实用之间存在着巨大误区,一项专利如果被审批通过其实用性还存在极大不确定性,以笔者前文提及的某厂家抄袭的套索专利为例,这项专利存在根本性错误,但仍然获得完全外行的专利局的批准,在此情况下,只有通过整个阻尼机构的测试才能真正判断其是否可行。
电涡流阻尼这种利用简单物理概念的产品研发已经发展多年,在国内外宇航、汽车、机械、土建等领域里均有所应用。目前电涡流TMD以及纵向电涡流阻尼器已经有在工程中使用,由于纵向电涡流阻尼器不存在漏油的问题,并且电涡流所具有的速度相关性,然而,电涡流究竟是否能真正用于实际工程,是否有相关的检验测试规范,厂家是否有详细检验测试规范的装置,在经过几年试用后,对于使用者和积极倡导者应该通过公开的方式对工程界给出答案。
本文是目前对粘滞阻尼技术发展的阶段总结。这些技术发展至今,仍有诸多问题亟待完善,文中虽然提及但由于篇幅所限也并不深入。对于土木工程领域,任何新技术的应用都不能一蹴而就,不断提出不同的观点、在不同的角度看问题并最终各方形成统一观点,这应该是其健康有序发展的正确方式。
参考文献:
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