具有特殊功能的液体粘滞阻尼器的设计与使用-奇太振控

具有特殊功能的液体粘滞阻尼器的设计与使用

马良喆曹铁柱陈永祁

(北京奇太振控科技发展有限公司北京100037)

摘要：随着液体粘滞阻尼器在工程中的广泛应用和发展，工程师们经常会提出各种不同减震需求。这些需求带来了适于不同使用功能阻尼器的创新和发展。本文将介绍几种近几年创新的具有特殊功能的液体粘滞阻尼器，供设计者选用时参考选用。同时，我们也希望我们的桥梁工程师，根据桥梁设计功能上的各种需要，和我们合作，创新出其它功能的阻尼器。为我国和世界阻尼器在桥梁上的应用作出新贡献。

关键词：锁定装置，熔断阻尼器，液体粘弹性阻尼器，位移限位阻尼器，金属密封无摩擦阻尼器，带特殊熔断的锁定装置，新型斜拉索阻尼器，变阻尼系数阻尼器，预载流体阻尼器；

The Design and application of the Fluid Viscous Dampers with special Functions

Liangze Ma1,Yongqi Chen1, Tiezhu Cao1

(1.Beijing Qitai Shock Control and Scientific Development Co. Ltd., Beijing 100037, China)

Abstract: The application of Fluid Viscous Damper for Civil engineering had been developed widely, the engineers always prompted some requirement for the purposes of vibration reduction, it bring the forth new ideas and kinds of dampers with different functions. Here nine kinds of viscous dampers with special functions developed in these years were introduced. It could be the reference for the designer. We also expect the bridge engineers could create more new ideas in their design work depend on the bridge purposes. It will be the new contribution for the application of dampers in bridge areas.

Key words: Lock-up devices, Fuse Damper, Fluid Viscoelastic Damper, Limited Displacement Damper, Frictionless Hermetic Damper, Lock-up Fuse Devices, New Cable Damper, Variable Coefficient Damper, Pressurized Fluid Dampers.

1.前言

常规的粘滞阻尼器所具有的工程效果这些年逐渐显现，安置这类阻尼器已经成为建设大跨度桥梁必不可少的一部分。此外，一些具有创新和开拓精神的工程设计者常常不满足与此，希望这些产品能够具有一些特定功能，来完善桥梁在运行过程中的更多动力性能要求。

同时随着生产技术的发展，制造这种能提供特殊功能需要的阻尼器已经成为可能，并逐渐得到实现和在工程中得到应用。这些特殊功能的阻尼器，有的在前几年就已经生产出并得到广泛应用，也有的是近几年得到研究和发展出并得到应用的新型阻尼器，总体说来这些新型阻尼器可以归纳如下：

1.液体锁定装置

2.熔断阻尼器和风限位阻尼器

3.液体黏弹性阻尼器

4.液体位移限位阻尼器

5.金属密封无摩擦阻尼器

6.带特殊熔断的锁定装置

7.新型斜拉索阻尼器

8.变阻尼系数阻尼器

9.预载流体阻尼器

这些新型阻尼器中，大部分在我国都没有得到应用。介绍这些新型阻尼器，意义在于让桥梁工程师们进一步开阔思路，应用更多不同功能,并进而设计出更多的新型产品，推动我国桥梁和建筑事业的新技术发展。在以下阻尼器类型中，变阻尼系数阻尼器、预载流体阻尼器目前还主要用于科学研究，在工程中并未得到广泛的应用。我们仍想介绍一下，为科研和工程发展留下余地。

2.具有特殊功能的阻尼器

2.1.液体锁定装置

锁定装置LD（Lock-Up Device/Shock Transmission Unit）是内部结构经过简化的液体阻尼器，是以液体阻尼器的基本技术为发展产生的。它不同于液体阻尼器，它不能耗散能量；相反，在地震和风振发生的瞬时，液体阻尼器通过动态连接杆有效地将质量块锁在一起，所以当瞬间振动出现时

安装了锁定装置的多结构体系就会完全像一个独立的整体做出反应。

与普通耗能阻尼器一样，它在温度等慢速作用下可以自由运动，当速度超过其控制值时，它会像汽车中的安全带一样将运动锁住，起到分散和转移受力的作用。确切地说，它仅是一个¡0¡1¡开关。最初，在缓冲器中的硅质胶泥就被美国ASSHTO 规程允许用在锁定装置里。后来，欧洲和美国均使用性能稳定的硅油作锁定装置的黏滞材料。

锁定装置如图2所示，是一种类似速度开关的限动装置，当桥梁运动到某一速度时启动并锁定装置上两个安置点间的相对位移。它在桥梁上的工作原理就像汽车上的安全带。在慢速运动中它不限制。在急速运动中会起到制动作用。该装置不能耗散能量。用在大桥上的锁定装置，在温度和正常活荷载下可以自由变形；但对于中小地震荷载、较大的风荷载带来的桥梁各部分间的运动，受力和碰撞，可有效地起到减少、转移和限制作用。锁定装置的控制速度通常选择在0.127～0.25mm/sec 之间。

锁定装置可以用下列公式来模型化。设计人员要预先设定一个速度开关0V ，在0V V >时锁定装置可按一个刚性连杆计算，计算出的锁定力为：

0max 0

0V V F F V V ≤=>⎧⎨⎩

（1） 其中max F 为最大锁定力。

在锁定装置的发展过程中，欧洲一些阻尼器厂家应用过内置硅胶的锁定装置，可以具备速度锁定功能，但因硅胶受温度影响大，很难被控制，达到有效的锁定速度、闭锁速度、控制要求的锁定位移。 2.2. 熔断阻尼器

根据不同的工程要求，设计工作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。对于大风和大地震、超过了一定动力荷载时，阻尼器则开始相对运动，并消耗振动能量。

熔断阻尼器（Fuse Damper ）可以很好地实现这一愿望。这种阻尼器比一般的液体粘滞阻尼器多一个金属熔断装置，起到控制开关作用。在美国旧金山附近的Richmond San Rafael 大桥上，泰勒公司提供了设计值为2270kN 的熔断阻尼器装置，装置上设计了在1250kN （F o ）时断裂的金属保险片。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1250kN 时，金属片限制了阻尼器两端的相对运动；如果地震导致了1250kN 甚至更大的荷载时，

金属保险片断裂，阻尼器将像一个一般的2270kN 的阻尼器那样耗能工作。保险片断裂以后，只要简单地更换保险片，阻尼器可继续使用。金属熔断阻尼器的计算模型为：

000

0F F F F CV

F F α

<⎧⎪=⎨≥⎪⎩～ （2）

0F 为金属熔断开关力；

图1 加州里奇蒙德大桥熔断阻尼器

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位移，进而限制了温度变化下的相对位移。要想在温度变化大的桥梁上使用，可以在桥梁的另一端使用普通阻尼器。放开可能的温度变形。旧金山附近的Richmond San Rafael 大桥就这样应用的。

工程中，只要我们设计的桥允许单边固定，另一端放开并有抗震要求的情况，就适于应用这种阻尼器。

2.3. 限位阻尼器

2.3.1. 带限位阻尼器概念设计

大家知道，我国苏通大桥在世界上首创使用了这种限位阻尼器。早在苏通大桥设计之初（2004年），中交公路设计公司和同济大学就首次提出了带限位阻尼器(Limited Displacement Damper)的概念。考虑到苏通长江大桥桥位风速大、风况复杂、抗震要求高，为了防止预想不到的静力荷载、特大风可能给桥梁带来的超量位移，需要加设限位装置。大桥设计者为了减少需要维护管理的装置，设计了一种创新的带限位的阻尼器。

在常规阻尼器的基础上在阻尼器运动的双方向上加设限位装置。当该阻尼器最大相对位移超过¡750mm 时，阻尼器进入两端限位阶段。限位由非线性合成弹性单元（用弹簧表示）实现。限位可达最大附加位移¡100mm ，限位力可达10000kN 。限位阻尼器的计算公式应为：

m ax lim

m ax

0C V D D F F D D α⎧≤⎪=⎨→>⎪⎩ （3）

其中，F lim 为最大限位力，D max 阻尼器开始限