结构保护系统液体粘滞阻尼器在桥梁工程上的测试和应用的发展

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1、结构保护系统--液体粘滞阻尼器在桥梁工程上的测试和应用的发展本文大意：作为二十世纪结构工程界最伟大的科技成果之一–结构的保护系统，特别是各种耗能阻尼器，在近十几年来，发展非常迅速，超出了我们的想象。随着阻尼器制造技术的不断提高，各种试验、检验技术的完善，精确的计算方法的、设计规范的发展，阻尼器已经从一种附加的保护措施，锦上添花的第二防线（大震时发生）发展到结构构件的一部分，替代传统的结构抗震构件。数以百计的工程实例，特别是世界重大桥梁工程事例已经给我们工程领域的发展带来了质的飞跃。墨西哥和美国加州大量设置了阻尼器的建

2、筑和桥梁结构经受了实际地震的检验，给人类能在地球上安全的生活带来了希望。本文重点介绍阻尼器在工程应用上的发展过程和前景。1.结构保护系统液体粘滞阻尼器在地震工程领域内，始终存在着难以解决的问题：随着科学和计算机的发展，使计算分析越来越精确，但是，地震荷载非常复杂而又粗糙；地震所带来的破坏可能非常大，但发生的概率又非常之低；长期以来，工程师们往往是加大梁、柱、剪力墙用来被动抵抗，而采用更主动的办法减小结构所受地震力上不足。到了二十世纪末期，这种现象有了很大的改变。吸收和采用其他航空和机械领域的成果，人们在传统结构构件之

3、外，另加的装置：如基础隔震（BaseIsolation），利用各种阻尼器(Damper)吸能、耗能系统，高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统（TMD）和主动控制(ActiveControl)减震体系都是已经走向了工程实际。它们往往是一些机械系统装置，我们称之为结构的保护系统。对于我们的结构工程师，它是一种新的思路。标志着我们已经跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动能力的观念，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震、风力的破坏；对于预想不到地震，对于还不十分清楚的多维振动破坏，它有很好的预防和承受能力；它容易更换，最容易

4、体现小震不坏,大震不倒的抗震原则。在结构保护系统中，争议最少，有益无害的系统要属利用阻尼器来吸收难予预料的地震能量。利用阻尼来吸能减震不是什么新技术，在航天航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等工程中，其发展十分迅速。简单地说，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而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，我们称为阻尼器。我们早已经熟习汽车、大炮、电梯间上面使用的减振器。如

5、果把它进行数学模型化，应用到我们结构工程上，我们传统的结构动力方程可以写成[1][2][14]：运动方程：Mÿ+Cý+Ky+CýD=-Mÿg式中的CýD项，就是阻尼器带来的（先按线形列出）。只要处理正确，它总是会使运动减小。如果我们写出能量方程的形式：能量方程：EK+ED+ES+EP=EI结构增加了一个耗能因素EP。结构增加阻尼以后，结构的反应谱会有很大的降低。从下列标准动力阻尼反应可以清楚的看出（图1）。图1单自由度体系不同阻尼比下的动力反应分解成不同振型的单自由度体系的反应随阻尼器的增大而减少，其多自由度结构相应

6、阻尼比也就响应增加，反应降低。一般地说，我们很容易通过阻尼器，使多自由度体系的整体阻尼比增加15%-30%[11]。可以看出，我们所熟习的减振装置，如果能把它精确化、准确化，就可以成为我们工程中可以应用的减振器，可以称为阻尼器或吸能器。到二十世纪末，人们设计制造出了各种方式的阻尼器。已经成功实用的阻尼器主要的有以下三种[1][2]：磨擦阻尼----利用金属（或非金属）之间的磨擦产生阻尼。加拿大PallDynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的构造简单,造价低。缺点是承受力较小，对于时间，温度和湿度的稳定性都很差。摩

7、擦启动时的“粘接-滑动”现象对结构的坏影响很大。（Stick-slipphenomenon）粘弹性阻尼----利用一些粘弹性材料产生的阻尼。美国3M公司的粘弹性阻尼在日本有了很大的应用。但它有个初始刚度，也有温度的稳定性的问题。液压粘滞阻尼----利用液体在运动中的粘滞特性产生阻尼这种阻尼器在军事和宇航上已经成功的应用了几十年，精确性好，稳定性高，缺点是价格较高他们的滞回曲线分别如下（图2）：液压粘滞阻尼        摩擦阻尼        粘弹性阻尼图2不同阻尼下的滞回曲线在美国，已经得到结构界广泛共识的是：这种

8、液压粘滞阻尼器最适于我们结构工程应用，主要一点是，在静止情况下，它没有起始刚度，不会影响到结构的其它计算（如周期，振型等）。也就不会产生预想不到的副作用。从图2中的滞回曲线也很容易看出：只有液压粘滞阻尼在最大位移时受力同时为零。这种阻尼器也就可以降低地震反应中的结构受力的同时也降低反应位移。这种阻尼器在其它领域上已有几十年的应用历史，成熟的经验