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【JY】结构概念之(消能减震黏滞阻尼器)

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导读:在我国,被动减震装置得到广泛应用,不仅在高层建筑、加上最近还实施颁布了工程抗震管理条例。(如【JY】结构概念设计之(隔震概念设计)),使得被动减震更加扩展到包括住宅在内的中低层建筑及大跨度建筑,其建造业绩已大大超过美国达到了世界第一的规模。目前减震构件及结构类型的组合已有诸多形式,今后随着其性能方面、经济方面及设计创意等方面的改进,可以想象会进一步创造出更加丰富多彩的减震结构。
一、消能减震的理念
      为了更有效地提高结构的抗震性能,在设计中采用“柔性耗能”理念来减小结构振动响应,通过调整结构的质量、刚度和阻尼特性来实现预期抗震水平。
    传统设计以结构构件的塑性损伤为代价,秉持“硬抗”理念,采用优化关键构件的特征几何尺度、放大构件材料强度等措施以提高结构的抗震承载能力。众所周知,地震的发生和作用具有极强的随机性和破坏性,因此,传统设计不仅难于保障建筑结构及生命财产安全,还可能大幅度增加建设成本。
      结构消能减震又称耗能减震,其机理是在特定构件的界面连接处安装耗能器,通过耗能器将地震动输入的机械能转化成能够均匀耗散的热能从而使得结构振动响应降低,或者通过新结构中的原结构和附设装置分别作为主结构和子结构联合承担振动作用,从而获得调谐,并将振动反应控制在预期值以内。
   在采用消能减震方法的情况下,在较低级别地震或风振作用下结构可以获得足够的初始刚度而保持弹性状态;而在较高级别地震或风振作用下,当结构的侧向变形尚未开始变大时,耗能装置就能先于结构进入非弹性状态,从而避免结构的承重构件进入到非弹性状态。
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本期给大家主要带来的是减震设计中的黏滞阻尼器相关的内容。
二、黏滞阻尼器的初识
     黏滞阻尼器是速度相关型阻尼器,目前在土木工程领域内被普遍采用的流体阻尼器内部构造基本属于射流型,下图为单出杆型阻尼器,其工作方式是通过活塞的往复运动,液体流过活塞头上的小孔从而提供阻尼力。

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      除了上述单出杆式黏滞阻尼器,还有黏滞阻尼墙三向缸筒式黏滞阻尼器。前两种阻尼器已在建筑结构的振动控制中得到广泛应用,而三向缸筒式黏滞阻尼器主要用于管道系统的振动控制。

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      对于黏滞阻尼器的研究,近年来主要是对于黏滞阻尼器的空间分布的优化以及提高黏滞阻尼器构件性能的方法研究。
对于空间分布的优化:主要是为了最大程度的发挥黏滞阻尼器的耗能能力,减小结构在地震作用下的反应,如何选择合理有效的位置布置阻尼器具有重大的意义。通过对某建筑进行非线性时程分析,以最大程度减小层间位移角,甚至融入同时考虑了初始成本与总体预期损失的目标,得到最高的附加阻尼比为目标进行了优化。
对于提高黏滞阻尼器构件性能方法阻尼器的能量耗散能力随着阻尼器变形的增大而增大,而阻尼器的变形通常受限于结构的层间位移角,为了使阻尼器有尽可能大的变形,同时不减小结构的承载力,因此可以对黏滞阻尼器内部进行增大阻变形来打破现有层间变形的限制。换言之,利用放大系统将楼层变形放大给予阻尼器,使得阻尼器得到更大的行程(或者速度),提供更高的等效阻尼比给结构,从而更高效的保护结构。
       如杆式黏滞阻尼器的对角支撑、人字支撑和套索支撑是利用结构层间剪切变形来发挥阻尼器的作用,且套索支撑形式可以放大结构层间剪切变形,增强阻尼器的耗能作用;而加强层中竖向布置是利用结构弯曲变形来发挥阻尼器的作用,可以通过伸臂杠杆的放大作用来提高阻尼器的耗能效率。(对于放大系统,更多精彩可以查询各类文献)

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三、黏滞阻尼器的构件设计
     通常在国内,结构工程师对于黏滞阻尼器通常是一种拿来主义的态度(直接确定阻尼系数和阻尼指数,代入模型直接算~),而事实上,黏滞阻尼器的设计是一个十分复杂的过程,大致上可以分为黏滞阻尼器的强度计算、阻尼器的热量计算、流体动力学计算以及对比经验数据这四个主要过程:
(1)强度设计:阻尼器内部所有部件均应进行强度设计,各部件包括活塞杆、油缸以及护套在设计额定阻尼力基础上同时考虑一定安全储备;通常情况下安全系数应考虑取2~2.5倍,应保证在此安全储备下拉力和压力下各部件不应有任何屈服、变形。
(2)受热计算分析:按照单位时间内阻尼器的能量耗散进行阻尼器的热量计算,同时考虑动力密封件的设置。
(3)流体动力学计算:确保所有参数达到设计曲线要求。
(4)对比经验数据:设计阻尼器同时参照丰富的数据平台,确保精度。

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     事实上对于这四项设计过程,由于黏滞阻尼器所处的环境不同,其单位时间所耗散的热量有很大差别,这也是黏滞阻尼器设计的前提。
      一方面黏滞阻尼器设计是由其强度来控制的,在土木工程领域的抗震阻尼器,在设计荷载的基础上,考虑足够的安全储备后,通过强度确定阻尼器各部分零部件的尺寸。
      另一方面是阻尼器的单位时间需消耗的能量很大,阻尼器需要足够的内部腔体和外部尺寸来实现能量转换,在这类设计中功率是起到决定作用的控制因素。对于抗风荷载、需要考虑连续工作的阻尼器,考虑阻尼器的功率是必不可少的,而黏滞阻尼器内部的流体介质运动是一个复杂的流体动力学问题。
      此外,明确黏滞阻尼器的工作和运行状态是进行一个合理的耗能减震设计过程的基础,这也与设计者的初衷及目的有关。黏滞阻尼器的工作状态主要可分为两种,即日常的运营状态以及遇到突发事件所处的状态。这里涉及到的阻尼器主要工作和运行状态包括黏滞阻尼器内部工作压强、其能量耗散形式、热效应以及服役期限等。每种新参数的阻尼器的生产过程,都是个边生产、边实验的过程,除了控制质量的材料试验、成品的质量检测、部分组件(如活塞、密封件)的检测也都是必不可少的。  
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四、黏滞阻尼器的黏滞流体成份
     目前用于黏滞流体消能阻尼器的黏滞流体主要是液压油、有机硅油、硅基胶和特种悬浮液,而有机硅油又是应用最广的。
     有机硅油是有机硅高聚物中的一种,它的分子结构中还有元素硅,并且分子主链是一条由硅原子和氧原子交替组成的骨架。有机硅油具有无毒、无味、无腐蚀性和不易燃烧等优点。有机硅油的种类有很多,其中二甲基硅油最常用作为黏滞流体消能阻尼器的黏滞介质,目前的研究也最为成熟。
      二甲基硅油,或简称为甲基硅油,是一种无色透明的油状液体,密度一般为930~975kg/m2,不溶于水,并且疏水性好,具有比较好的电气绝缘性能,是最基本、最典型的有机硅油,也是产量最大、应用最广的一种品种。
五、黏滞阻尼器设计中的应用要点
结构工程师需要与制造商沟通,根据流体阻尼器的特定要求进行相应的设计调整,这些参数包括:
  • (1)最大输出力;

  • (2)最小安全系数;

  • (3)从中位计算的可用阻尼器冲程;

  • (4)阻尼系数;

  • (5)速度指数;

  • (6)工作环境温度;

  • (7)最大风功率输入(如果涉及风振);

  • (8)阻尼器连续工作的时间(如果涉及风振);

  • (9)阻尼器的尺寸要求。

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特别注意的是:
     采用消能阻尼器后只是降低了结构的地震作用,并不一定能降低结构的抗震构造措施。即使采用消能阻尼器,消能减震结构的任一楼层的水平剪力也应该符合《建筑抗震设计规范》第5.2.5条的最小楼层剪力的要求。
      黏滞阻尼器的最大输出力为在最大地震动输入下计算所得到的结果,安全系数以最大输出力或最大速度为基础。如1.2倍安全系数表示阻尼器达到1.2倍最大输出力或最大速度时不会屈服损坏。根据阻尼器速度指数的取值不同,1.2倍安全系数相对于最终输出力来说有所区别。在抗规GB50011-2010要求极限速度应不小于最大速度的1.2倍,美国FEMA则要求1.3倍。

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     目前消能阻尼器厂家一般是根据设计单位提供的消能阻尼器参数来加工制作消能阻尼器产品.为此,消能阻尼器的实际参数和性能与设计要求是有一定差异的,即使是抽检合格的产品也不能做到和设计要求完全一致。但是当消能阻尼器测试安装时,主体结构一般都是基本完工,因此结构工程师需要留有一定的安全度来消除消能阻尼器的实际性能指标与设计差异造成的减振效果的误差。如:消能阻尼器与主体结构和支撑之间的连接总是存在一定的间隙,这会削弱结构的减振效果;消能阻尼器支撑不可能做到完全刚性,总是存在一定的变形,这也将会一定程度上削弱结构的减振效果。 

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六、黏滞阻尼器的检测要求
(1)  外观检测
    黏滞流体消能阻尼器产品外观应表面平整,无机械损伤、无锈蚀、无渗漏。而且产品的长度和设计长度通常允许偏差在3mm之内,截面有效尺寸差别不超过2mm。(《JGJ297-2013_建筑消能减震技术规程》规定偏差在±2%以内)
(2)  材料要求
    黏滞流体消能阻尼器的黏滞阻尼材料要求黏温关系稳定,不易燃烧,不易挥发,无毒,抗老化性能强。(如上文所提到的二甲基硅油)
     用于制作黏滞消能阻尼器的钢材应根据设计需要进行选择,缸体和活塞杆一般宜采用优质碳素结构钢、合金结构钢或不锈钢。优质碳素结构钢应符合GB/T699的规定;合金结构钢应符合GB/T3077的规定;结构用无缝钢管应符合GB/T8162的规定;不锈钢棒应符合GB/T1220的规定,不锈钢管应符合GB/T14796的规定。
     考虑到黏滞流体消能阻尼器的耗能机理就是将结构的动能转化为热能消耗掉,因此消能阻尼器表面不宜采用防锈漆,而应采用镀铬来处理。
     黏滞消能阻尼器密封材料应选择高强度、耐磨、耐老化的密封材料。优选金属或尼龙等材料作为密封圈材料。
(3)  慢速测试
     慢速测试的目的,一方面测试消能阻尼器的极限位移,另一方面可以通过慢速测试检验消能阻尼器在低速状态下的性能,获得消能阻尼器的摩擦力,因为过大的摩擦力会造成密封圈漏油。 
     测试方法采用静力加载试验,控制试验机的加载系统使阻尼器匀速缓慢运动,记录其伸缩运动的极限位移值和摩擦力。要求消能阻尼器的极限位移实测值不应小于黏滞阻尼器设计容许位移的150%。当最大位移大于等于100mm时,实测值不应小于黏滞阻尼器设计容许位移的120%;并且消能阻尼器的内部摩擦力不宜超过设计最大阻尼力的10%。
(4)  最大阻尼力测试
     采用正弦激励法,用按照正弦波规律变化的输入位移,对阻尼器施加定频率f(f为结构基频)、定位移幅值u(u为消能阻尼器设计位移)的正弦力,连续进行5个循环,记录第3个循环所对应的最大阻尼力作为实测值。要求消能阻尼器的最大阻尼力实测值偏差应在产品设计值的±15%以内;实测值偏差的平均值应在产品设计值的±10%以内。
(5)  规律性测试
     目的是测试得到消能阻尼器产品的阻尼系数、阻尼指数和滞回曲线是否满足设计要求。
    测试采用正弦激励法,用按照正弦波规律变化的输入位移U=usin(wt)(u0为消能阻尼器设计位移)来控制试验机的加载系统,对阻尼器分别施加频率为f (f为结构基频),输入位移幅值为0.1u、0.2u、0.5u、0.7u、1.0u、1.2u,连续进行5个循环,每次均绘制阻尼力位移滞回曲线,并计算各工况下第3个循环所对应的阻尼系数、阻尼指数作为实测值。
    测试要求阻尼系数和阻尼指数的实测值偏差应在产品设计值的±15%以内,实测值偏差的平均值应在产品设计值的士10%以内;实测滞回曲线应光滑,无异常,在同一测试条件下,任一循环中滞回曲线包络面积实测值偏差应在产品设计值的±15%以内,实测值偏差的平均值应在产品设计值的±10%以内。
(6)  疲劳性能测试
    测试采用正弦激励法,对阻尼器施加频率为f(f为结构基频)的正弦力,当以地震控制为主时,输入位移U=usin(wt)(u为消能阻尼器设计位移),连续加载30个循环,位移大于100mm时加载5个循环;当以风振控制为主时,输入位移U=0.1usin(wt),连续加载60000个循环,每20000次可暂停休整。测试要求消能阻尼器的最大阻尼力、阻尼系数和阻尼指数的变化率不大于±15%,消能阻尼器的滞回曲线应光滑,无异常,包络面积变化率不大于±15%。
(7)  加载频率相关性测试
    测试采用正弦激励法,测定产品在常温,加载频率F分别为0.4f、0.7f、1.0f、1.3f、1.6f,(结构基频f) 对应输入位移幅值U=uf/F下的最大阻尼力,并与f下的最大阻尼力的比值(u是阻尼器的设计位移)。
(8)  温度相关性测试
    测定产品在输入位移U=usin(wt),频率为f结构基频,试验温度-20~40℃,每隔10℃记录其最大阻尼力的实测值。测试要求消能阻尼器的最大阻尼力变化率不大于±15%。、

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(9)  密封性能测试
    以1.5倍的最大阻尼力作为控制力持续加载3min,记录结果。测试要求阻尼器不漏油,最大阻尼力的衰减不超过5%。
欢迎关注,下期更加精彩~

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理论科普建筑岩土静力学结构基础Abaqus
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首次发布时间:2021-12-08
最近编辑:2年前
建源之光
博士 | 高级技术经理 个人主页:jycmf.cn~
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