建筑用液体粘滞阻尼器设计方法简介

1．阻尼器应用的设计目标和理念
传统建筑，无论木结构，钢筋混凝土，钢结构已经有上百年的抗风，抗震历史，为什么提出在这些建筑中添加阻尼器？精简总结，有以下几点原因：
●对于一些使用要求较高的建筑结构（超高层，大跨结构等），地震，抗风形成动力难题，需要更合理
的解决办法；
●对比其他传统方案，减少结构受力体系的造价；
●科学不断发展，开辟了解决结构工程问题的新思路；可以使结构最大限度的保持在弹性范围内工作，
为结构提升安全保障。

以某抗震加固工程为例，我们对剪力墙（传统方案）和液体粘滞阻尼器两个方案从理念和计算结果作了如下对
个目的。

A
B
一理念。

在所有可能发生地震的地区，我们主要想提出推广的这一设计理念。

国外有的工程，在结构的小振设计中也充分利用施加了阻尼器的优越。

他们大胆的用加阻尼器后的修正反应谱作结构的设计。

C．减少附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动
在破坏性地震震害分析中，结构内部附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动和破坏越来越引起我们的注意。

从经济上看，这些内部系统的价值可能远远超过结构本身。

增加结构保护系统出于保护这一附属系统就不奇怪了。

应该说，采用阻尼器系统减少医院、计算机房、交通及航空等重要控制中心内部附属设备的振动是非常必要的。

D．解决常规办法难予解决的问题
在结构设计中有时遇到高地震烈度、土质情况恶劣的地区，单纯的加大梁柱的尺寸会引起结构刚度增加，结构的周期减小，其结果可能引起更大的地震力。

结构落入这一恶性循环中。

有时用常规的办法难于解决。

着名的墨西哥市长大楼就提供了一个解脱这一恶性循环的榜样。

结构抗震如果使用液体粘滞阻尼器，本身没有刚度，也就不会改变结构的频率，阻尼器增加了结构的阻尼比，起到耗能的作用，比较容易解决这一困难问题。

在高烈度地震区，设计变得很困难的情况下，建议加入液体粘滞阻尼器重新作一下分析，可能你会得到预想不到的好结果。

E．结构上的其它需要
除了提髙结构主体的的抗震抗风能力外，阻尼器还能在很多其他方面的抗振动上对结构有所帮助，可以汇总如下：
●大跨空间钢结构，体育场馆，特别是开启式屋顶运动中的减振
●超高层钢结构建筑抗风的TMD系统
●减少楼板和大型屋盖垂直振动的TMD 系统
●配合基础隔震的建筑，加大阻尼，减少位移
●设备基础减振
●特别重要的建筑----核电站、机场控制室
●
●
●
3.
1）
2）
●
●
●
●
●
●
3.1
对角支撑。

注意：这样使用的阻尼器应为一端饺接、一端固结，两端铰接会形成三饺一线的失稳状态。

某结构安置的对角支撑阻尼器
,
图3－2 某结构安置的人字形支撑阻尼器
对于一些超高层结构，设计者通过计算发现，如果将加强层切开，放大了有弯曲变形带来的垂直相对位移，将阻尼器竖向放置，可以得到很好的减震效果。

－3 某结构安置的垂直放置阻尼器
3.2 以减少振动中位移为直接目的的阻尼器
3.2.1 配合基础隔振加设的阻尼器
基础隔振改变了结构的周期，可以大大减少结构在地震中的受力。

柔性的连接将地震荷载转化消耗到结构的运动中，起了很大的减震作用。

然而，它附加产生出的位移经常是工程界难以接受的。

阻尼器可以成功地减少这一振动中的位移，它已经成为基础隔震系统中必不可少的孪生手段。

用于结构整体减少振动的隔振系统中的阻尼器应该通过计算，吨位不易过小。

图3－4 配合基础隔振使用
3.2.2 减少整体结构水平振动的TMD系统
常用于高层、超高层结构抗风的TMD(Tune Mass Damper)和LMD( Liquid Mass Damper)是利用一种更为巧妙的办法减少水平风振。

在一个主要结构上加设一个与目标减振振型频率一致的小结构，就可以起到减少主结构动力反应的目的(参见附录)。

而阻尼器是为了减少这个附加共振“小体系”的运动（图3－13）。

台湾101大厦的TMD系统就是这种体系应用的典型。

图3－5 台湾101大厦配合TMD系统安置
图3－5 其他配合TMD系统安置
3.2.3 减少整体或局部垂直振动的TMD系统
以减少楼板或层盖的垂直振动为主要目的的TMD系统是花钱不多效果显着的好办法。

工程中常用到到的有以下几类：
●减少大型屋盖垂直振动的TMD系统。

●减少楼板垂直振动的TMD系统。

●空中走廊，过街天桥上安置的TMD系统。

图3－5 其他配合竖向TMD系统安置
4. 液体粘滞阻尼器（Fluid Viscous Dampers）
我们常用阻尼器，未加说明时都是指这种阻尼器。

=
F CVα
这里，
5.
5.1
5.2
5.2.1
●
●
●
●
●
5.2.2
请注意以下几个参数的取值问题：
设计阻尼比的选择
在设计阻尼器前我们首先要设定一个目标阻尼比，通常我们建筑结构的阻尼比在1%～5%之间，原则上我们可以提高到20%～50%甚至更高，我国抗震规范则提出附加阻尼比不易超过20％。

美国ASCE－7限制阻尼比在35％以上选用。

这是因为当附加阻尼超过35％时，结构的减震效果明显降低。

一般按经验，我们常选定在20%左右。

速度指数的确定
我们在有关阻尼器的中，已经介绍过关于速度指数上的问题。

阻尼器可以按照用户选定的速度指数α进行设计，用于土木结构的阻尼器速度指数一般可以取0.1～1之间。

A)线性阻尼器的阻尼力与阻尼器作用速度成线性关系，提高了耗能效果的非线性阻尼器可以在保证达到同样的减振效果的同时，降低30％以上阻尼出力，从而也减小在大震下阻尼器连接件的负荷。

B)一般的说，虽然速度指数越小时可以消耗较多的能量。

5.2.3 计算原理和步骤
我国抗震规范规定：消能减震结构的地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按规范（抗震规范）5.1.5条的规定采用。

当建筑结构的阻尼比按照有关规定不等于0.05时，地震影响系数曲线的阻尼调整系数和形状参数为： 曲线下降段的衰减指数0.050.90.36ξγξ
-=++；（1） 阻尼调整系数20.0510.08 1.6ξηξ-=++； （2）
消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比之和
算：
位移；系数；出线性与非线性阻尼器之间的等效转化公式，很多设计者在实际工程中难以直接采用这种计算方法，因而很难精确确定附加阻尼比的大小，未能在实际设计中考虑附加阻尼比对结构抗震能力的改善，
结合美国相关规范计算线性阻尼器和非线性阻尼器的等效方法，此处对我国抗震规范对应环节做出如下补充：
对于工程采用非线性阻尼器的情况，需将非线性阻尼器阻尼系数等效转化为线性阻尼器阻尼系数之后再通过我国抗震规范推荐的方法进行附加阻尼比公式计算。

首先根据结构相关信息求出阻尼器的最大运动速度
2221(2/)cos j j j v T u πθ=∆ （6）
j v 为第j 个消能部件在结构预期层间位移j u ∆下的最大运动速度；
通过阻尼器的最大速度和线性阻尼系数求出线性阻尼器的最大出力
j j j F C v = （7）
式中j F 为第j 个消能部件在结构预期层间位移j u ∆下的最大出力，
再根据相同速度工况下阻尼器出力相等的等效公式求解阻尼器的非线性阻尼系数
''j j j j j F F C v α==（8）
'/j j j j j C C v v α=（9）
式中'j F 为第j 个非线性消能部件在结构预期层间位移j u ∆下的最大出力，j j v α第j
5.3 SAP2000I ． II ． III ． IV ． V ． VI ． 决。

在进行时程分析过程中，很重要的一步就是选择有效的地震波加速度数据。

所选用的地震波应与结构所处的场地和设计反应谱相符，选取地震波时应注意以下内容：
1) 所选取的地震波的场地类别与工程场地特征周期应相同或着比较接近，同时可参照结构第一振动周期；
2) 应根据该地区抗震设防烈度调整地震波的加速度峰值；
3) 地震波所持续的时间应保证结构的非线性工作可以全部展现，其持续时间至少应为结构自振周期的2～3倍；
4) 选用波形的数量，根据我国抗震规范之规定，应不少于两条天然波和一条人工模拟波；在美国ASCE －7标准中要求计算7条以上的地震记录并取平均值作为设计考虑。

5) 人工地震波可以模拟设计反应谱，也可以按照场地特性进行合成。

5.3.2 阻尼器的计算参数
阻尼器的位置及参数设定是一个需要反复调整及迭代的过程。

目前由于非线性阻尼器具有较高的耗能能力，应用较多，但同时由于阻尼力的非线性也增加了计算的难度。

一般来说，非线性粘滞阻尼器的减震特点是：在阻尼系数一定时，如在0.1-1范围内随指数增大，同样阻尼力的情况下控制效果可能下降，耗能能力降低；当阻尼指数一定时，随阻尼系数的增大，阻尼力逐渐增大，控制效果逐渐增强，层间位移成减少趋势， 当然，输出阻尼力大了阻尼器的费用也就随之增加。

图5-2 非线性阻尼元件图示
在分析时只要将阻尼器的参数输入相应程序的“对象单元”中，就可以得到相应的受力和地震反应。

在Sap2000中，对于阻尼器的模型采用Maxwell 模型，由非线性阻尼元件与弹簧串联组成，如图5-2所示。

其非线性力-位移关系为：
exp c k c F kd cd == （5-17）
单元总变形为弹簧变形与阻尼变形之和：
k c d d d =+ （
c d 为阻尼变形速率。

阻尼指数
度的100图5.3.3 的非线5.3.4● ● 楼层加速度的比较（Floor Accelerations ），一方面反应了结构在脉动风作用下舒适度情况，另一方面则表明通过设置阻尼器可以降低结构构件在地震作用下的受力；
● 基底剪力在控制前后的比较（B ase Shear ），对于一些基底剪力不足的结构加固工程，这经常是一项控制指标，代表着结构柱受到剪力的削弱情况；
● 顶点位移的比较（Roof Displacement ），某些规范的控制指标。

一方面可以通过数字列表的方式进行对比，也可采用图形的方式进行效果分析（如下图所示）。

图5-4 时程曲线对比(位移)
需要补充的是，规范要求各地震输入的时程分析计算结果应与设计反应谱的计算结果对比，其误差要控制在一定的范围之内。

如抗震规范要求采用弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

最后，需要订货采购的阻尼器应列出下表中的各个参数。

这些都是生产阻尼器时所必须知道的。

表5-6 定货阻尼器的主要参数
图5-3 Sap2000非线性阻尼器
5.4
6.
（图6－2
说明。

TMD
设置TMD
的刚度k TMD系
系统会
1．
2．TMD装置可以比较容易的安置在已设计好甚至是已建造好的建筑物上。

3．设计较理性的TMD装置可以在增加较小质量的前提下提高阻尼比。

请参考图二和图三的关系曲线。

其中图三所示TMD仅增加了原结构质量的1%，但却带来了很大的阻尼，在调谐正确的情况下可以达到5%。

4．TMD系统并不会影响原结构的刚度和静态受力情况。

5．设计TMD系统时，可以对通过简单经济的实验测试和分析来确定原结构的相关性能。

事实上，用于实验的原结构模型可以很简单，仅根据单一的目标振型。

TMD的主要缺陷就是它是一种“作用范围小”的设备，它仅可以提高固定频率接近其本身频率的阻尼比。

这就意味着如果目标频率范围很大的时候，我们需要加大的安置TMD装置的数量以提高振型的阻尼。

通常应用中TMD装置在设计和使用时最关键的是阻尼器设备，它是装置中提供和相对速度成比例的缓冲阻尼力并且将机械能转化成热能的部分。