阻尼器 :一种通过阻尼力来控制振动和减缓动能的装置

更新时间:2023-09-08 11:49

阻尼器(Damper),又称阻尼板、减振器,是指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。通俗来说,阻尼器能够抵消构建物受到的外力,使得建筑物产生类似摩擦、弯曲、剪切等形式的变形来使构建物保持稳定,减小共振幅度。阻尼器基本上都由阻尼器壳体、阻尼器杆等部分组成,应用较为广泛的一些阻尼器会有阻尼器弹簧、阻尼器油封、阻尼器油管等部分。

阻尼器最开始是应用在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中的减振消能。20世纪70年代后,人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中。按照阻尼器相关性,可以分为位移相关型阻尼器、速度相关性阻尼器和混合型阻尼器。不同的阻尼器有不同的结构和特点及安装方式。

信息技术、智能技术和新材料科学迅猛发展背景下,多功能复合阻尼器的创新研发将成为未来的发展趋势。

发展简史

阻尼器作为一种减振消能装置,最开始是应用在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中的。

1925年美国Ralph Peo of Houdaille公司发明了Houdaille旋转阻尼器,20世纪60年代末到80年代,美国泰勒公司不断改进液体弹簧密封技术,阻尼器的密封漏油问题得到了较好地解决。

从20世纪70年代后,美国学者Kelly提出在结构中安装软刚阻尼器抗震的理念。其后,阻尼器的应用领域扩展到建筑、桥梁、铁路等结构工程中。

1980年后,美国Taylor公司发明了内部活塞头阻尼器,可在不同工作频率和速度、不同的温度环境下,均能够保持设计的本构关系。这种高科技产品需要阻尼器厂家在产品出厂前提供包括各种不同环境下完整统一的测试报告。20世纪90年代,美国国家科学基金会和土木工程学会等单位组织了两次大型联合,由第三者作出的对比试验,给出了权威性的试验报告。

1990年至1993年,液体阻尼技术通过广泛的测试被确认可用于抗震。军事应用的长期历史证明了此技术的可靠性。附加测试显示,液体阻尼器也可以很好地改进结构在风作用下的性能。消能减震技术已经广泛得到工程界的肯定。

2005年,阻尼器在中国建筑行业的发展北京银泰中心安置了73套世界最先进的Taylor公司液压黏滞阻尼器;在著名的郑州国际会展中心使用了36套TMD(Tuned Mass Damper,调谐质量阻尼器)系统。越来越多的设计工作者开始考虑和应用消能减震措施,中国的有关设计规范和相应规程也正在走向完善。阻尼器的应用迎来另一个发展的高潮。

2008年,中国人首次将电涡流技术用于风阻尼器,建造完成上海中心,其中位于126层大楼顶部,距离地面584米,重达1000吨的阻尼器,全称为“电涡流摆设式调谐质量阻尼器”,就应用了这种技术。

2010年,中国首次进行阻尼器测试,由广州大学抗震实验室对昆明长水国际机场阻尼器进行了测试,自此中国开始有了基本的阻尼器测试。

2019年,陈谨林带领的团队研发出了全球首创新型磁阻尼技术。

2022年6月28日至7月1日,在美国盐湖召开美国地震工程会议,会议主题为“重新构想风险与韧性”(Reimaging Risk and Resilience),集中体现过去四年世界各国学者在地震工程领域的最新研究成果。在抗震设计理念从“延性”到“韧性”的转变中,消能减震技术对结构抗震韧性提升方法与策略成为研究热点。

功能原理

阻尼器是一种结构消能减振的配件,从能量的角度来看,阻尼器能够通过增大结构的阻尼集中耗散输入的能量,从而避免和减少主体结构的损伤,由此达到减振的目的。这是一种“柔性耗能”的原理。通俗来说,阻尼器能够抵消构建物受到的外力,使得建筑物产生类似摩擦、弯曲、剪切等形式的变形来使构建物保持稳定,减小共振幅度。

结构

阻尼材料

阻尼材料是阻尼器中将机械振动能量变为热能而耗散的材料,主要用于噪声与振动控制。一般地,根据材料特性的不同,阻尼材料可以分为黏弹性阻尼材料、高阻尼合金、复合材料及摩擦阻尼材料等类型。选用合适的阻尼材料,可以让阻尼器能够抵消构建物受到的外力,使得建筑物产生类似摩擦、弯曲、剪切等形式的变形来使构建物保持稳定,减小共振幅度。

阻尼结构

虽然阻尼器有较多分类,但在结构上有相通之处,基本上都由阻尼器壳体、阻尼器杆等部分组成,应用较为广泛的一些阻尼器会有阻尼器弹簧、阻尼器油封、阻尼器油管等部分。阻尼器壳体是阻尼器的主体部分,由内外两个圆筒体组成,阻尼器弹簧可以带走振动能量并缓冲能量。

不同类型的阻尼器的构造在细节处也有不同,例如不同类型的阻尼器的阻尼器杆有所不同,一般可以分为单出杆式与双出杆式。

主要分类

阻尼器按照不同的标准有不同的分类。按照阻尼器的相关性,可以分为位移相关型阻尼器、速度相关性阻尼器和混合型阻尼器,按照阻尼器的耗能材料,阻尼器可以分为金属阻尼器、黏弹性阻尼器、粘滞阻尼器和智能材料阻尼器,按照阻尼器的结构类型分,有液体阻尼器、气体阻尼器和电磁阻尼器三类。实际上,不同的分类标准分出的阻尼器类型有所交叉,比如金属阻尼器,既属于位移相关型阻尼器,又属于应用了金属耗能材料的阻尼器。其中,不同类型的阻尼器的构造原理也有不同,例如位移相关型阻尼器通常由塑性变形性能好的材料组成,在地震往复作用下通过塑性滞回耗能来耗散地震能量,速度相关型阻尼器则通常由黏滞或黏弹性材料组成,在地震作用下利用黏滞和粘弹材料的特性来耗散地震能量。

按阻尼器相关性

阻尼器按相关性,分为位移相关型阻尼器、速度相关性阻尼器和混合型阻尼器。

位移相关型阻尼器

位移相关型阻尼器是指其耗能能力与位移大小相关的阻尼器。通常由塑性变形性能好的材料组成,在地震、台风等自然灾害的往复作用下通过塑性滞回耗能来耗散能量,如摩擦型阻尼器、金属阻尼器等。

摩擦阻尼器

摩擦阻尼器是由摩擦片和金属组合材料通过施加预紧力组成,利用滑动摩擦来做功来达到耗能的目的的阻尼器,具有耗能能力强,荷载的大小、频率对阻尼器的性能影响不大,构造简单、取材容易、造价低廉等特点,常被应用在控制结构近断层地震反应和中高层结构地震反应领域。根据摩擦阻尼器的构造和耗能机制不同,又主要划分为以下几类:节点型摩擦阻尼器、板式摩擦阻尼器、筒式摩擦阻尼器和复合型摩擦阻尼器,其中,1982年,由Pall和Marsh提出的十字型双向摩擦阻尼器是摩擦阻尼器中最为经典的一种,这种阻尼器被应用于加拿大、美国和印度的多幢民用及工业建筑中。

金属阻尼器

金属阻尼器主要由软钢、低屈服点钢和铅等金属材料组成,由于金属滞回性能相对较好,在滞回变形的弹性阶段不吸收能量,所以在受到强震动作用时,金属阻尼器能够在主体结构发生塑性变形前率先发生屈服,以此达到缓冲减震的目的。金属阻尼器是在20世纪70年代,由Skinner和Kelly建议应用于减震领域的,它通常应用于各种类型的建筑结构,金属阻尼器最早应用于实际工程中是在新西兰的一幢六层政府办公楼。

速度相关型阻尼器

速度相关型阻尼器是指其耗能能力与速度大小相关的阻尼器。通常由黏滞或黏弹性材料组成,在地震作用下利用黏滞和粘弹材料的特性来耗散地震能量。主要分为黏滞阻尼器和粘弹性阻尼器。

粘滞阻尼器

粘滞阻尼器是一种利用粘滞液体的运动,通过孔隙或间隙,将流体动能转化为热能,达到消耗地震能量目的的阻尼器。粘滞阻尼器使用的的流体介质主要有液压油、有机硅油、硅基胶及特种悬浊液几类,粘滞阻尼器根据阻尼力的产生原理不同可以分为缸式粘滞流体阻尼器、圆筒式粘滞阻尼器及粘滞耗能墙体。粘滞阻尼器主要应用于军事、机械工程、空间结构和建筑结构等领域。

黏弹性阻尼器

黏弹性阻尼器是指由黏弹性材料和约束钢板或内外约束钢圆筒组成的阻尼器。黏弹性阻尼器主要利用钢板或圆筒的错动使黏弹性材料发生剪切变形产生阻尼力来达到耗能的目的,其耗能特征与阻尼器两端速度有关。1969年,黏弹性阻尼器被设置在美国纽约的世贸中心大厦的双塔上,以此来抵抗风荷载,这是黏弹性阻尼器首次用于结构振动控制。按照中国颁布的标准,黏弹性阻尼器主要有平板式和圆筒式两种类型,其中平板式黏弹性阻尼器中黏弹性材料层数较多,剪切面积大,耗能能力强,可以适应于各种情况下的建筑结构消能减震,而圆筒式中的黏弹性材料层数相对较少,耗能能力较弱,一般适用于大跨网架等对阻尼器外形有特殊要求的结构。

复合型阻尼器

复合型阻尼器是将不同类型的阻尼元件根据不同的实际工程需要进行合理的组合的阻尼器。复合型阻尼器可以由多个分支阻尼器协同耗能,并且在同一个阻尼器中,可以采用多种不同机制进行耗能。美国最开始采用基础隔震和粘滞阻尼器联合设计的方式来提高建筑的抗震能力。而后的研究者又分别研制出金属圆环—摩擦复合阻尼器、铅粘弹性复合阻尼器、钢管铅芯阻尼器、铅粘弹性阻尼筒阻尼器等多种类型的阻尼器。这类阻尼器比普通单一机制阻尼器具有更大耗能能力和适应范围。

按阻尼器耗能材料

阻尼器按照耗能材料,分为金属阻尼器、黏弹性阻尼器、粘滞阻尼器和智能材料阻尼器。

按阻尼器结构

阻尼器按结构类型分,有液体阻尼器、气体阻尼器和电磁阻尼器三类。

主要特点

与传统抗震的方式相比,应用阻尼器来防风抗震有如下特点:

1.安全性更高。因为地震具有随机性,且传统抗震加固方法以“设防烈度”为标准进行设计,因此无法抵御高于本地区设防烈度的突发性的地震。阻尼器的应用可以提供更高的安全性。

2.对于某些不允许破坏的特殊用途的建筑物,阻尼器无需利用结构构件本身储存和消耗能量。

3.阻尼器的应用降低了工程造价。

阻尼器种类繁多,常见阻尼器的特点如下:

应用领域

交通运输(包括航空航天、汽车、船舶等)

在航空航天领域中,干摩擦阻尼器具有结构简单、减振效果明显、经济性好的特点,特别是对温度变化不敏感的优势使其在航空发动机结构部件的减振设计中得到了研究与设计人员的青睐。阻尼器在汽车领域中的应用,可以使发动机舱的振动、噪声得到较理想的降低,提高乘坐的舒适性,避免污染周边环境。阻尼器在船舶领域的应用,可以解决因为船舶多振源系统导致的船体结构处于疲劳状态、缩短船舶寿命等问题。

工程建筑(包括轨道交通、桥梁、抗震建筑等)

阻尼器在轨道交通领域的应用,可以避免列车运行时产生的振动与噪声对车内司乘人员产生干扰,降低隧道、桥梁、轨道等结构长期受振动影响造成的损伤。阻尼器在桥梁领域的应用,可以降低因为车辆快速通过桥梁导致的桥梁横向振动幅度过大对桥梁造成的损坏,同时保障人们的生命安全。阻尼器在抗震建筑领域的应用,可以减小建筑结构所受的地震和风振反应,保护建筑主体结构及构件在强震中免遭破坏,确保主体结构的安全。

其他领域(包括洗衣机等)

当洗衣机在脱水工作状态时,噪声远大于洗涤状态,再加上在脱水时桶内衣物分布不均匀,使桶在高速旋转时产生严重不平衡,有时会引起整个洗衣机跳动或平移,导致洗衣机与地平的撞击声,达到洗衣机振动及噪声最严重的状态。阻尼器在洗衣机上的应用,可以有效解决这种情况。

发展趋势

未来趋势

多功能复合阻尼器

信息技术、智能技术和新材料科学迅猛发展背景下,多功能复合阻尼器的创新研发,以及构建以其为核心构件的消能减振结构体系将成为未来的发展趋势,随着可恢复功能结构理论和技术的不断完善,不仅成为结构振动控制领域中一个崭新的发展方向,也必将开辟新的可能。

韧性减震装置

伴随着抗震设计理念由“延性”到“韧性”的转变,消能减震技术对结构抗震韧性提升方法与策略已经成为消能减震技术研究领域新的学科交叉与生长点。已有科学家提出一种沙阻尼器,对其特质进行表述时首次采用了“sustainable”(可持续的)一词。这也透露出随着抗震设计理念由“延性”到“韧性”的转变,韧性减震装置将成为消能减震技术发展新趋势。

面临的问题

虽然消能减震技术的发展和应用已经取得了较大进展,但仍有许多问题需要讨论和研究:

1.地震和风荷载作用下软钢阻尼器变形并累积,钢材硬化严重。

2.消能减震技术已在各类建筑结构中得到了广泛的应用,但每种阻尼器各个参数对不同类型结构减震效果的影响机制仍不明确。

3.目前阻尼器设计、制造以及安装尚无系统完善的规范和标准,并且缺乏统一的减震效果评价机制。

4.目前关于如何观测和评价阻尼器在地震作用后的变形,如何在震后及时维修更换阻尼器的研究较少。

5.关于干摩擦阻尼器的相关实验研究,研究人员还开展得不够,特别是在干摩擦问题的分析过程中,一些重要的参数目前还需要通过试验来获得。

6.阻尼器产品仍然不能解决漏油问题。

材质与工艺

材质

根据材料特性的不同,阻尼材料可以分为黏弹性阻尼材料、高阻尼合金、复合材料及摩擦阻尼材料等类型。

工艺

制造阻尼器通用的主要工艺有焊接工艺、焊后热处理工艺、粘接工艺等。阻尼器的焊接工艺是一边采用气体保护焊,一边采用脉冲焊接的工艺流程,这种焊接工艺可以提高阻尼器疲劳性能。焊后热处理工艺主要流程是对钢板进行焊接组装并整体加热,保温一段时间后随炉冷却,再出炉空冷至室温,等完全冷却至室温后,将翼缘与连接板的四个焊缝采用机械方法打磨光滑。粘接工艺是一种会对硫化后的阻尼器进行修边处理的工艺。

规范标准

制造商与品牌

华中建科(北京)工程科技有限公司

华中建科(北京)工程科技有限公司坐落于北京市丰台区。业务涵盖特种工程施工、结构减震设计、抗震产品(阻尼器和支吊架)开发、工程创新技术转化等。参与了世界上多项工程的消能减震设计和产品开发,并与台湾大学、东京大学、日本清水建设株式会社技术研究所、同济大学等多家科研机构成立了业务和技术交流机制。先后开发了一系列抗震应用技术和消能减震产品。

迈格钠磁动力股份有限公司

迈格钠磁动力股份有限公司成立于2012年5月,是中国首家专注磁科技应用产业的企业、国家首批绿色工厂、国家高新技术企业,设有行业内全国首个示范院士工作站、省级企业技术中心、省级企业工程技术研究中心,公司在永磁涡流传动技术基础上,研发了用于风电行业的永磁阻尼器。

美国洛德公司

美国洛德公司是国际上最大的磁流变液产品生产厂商,已有多种类型的磁流变阻尼器在市场上销售。LORDRD-8040-1系列磁流变阻尼器,适用于工业悬架,通过改变磁场强度来控制磁流变液的屈服应力,从而得到连续、可控的阻尼力。

美国泰勒公司

泰勒公司开创了阻尼器的新纪元。在经过大量阻尼器试验后,采用了双出杆、小孔激流的内部构造,使阻尼器高度平衡。这种新型阻尼器淘汰了卡壳的阀门装置,因为它不仅不需要使用5--10年后更换供油系统,也无需重新更换气囊。

注意事项

安装方式

目前阻尼器的安装方式主要有四种:斜向型、人字型、剪刀型以及套索型。在安装阻尼器时,需要根据构造的复杂程度,安装的方便程度、施工难度及占用空间大小等问题,然后根据不同的情况来决定安装方式。

维护保养

阻尼器一般被设计成具有三十年以上的使用寿命且免维护。但根据不同使用场合,突发事件等情况还应做如下的维护管理:安装1年后做初期检查;竣工后3年、5年、10年,10年以后每10年定期检查一次;发生强烈地震、遭遇强风火灾等建筑受灾情况应及时检查。

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