一種新型建筑用阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用

孫艷芬，盧小青

（1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州格林電力機(jī)械制造有限公司，江蘇 常州 213119）

一種新型建筑用阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用

孫艷芬1，盧小青2

（1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州格林電力機(jī)械制造有限公司，江蘇 常州 213119）

工程建設(shè)中振動(dòng)控制是一個(gè)關(guān)鍵要素，針對(duì)目前振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況，論文提出了一種安裝在建筑物上用于減輕地震及風(fēng)力等破壞的新型建筑用阻尼器。該阻尼器通過(guò)對(duì)速度控制實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑振動(dòng)有效調(diào)控，起到安全保護(hù)的作用，本設(shè)計(jì)安全和實(shí)用性高，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

建筑工程；減振控制；阻尼器

0 引言

現(xiàn)今高科技的快速發(fā)展，高層建筑遍地開(kāi)花。高層建筑展示著一個(gè)國(guó)家和區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)力和科技水平，尤其是超高層建筑更是一個(gè)城市的地標(biāo)，綜合體現(xiàn)著多個(gè)領(lǐng)域的高新技術(shù)，其中建筑物結(jié)構(gòu)之安全設(shè)計(jì)最為重要。要確保建筑結(jié)構(gòu)安全，首先就要有超強(qiáng)抗地震能力，二十世紀(jì)，特別是近二三十年人們對(duì)建筑物的抗振動(dòng)能力的提高十分重視也做出了巨大努力，取得了顯著的成果，人們對(duì)提高抗震能力的措施從增加梁、柱逐步轉(zhuǎn)向結(jié)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能來(lái)避免或減少了地震、風(fēng)力的破壞，其中阻尼吸能、耗能系統(tǒng)、主動(dòng)控制減振系統(tǒng)等逐漸走向了工程實(shí)際，這些結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)中利用阻尼器其來(lái)吸能減振效果具有較好的口碑，阻尼消能減振技術(shù)是利用阻尼特性來(lái)減振，由于其減振效果顯著且安全可靠，在新建建筑、橋梁及建筑物加固等的形式中應(yīng)用日趨廣闊。

1 總體設(shè)計(jì)思路

文中提出的一種新型建筑用阻尼器，在綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性和舒適度的要求下，設(shè)計(jì)了減振機(jī)理明確，減振效果明顯的新型阻尼減振裝置，用以解決現(xiàn)有減振技術(shù)設(shè)計(jì)不夠合理等方面，在平時(shí)情況下，建筑阻尼器處于自由狀態(tài)，長(zhǎng)度可以隨建筑物溫度變化進(jìn)行伸縮調(diào)整。當(dāng)受到地震或者其他突然沖擊時(shí)會(huì)呈現(xiàn)閉鎖狀態(tài)，將項(xiàng)鏈的兩個(gè)構(gòu)件連成一個(gè)整體，共同受力，同時(shí)該建筑阻尼器是利用阻尼特性來(lái)耗能減振的，當(dāng)受到地震或者其他突然外沖擊時(shí)用來(lái)減小建筑物的損壞，猶如汽車(chē)中的安全帶的功能，對(duì)建筑物起到安全保護(hù)的作用。該設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單實(shí)用，并具有動(dòng)力性能穩(wěn)定、高耗能、對(duì)溫度不敏感等特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

2 建筑用阻尼器的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理

本文設(shè)計(jì)的阻尼器是一種安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的減振構(gòu)件，用來(lái)提供運(yùn)動(dòng)的阻力進(jìn)而減緩機(jī)械振動(dòng)耗減動(dòng)能的裝置，動(dòng)作原理為：阻尼器活塞上設(shè)有阻尼孔，缸內(nèi)裝滿(mǎn)高粘性阻尼介質(zhì)，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)由于地震及風(fēng)力等發(fā)生振動(dòng)時(shí)，安裝在結(jié)構(gòu)中的建筑阻尼器的活塞和液壓缸發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。阻尼介質(zhì)與阻尼器結(jié)構(gòu)中的部件由于相互作用產(chǎn)生耗能力，耗散外界輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及沖擊能量進(jìn)而達(dá)到減振的目的。

建筑阻尼器結(jié)構(gòu)組成如下圖1所示，主要由以下部分組成：液壓缸、活塞、活塞桿（在活塞兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置）、密封材料和連接裝置。

圖1　建筑用阻尼器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Damper structure map building

本設(shè)計(jì)中粘性介質(zhì)采用的粘性介質(zhì)為硅油，具有優(yōu)良的熱氧化穩(wěn)定性，在極低和極高溫度下（-50℃～+250℃）性能穩(wěn)定，吸收振動(dòng)性能較好。同時(shí)它具有優(yōu)良的電絕緣性能、疏水性和及良好的抗氧化等性能。

3 阻尼器性能分析與應(yīng)用

建筑阻尼器應(yīng)用在新建建筑、橋梁等場(chǎng)合主要是利用其阻尼特性，阻尼器主要用于起緩沖作用，就如安全氣囊保護(hù)作用一樣，可以對(duì)相連的機(jī)構(gòu)的速度起緩沖作用。阻尼器阻尼作用，是通過(guò)速度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于一般的建筑工程結(jié)構(gòu)，當(dāng)收到地震或風(fēng)力影響時(shí)，阻尼器的阻尼器系數(shù)不隨振動(dòng)頻率的變化而變化，通常情況下，阻尼器的輸出阻尼力F，與活塞的運(yùn)動(dòng)速度u的a次方成正比，即可以用以下公式描述：

F=cuα

式中：F—阻尼器輸出阻尼力（N）；c—阻尼系數(shù)（N·s/m）；u—阻尼器活塞運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；α—阻尼速度指數(shù)（常取0.3～1.0）。

式中阻尼力隨著運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度比較快時(shí)，阻力就明顯增大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度很低時(shí)，阻力則幾乎沒(méi)有。運(yùn)用速度控制原理，本設(shè)計(jì)中設(shè)置位移指示方便判斷活塞在油缸中的位置，通過(guò)控制活塞速度即低速時(shí)允許移動(dòng)，在速度或加速度超過(guò)相應(yīng)的值時(shí)產(chǎn)生閉鎖，形成剛性支撐，當(dāng)大震作用時(shí)，阻尼器發(fā)揮其耗能作用，減小各單體間傳遞的地震力保持各結(jié)構(gòu)單體間的有效連接，進(jìn)而有效吸能防震。同時(shí)該阻尼器外形簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、緊湊，安裝便捷，安裝空間小；低速運(yùn)動(dòng)阻力小，不超過(guò)額定載荷的10%；耗能效率高，達(dá)到90%以上；阻尼器兩端均裝有關(guān)節(jié)軸承，利于施工安裝和工作擺動(dòng)（允許工作擺角±6°）；液壓硅油穩(wěn)定、抗燃、耐老化；密封性好，密封件采用與介質(zhì)相容性好的橡膠材料或采用金屬密封件。本產(chǎn)品的應(yīng)用范圍較廣泛：如民用建筑如住宅、辦公樓、商場(chǎng)等多層高層及大跨建筑結(jié)構(gòu)等；生命線(xiàn)工程如醫(yī)院、學(xué)校、城市功能建筑等；工業(yè)建筑如廠(chǎng)房、塔架、設(shè)備減振等；橋梁如人行橋、高架路橋等；軍工、核電、火電、石化、鋼鐵等行業(yè)管道和閥門(mén)。建筑阻尼器的安裝形式有多種，鑒于工作效率和減振效果考慮，建議如圖2所示，也可根據(jù)工程實(shí)際設(shè)置其他安裝方式。

圖2　建筑阻尼器安裝方式Fig.2 Building damper installation mode

4 結(jié)束語(yǔ)

建筑阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用，猶如給建筑或橋梁裝上了“安全帶”。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而發(fā)生變形，阻尼器就發(fā)揮其耗能減振的作用，最大限度吸收和消耗了地震風(fēng)力等振動(dòng)發(fā)生時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的沖擊能量，大大緩解了對(duì)建筑物的損害，本設(shè)計(jì)安全可靠、實(shí)用性較強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］GB50011-2001建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

［2］周云，徐彤，耗能減振技術(shù)的回顧與前瞻［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2000，5.

［3］Spence B F and？Nagarajaiah S，State-of-the-Art of Structural Control［J］.ASCE Journal of Structural Engineering.2003.

［4］豐定國(guó)，王社良.抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第2版）［M］.武漢理工大學(xué)出版社，2003.

［5］郭彥林，劉建彬.結(jié)構(gòu)的耗能減振與防屈曲支撐［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，8.

［6］藍(lán)宗建，房良，王新德，等.鋼筋混凝土巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系［J］.工業(yè)建筑，2002，2.

A New Type of Building Research and Development and Application of Damper

SUN Yan-Fen1，LU Xiao-Qin2
（1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou Jiangsu 213164，China；2.Changzhou Gelin Electric Power Machinery Manufacture Co.，Ltd.，Changzhou Jiangsu 213119，China）

Vibration control in engineering construction is a key element，based on the current application of vibration control structures，this paper puts forward a installed in buildings to reduce earthquake damage such as wind power of the new building of damper.The damper based on speed control realize effective control of construction vibration，have the effect of security protection，This design security and practicability，has the very good application and popularization value.

construction engineering；vibration control；damper

TB21

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.03.021

1002-6673（2015）03-061-02

2015-03-12

孫艷芬（1980-），女，江蘇常州人，講師。研究方向：機(jī)械制造及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；盧小青（1980-），男，江蘇金壇人，工程師。研究方向：機(jī)械工程技術(shù)與應(yīng)用。