建筑消能减震-阻尼器

一、消能减震结构的发展与应用：
利用阻尼器来消能减震并不是什么新技术，在航天航空、军工枪炮等行业中早已得到应用。

从20世纪70年代后，人们开始逐步地把这些技术专用到建筑、桥梁、铁路等工程中。

在美国，20世纪80年代开始，美国东西两个地震研究中心等单位做了大量试验研究，发表了几十篇有关论文。

90年代美国科学基金会和土木工程协会组织了两次大型联合，给出了权威性的试验报告，供工程师参考。

在我国，1997年，沈阳市政府大楼的抗震加固中首次采用了摩擦耗能装置，其后北京饭店、北京火车站和北京展览馆等多座建筑中应用消能减震技术。

在日本，目前已有超过100多栋的建筑物采用消能减震技术。

现代高层建筑日益增多，结构受地震和风振影响十分明显，减小结构所受的地震和风振反应，成为结构设计的一个重要方面。

消能减震阻尼器，通过增加结构阻尼，耗散结构的振动能量来达到减小结构所受振动。

（1）“阻尼”是指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以此一特性的
量化表征。

（2）《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中：
2.1.1 高层建筑：10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅
建筑和房屋高度大于24米的其他高层民用建筑。

（3）《民用建筑设计通则》GB50352-2005中：
3.1.2建筑高度大于1OOm的民用建筑为超高层建筑。

二、阻尼器耗能减震原理：
耗能减震的原理可以从能量的角度来描述。

传统结构：Ei =Er+Ed+Es
耗能结构：Ei =Er+Ed+Es+Ea
Ei为地震时输入结构的总能量；
Er为结构在地震过程中存储的动能和弹性应变能；
Ed为结构本身阻尼消耗的能量；
Es为结构产生弹塑性变形吸收的能量；
Ea为耗能装置消耗的能量；
（其中Er为能量转换，并不是能量的消耗。

）
（1）传统结构中：
构件在利用其自身弹塑性变形消耗地震能量的同时，构件本身将遭到损伤甚至破坏。

（2）在消能减震结构中：
耗能（阻尼）装置在主体结构进入耗能状态前率先进入耗能工作状态，耗散大量输入结构体系的地震、风振能量，则结构本身需消耗的能量很少，主体结构反应将大大减小，从而有效地保护了主体结构，使其不再受到损伤或破坏。

三、阻尼器的种类：
阻尼器种类繁多，我国将其分为位移相关型和速度相关型。

(1)位移相关型阻尼器的耗能与其自身变形和相对滑动位移有关，常用的有金属阻尼器和摩擦阻尼器。

(2)速度相关型阻尼器的阻尼特性与加载频率有关，常用的有粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器。

（一）金属耗能阻尼器
一种位移相关型阻尼器，主要用于减小地震响应。

利用金属不同形式的弹塑性滞回变形来消耗能量。

目前已开发和利用的主要有：钢棒阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金、软钢阻尼器等。

（滞回特性指材料在受外界干扰产生变形时具有企图恢复原有状态的抗力的特性。

）
➢加劲阻尼（ADAS）装置（软钢阻尼器）：
加劲阻尼（ADAS）装置是由数块互相平行的X形或三角形钢板通过定位件组装而成的耗能减震装置。

安装在人字形支撑顶部，在地震作用下，框架层间相对变形引起装置顶部相对于底部的水平运动，使钢板产生弯曲，利用弹塑性滞回变形耗散地震能量。

具有长期可靠并不受环境与温度影响的特点。

如图所示
（二）摩擦耗能阻尼器：
摩擦耗能器是一种位移阻尼器，主要用于减小地震响应。

通过构件相对位移时产生摩擦做功而耗散能量。

目前已有多种不同构造的摩擦耗能器，如Pall型摩擦耗能器、摩擦筒制震器等。

➢ Pall型摩擦耗能装置
加拿大学者A.S.Pall发明。

该装置为一正方形连杆机构，与x形支撑相连。

一种可滑动而改变形状的机构。

而摩擦力取决于板间的挤压力，挤压力可以通过松紧板上的高强螺栓来调节。

（摩擦节点板）
该装置按正常使用荷载及小震作用下不发生滑动，而在强烈地震作用下，在主体构件尚未发生屈服现象前，（弹塑性形变分界点）装置即产生滑移以摩擦功耗散地震能量，达到消能减震目的。

（三）粘弹性阻尼器(VED)
粘弹性阻尼器是一种速度相关型耗能装置，既可用于减小风振也可减小地震作用。

1 材料：
粘弹性材料又称粘弹性阻尼材料，是一种高分子聚合物，性状介于有粘性液体和弹性体之间体，具有储备能量和耗散能量的特性。

2 构造和性能
构造：
(1)自由阻尼层：是在需要减震的结构构件表面直接粘贴或者喷涂粘弹性材料，这样既能减震又能降噪，同时还具有装饰效果。

原理：将一层一定厚度的粘弹阻尼材料粘贴或喷涂于基板表面上，当基板产生弯曲振动时，阻尼层随基层一起振动，在阻尼层内部产生拉压变形而耗能，从而起到减震降噪的作用。

(2)约束阻尼层：是上一种形式的延伸。

由约束钢板和粘弹性材料组成，约束钢板由两块T型和一块矩形
的钢板及粘弹性材料夹层构造而成。

粘弹性材料与钢板的结合表面的处理方法也随着材料成分和特性的不同而采取各种方法。

其基本形式如图：
原理：粘弹性材料随约束钢板往复运动，通过粘弹性阻尼材
料的剪切变形来耗散能量。

性能：
采用粘弹性阻尼器可以有效地减小结构的位移反应和加速度反应，同未加阻尼器结构相比，结构的一般位移反应可以减小50％~80％，加速度反应可减小30％~60％。

作为阻尼耗能材料的粘弹性材料，其受到温度、频率等多种因素的影响。

（1）随着环境温度的增加，粘弹性材料的耗能能力会降低。

（2）在地震这种短时间作用下，温度对粘弹性阻尼器中材料的性能并没有明显减弱。

（3）随着外振力频率的增加，粘弹性材料的耗能能力会降低。

3 安装方式
(1)小八字撑的安装方式造成粘弹性阻尼器的剪切变形较小，影响粘
弹性阻尼器充分耗能，但这种支撑对建筑功能的影响小，因其所占空间小，布置位置灵活。

(2)单向斜撑需安装在房间隔断、隔墙处，不影响建筑的使用，这
种支撑形式中粘弹性材料的剪切变形较大，消能减震能力较强。

(3)大八字撑同样能够使粘弹性阻尼器产生较大的剪切变形，故消能
减震能力较强，对建筑使用功能的影响也不像单向斜撑那样大。

(4)人字型撑的安装也要充分考虑建筑的使用功能，因为这种形式会
占用较大的建筑空间，其安装的粘弹性阻尼器的剪切变形由建筑结构的层间位移转化而来，（上、下层侧向位移之差）缺点是安装复杂，但消能能力强。

(5)交叉对角撑适用于厂房结构，可以在厂房的柱间设置安装粘弹性
阻尼器的消能支撑，这种支撑的消能减震能力也比较优良。

4 实际工程中的应用：
(1)1969年，纽约世界贸易中心双塔的每个塔中安装了10000个粘弹性
阻尼器，从第10层到第100层均匀分布于结构中，用于抵抗风载；
(2) 1982年，美国西雅图哥伦比亚中心大楼安装了260个粘弹性阻尼
器。

用于抵抗风载；
(3) 1993年，位于美国加州圣荷塞的13层Sallta Clara市政大楼采用
粘弹性阻尼器进行抗震改造，是粘弹性阻尼器的首次抗震应用。

(4) 1998年，中国首都规划大厦采用粘弹性阻尼器，减少地震和风振
反应，效果显著。

（补充：西雅图哥伦比亚中心大厦起初是因为在风振的影响下，顶部几层有明显的不舒适感，安上粘弹性阻尼器后，不再有不舒适感，效果良好。

若采用加大侧向刚度的方法来获得同样的效果，需要把现有的柱尺寸扩大一倍，价值约800万美元，而采用粘弹性阻尼器所用的试验及材料、安装费用仅7O万美元。

由此可见，采用粘弹性阻尼器减小建筑的风振或地震影响在经济上是相当可观的。

）
（四）粘滞耗能阻尼器：
是一种速度相关型阻尼器，消耗地震或者风振能量。

在我国，越来越多的桥梁、高层建筑、体育场馆中也应用了液体粘滞阻尼器。

➢圆柱筒式液体粘滞阻尼器：
1发展与原理：
早期的液体粘滞阻尼器像一个长方形的容器，如下图，其中充满油料，由活塞杆带动一组平板，与固定在另一端的平板之间产生剪切运动，由于油的粘性产生阻力，起到阻尼器的作用。

但由于油腔体积相对较大，油料可运动空间较大，导致这种阻尼器的效率很低，而且受温度影响也较大。

19 世纪中期，法国的一家军火公司首先采用节流孔来控制流体运动的阻力。

后来，经过各国竞相发展和改进，形成一种体积比较小、能提供很大阻尼力、受温度影响也很小的油阻尼器，一直应用到现在。

活塞杆的设计，要求能够承受运动过程中的任何载荷，不允许变
形，多采用不锈钢。

与活塞缸紧密结合的活塞头把阻尼器分成2个液腔，活塞头上的小孔，可让2个腔体中的硅油，在一定的活塞压力下可以按设计要求来回流动。

硅油通过狭小的阻尼孔时，硅油的粘性产生摩擦力，阻尼器吸收的地震、风振能量通过硅油的运动与摩擦阻力，转换为热能耗散。

➢实际工程中的应用
北京盘古大观(Pangu Plaza)
1)阻尼器布置
盘古大观为45层，191m高层钢结构。

将阻尼器均匀设置在层间位移较大的24～39层，共计100个粘滞液体阻尼器和8个粘弹性液体阻尼器。

2)阻尼器减震效果分析
经计算，加设阻尼器后结构向层间位移角减小效果见下表。

（层间位移角：楼层层间最大位移与此层高之比）
3)经济性评价
对于盘古大观的直接建设费用，分别采取传统方案与阻尼器方案对比，结果显示，在相同结构反应中，阻尼器方案结构反应低，价格却最省(如下表)。

➢粘滞阻尼墙：
是由日本学者M.Miyazaki等在1986年提出，于20世纪80年代在日本得到应用。

一种箱式的粘滞阻尼器，有时也起到隔墙作用。

1986年，日本学者M.Miyazaki等对一个安装有粘滞阻尼墙的5层钢框架结构缩尺模型进行实验研究，模型结构总重为1t。

实验表明，当
结构没有设置结构阻尼墙时，模型的阻尼比为0.02，结构基本周期0.367s。

当安装粘滞阻尼墙后，模型的阻尼比为0.32，结构基本周期为0.286s。

（阻尼比：在土木、机械、航天等领域是结构动力学的一个重要概念，指阻尼系数与临界阻尼系数之比，表达结构体标准化的阻尼大小。

临界阻尼系数：任何一个振动系统，当阻尼增加到一定程度时，物体的运动是非周期性的，物体振动连一次都不能完成，只是慢慢地回到平衡位置就停止了。

当阻力使振动物体刚好能不作周期性振动而又能最快地回到平衡位置的情况，称为“临界阻尼”。

结构基本周期：结构基本周期是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

）
原理：如下图所示，在粘滞型阻尼墙系统中的活塞，表现为一内钢板，且该钢板只能在平面内运动，由外钢板组成的容器内装有粘滞液体。

在结构中，内钢板（活塞部分）固定于上层楼板。

其外钢板（容器部分）固定于下层楼板。

地震作用下，楼层产生层间位移，从而使得粘滞阻尼墙内的粘滞液体被剪切，地震输入的能量被耗散。

补充：
（五）质量阻尼器：
调谐质量阻尼器系统（TMD）安装连接在结构上，由固体质量、
减震器和阻尼器组成。

将TMD系统的自身振动频率调整到结构振动的振动频率频率附近，当外力（地震、风振）使得结构物的振动被激发时，阻尼器会产生与结构反向共振的振动，此时作用在主结构上的能量会转移到调质阻尼器上，进而消散。

➢台北101大楼调质量阻
尼器构造
台北101大楼调质阻尼
器悬吊于87~92层之间。

这个
类似单摆的调质阻尼器，质
量固体为其直径约为5.5m的
钢球体。

整个球体由90mm直径
的高强度钢索，透过支架托住球体质量块的下半部，将660公吨的载重悬吊支承于92层结构。

此外，调质阻尼器支架周围也另设置了8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器，其功能在于吸收球体质量块摆动时之冲击能量，减少质量块的过大幅度的摆动。

调质阻尼器下方则放置了可限制球体质量块摆动范围的缓冲钢环，以及8组水平方向防撞油压粘滞性阻尼器（Snubber Damper），一旦质量块摆动振幅超过1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒（Bumper Pin）就会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。