1．阻尼器應用的設計目標和理念傳統建筑，無論木結構，鋼筋混凝土，鋼結構已經有上百年的抗風，抗震歷史，為什么提出在這些建筑中添加阻尼器？精簡總結，有以下幾點原因：對于一些使用要求較高的建筑結構〔超高層，大跨結構等〕，地震，抗風形成動力難題，需要更合理的解決方法；比照其他傳統方案，減少結構受力體系的造價；科學不斷開展，開辟了解決結構工程問題的新思路；可以使結構最大限度的保持在彈性范圍內工作，為結構提升平安保障。以某抗震加固工程為例，我們對剪力墻〔傳統方案〕和液體粘滯阻尼器兩個方案從理念和計算結果作了如下比照方下表：抗震剪力墻阻尼器剛度增加，結構周期變短，加大地震力結構性質不變或根本不變對結構其它局部反響有影響對結構其它局部反響沒有影響給建筑上帶來的困難大建筑上容易處理重量大，加大了根底和結構負擔重量小一旦破壞，難以修復容易修復和更換只能抵抗水平振動可以減少多方向地震反響費用高費用低我國現行抗震設計標準中已經開始有了關于消能減震的有關規定。結合國內外有關阻尼器應用開展情況和我們的應用體會，我們再談一下在建筑上使用阻尼器的目標和理念。簡單的說，我們安置阻尼器可以有以下幾個目的。A增加抗震、抗風能力原設計可能已經可以滿足所有標準規定的抗震抗風要求，加上液體粘滯阻阻尼器，在振動過程中起到耗能和增加結構阻尼的作用，從而降低結構反響的基底剪力，減少整個結構的受力，也就可以大大提高結構的抗地震能力。同時，只要阻尼器安裝的適宜，設置到不同的需要方向，還可以預防和減少原設計沒有考慮，或考慮缺乏的振動受力。對特別重要的結構，高發地震區，花錢不多，設置這一第二防線是很值得的。對于非嚴重地震區，也可以用阻尼器到達抗風和增加抗震能力的目的。B．用阻尼器去防范罕遇大地震或大風按小震不壞大振不倒的原那么，我們可以用常規的設計方法使設計滿足多遇地震的抗震要求。對于罕遇的大地震可能顯得缺乏、不理想或不經濟。用結構的被動保護系統－特別是阻尼器來等待和解決這罕遇大地震的問題，不僅新建結構建議采用這一設計理念，原設計未設防抗震或設防缺乏的結構加固工程也很適于。這一理念會帶來經濟實用和可靠的結果，設計的好，可以為工程節省費用。國外抗震先進國家大都采用這一理念。在所有可能發生地震的地區，我們主要想提出推廣的這一設計理念。國外有的工程，在結構的小振設計中也充分利用施加了阻尼器的優越。他們大膽的用加阻尼器后的修正反響譜作結構的設計。C．減少附屬結構、設備、儀器儀表等第二系統的振動在破壞性地震震害分析中，結構內部附屬結構、設備、儀器儀表等第二系統的振動和破壞越來越引起我們的注意。從經濟上看，這些內部系統的價值可能遠遠超過結構本身。增加結構保護系統出于保護這一附屬系統就不奇怪了。應該說，采用阻尼器系統減少醫院、計算機房、交通及航空等重要控制中心內部附屬設備的振動是非常必要的。D．解決常規方法難予解決的問題在結構設計中有時遇到高地震烈度、土質情況惡劣的地區，單純的加大梁柱的尺寸會引起結構剛度增加，結構的周期減小，其結果可能引起更大的地震力。結構落入這一惡性循環中。有時用常規的方法難于解決。著名的墨西哥市長大樓就提供了一個解脫這一惡性循環的典范。結構抗震如果使用液體粘滯阻尼器，本身沒有剛度，也就不會改變結構的頻率，阻尼器增加了結構的阻尼比，起到耗能的作用，比擬容易解決這一困難問題。在高烈度地震區，設計變得很困難的情況下，建議參加液體粘滯阻尼器重新作一下分析，可能你會得到預想不到的好結果。E．結構上的其它需要除了提髙結構主體的的抗震抗風能力外，阻尼器還能在很多其他方面的抗振動上對結構有所幫助，可以匯總如下：大跨空間鋼結構，體育場館，特別是開啟式屋頂運動中的減振超高層鋼結構建筑抗風的TMD系統減少樓板和大型屋蓋垂直振動的TMD系統配合根底隔震的建筑，加大阻尼，減少位移設備根底減振特別重要的建筑----核電站、機場控制室結構復雜，難于計算的建筑加固工程中，空間受限，最好的選擇軍事工程，抗爆工程當然，阻尼器還是個新生事物。它的應用方面和理念都還在開展，并有廣闊的開展空間。3.阻尼器的使用方法液壓粘滯阻尼器幾乎是唯一可以既減少結構受力又減少結構位移的消能減振阻尼器。在結構應用中我們只要目標明確，安放適宜就可以起到它的作用。對于具體結構的安置目的，我們不妨大體分成下面二類作介紹：1〕為減少主體結構的水平振動，同時減少主體結構主體結構在水平振動下的受力和位移。包括框架結構，單廠排架系統，大跨空間結構的梁柱體系，阻尼器都可以以此為目的來設計。2〕為減少振動中整體或局部位移，以減少振動中的位移為主要目的，阻尼器本身的直接耗能可能并不大，而是尋求系統整體作用。常用的有：配合根底隔振加設的阻尼器：配合屋蓋系統與柱頂相連處的阻尼器：多塔結構間連走廊處所用的阻尼器。減少整體結構水平振動的TMD系統減少局部或整體垂直振動的TMD系統設備根底及重要的管道系統用減振系統3.1消能減震支撐阻尼器安裝在建筑的不同位置，可以到達設計的不同目的。隨著阻尼器在結構抗震、抗風等工程工程上應用的開展，很多結構上采用了不同安裝方式、組成不同類型的安置模型。總結目前阻尼器在結構上的安裝方式，主要有對角支撐，人字型支撐和垂直放置等。對角支撐在結構的對角支撐的位置方向上安置阻尼器，看上去和傳統的結構對角支撐很相似。其連接方式簡單，阻尼器的作用清楚，廣泛被結構工程師使用，常被標為“阻尼支撐〞。實際上，對于無剛性的液體粘滯阻尼器，它完全不是一般概念下的支撐，而是僅僅增加阻尼的體系。如果我希望它增加和剛度和阻尼兩方面起作用，應該采用液體粘彈性阻尼器。這種連接方式中，阻尼器的利用效率較低，在傾角等于37°時，僅為0.8。注意：這樣使用的阻尼器應為一端餃接、一端固結，兩端鉸接會形成三餃一線的失穩狀態。圖3-1某結構安置的對角支撐阻尼器人字形支撐這是一種完全用來減少水平層間位移的體系，阻尼器的一端通過一個“人〞字型支撐和該層下樓層結構相連并運動一致。而阻尼器的另一端和樓層上端結構相，運動一致。支撐的“人〞字交點處與上梁并不作受力連接〔僅允許水平滑動〕。注意：人字支撐與主體柱下端〔結點〕的連接一定為剛性連接，切勿用成餃接。這種連接對水平層間運動的耗能作用優于上述對角形支撐，其f=1，但對于只連一個阻尼器的體系,“支撐〞用鋼量可能大于對角連接方式。當然，人字形也可以“倒〞用成“V〞字形狀，還可以在一套“人字支撐〞上安置兩個阻尼器。圖3－2某結構安置的人字形支撐阻尼器配合伸臂桁架支撐垂直放置對于一些超高層結構，設計者通過計算發現，如果將加強層切開，放大了有彎曲變形帶來的垂直相對位移，將阻尼器豎向放置，可以得到很好的減震效果。圖3－3某結構安置的垂直放置阻尼器3.2以減少振動中位移為直接目的的阻尼器配合根底隔振加設的阻尼器根底隔振改變了結構的周期，可以大大減少結構在地震中的受力。柔性的連接將地震荷載轉化消耗到結構的運動中，起了很大的減震作用。然而，它附加產生出的位移經常是工程界難以接受的。阻尼器可以成功地減少這一振動中的位移，它已經成為根底隔震系統中必不可少的孿生手段。用于結構整體減少振動的隔振系統中的阻尼器應該通過計算，噸位不易過小。圖3－4配合根底隔振使用減少整體結構水平振動的TMD系統常用于高層、超高層結構抗風的TMD(TuneMassDamper)和LMD(LiquidMassDamper)是利用一種更為巧妙的方法減少水平風振。在一個主要結構上加設一個與目標減振振型頻率一致的小結構，就可以起到減少主結構動力反響的目的(參見附錄)。而阻尼器是為了減少這個附加共振“小體系〞的運動〔圖3－13〕。臺灣101大廈的TMD系統就是這種體系應用的典型。圖3－5臺灣101大廈配合TMD系統安置圖3－5其他配合TMD系統安置減少整體或局部垂直振動的TMD系統以減少樓板或層蓋的垂直振動為主要目的的TMD系統是花錢不多效果顯著的好方法。工程中常用到到的有以下幾類：減少大型屋蓋垂直振動的TMD系統。減少樓板垂直振動的TMD系統。空中走廊，過街天橋上安置的TMD系統。圖3－5其他配合豎向TMD系統安置4.液體粘滯阻尼器〔FluidViscousDampers〕我們常用阻尼器，未加說明時都是指這種阻尼器。〔4-1〕這里，F–阻尼力；C－阻尼系數；α－速度指數；V－為活塞桿的速度。這是個簡單的一個公式，卻也是非常容易出錯的公式。我們希望有關的設計人員在提出阻尼器的設計要求的同時，一定要自己用這個公式計算一下得到的力和速度是否合理。圖4－1液體粘滯阻尼器5.液體粘滯阻尼器的計算分析5.1阻尼器尺寸的估計與價格阻尼器和其他機械產品不一樣，一般安在結構分析的根底上選用。沒有現成統一的價目表，尋求其價格要依據以下兩個主要參數：阻尼器尋價表1所需阻尼器數量2最大阻尼力(KN)3最大沖程(mm)5.2消能減振結構的簡化計算方法設計荷載和考慮因素首先，在該標準中明確一點：所有阻尼器的設計都要基于最大地震的考慮。考慮最大地震下的低周大位移的衰減荷載考慮風荷載下的髙循環小位移下的衰減考慮重力下的受力和位移的組合考慮相關和連接部件的抗腐蝕、老化、受潮和化學暴露的影響考慮阻尼器的工作環境設計參數的選取請注意以下幾個參數的取值問題：設計阻尼比的選擇在設計阻尼器前我們首先要設定一個目標阻尼比，通常我們建筑結構的阻尼比在1%～5%之間，原那么上我們可以提高到20%～50%甚至更高，我國抗震標準那么提出附加阻尼比不易超過20％。美國ASCE－7限制阻尼比在35％以上選用。這是因為當附加阻尼超過35％時，結構的減震效果明顯降低。一般按經驗，我們常選定在20%左右。速度指數確實定我們在有關阻尼器的中，已經介紹過關于速度指數上的問題。阻尼器可以按照用戶選定的速度指數α進行設計，用于土木結構的阻尼器速度指數一般可以取0.1～1之間。A)線性阻尼器的阻尼力與阻尼器作用速度成線性關系，提高了耗能效果的非線性阻尼器可以在保證到達同樣的減振效果的同時，降低30％以上阻尼出力，從而也減小在大震下阻尼器連接件的負荷。B)一般的說，雖然速度指數越小時可以消耗較多的能量。計算原理和步驟我國抗震標準規定：消能減震結構的地震影響系數可根據消能減震結構的總阻尼比按標準〔抗震標準〕條的規定采用。當建筑結構的阻尼比按照有關規定不等于0.05時，地震影響系數曲線的阻尼調整系數和形狀參數為：曲線下降段的衰減指數；〔1〕阻尼調整系數；〔2〕消能減震結構的總阻尼比應為結構阻尼比和消能部件附加給結構的有效阻尼比之和消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算：〔3〕式中為消能減震結構的附加有效阻尼比，為第j個消能部件在結構預期層間位移下往復一周所消耗的能量；設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能；不計及扭轉影響時消能減震結構在其水平地震作用下的總應變能可按下式估算：〔4〕式中質點i的水平地震作用標準值；質點i對應于水平地震作用標準值的位移；速度線性相關型消能器在水平地震作用下所消耗的能量可按下式估算：〔5〕式中消能減震結構的根本自振周期；第j個消能器由試驗確定的線性阻尼系數；第j個消能器的消能方向與水平面的夾角；第j個消能器兩端的相對水平位移；工程中利用粘滯阻尼器直接消能減震時根本以非線性阻尼器為主，速度指數取值一般在0.3～1.0之間，原因是非線性阻尼器在低速運動〔如小震或風荷載〕中也可以獲得較好的減震效果，提供較大的出力，并吸收更多的能量，獲得更大的滯回曲線。標準并未給出非線性阻尼器給結構帶來附加阻尼比的具體算法，也沒有給出線性與非線性阻尼器之間的等效轉化公式，很多設計者在實際工程中難以直接采用這種計算方法，因而很難精確確定附加阻尼比的大小，未能在實際設計中考慮附加阻尼比對結構抗震能力的改善，結合美國相關標準計算線性阻尼器和非線性阻尼器的等效方法，此處對我國抗震標準對應環節做出如下補充：對于工程采用非線性阻尼器的情況，需將非線性阻尼器阻尼系數等效轉化為線性阻尼器阻尼系數之后再通過我國抗震標準推薦的方法進行附加阻尼比公式計算。首先根據結構相關信息求出阻尼器的最大運動速度〔6〕為第j個消能部件在結構預期層間位移下的最大運動速度；通過阻尼器的最大速度和線性阻尼系數求出線性阻尼器的最大出力〔7〕式中為第j個消能部件在結構預期層間位移下的最大出力，再根據相同速度工況下阻尼器出力相等的等效公式求解阻尼器的非線性阻尼系數〔8〕〔9〕式中為第j個非線性消能部件在結構預期層間位移下的最大出力，第j個非線性消能部件在結構預期層間位移下的最大運動速度；為第j個非線性消能部件的速度指數。因此，非線性的阻尼器相關參數，通過出力等效公式便可轉化為線性阻尼器參數，進而估算出采用阻尼器給結構帶來的附加阻尼比。消能減振結構的時程分析法結構分析中使用最多的是采用地震波輸入的時程分析。采用時程分析法求解消能減振結構是一種精確計算方法，它可以根據實際情況建立計算模型，考慮質量及剛度分布，并時時輸入地震動加速度，可以防止由于簡化附加阻尼器后所帶來的非正交阻尼矩陣的計算誤差，可以考慮地震動的烈度、頻譜特性及持時，可以很容易的處理阻尼器的非線性問題。目前由于大型有限元程序的普及，這種方法正逐漸普及。在美國大都采用SAP2000和ETABS程序進行計算機分析。對于大型復雜結構我們建議采用時程積分的方法進行計算，其分析的過程應該是：設計地震，地震記錄的選擇；建立結構分析模型，為了考慮施加阻尼器的位置，應該作未設阻尼器下的計算分析，找出結構的薄弱層和施加阻尼器的最正確位置，確定控制目標；選擇安置阻尼器的位置，設計阻尼器的類型和參數。并將設計的阻尼器輸入計算模型；計算分析。一般可作彈性分析加非線性阻尼器；計算結果的后處理和滿意程度判斷；對于不能滿意的結果，或需要更好的優化設計，可以按III-IV-V的順序進行迭代設計，直到滿意為止。最初，可以首先采用線性阻尼器對結構進行彈性時程分析，得到結構的耗能情況，作判斷阻尼器安置位置的概念設計，并進一步對結構進行非線性阻尼器的分析并優化設計，如果時程分析的計算結果不能滿足我們的設計要求，如位移過大，可以調整阻尼系數重新計算。如果受力過大，可以調整阻尼比或分成多個阻尼器解決。地震波輸入在進行時程分析過程中，很重要的一步就是選擇有效的地震波加速度數據。所選用的地震波應與結構所處的場地和設計反響譜相符，選取地震波時應注意以下內容：所選取的地震波的場地類別與工程場地特征周期應相同或著比擬接近，同時可參照結構第一振動周期；應根據該地區抗震設防烈度調整地震波的加速度峰值；地震波所持續的時間應保證結構的非線性工作可以全部展現，其持續時間至少應為結構自振周期的2～3倍；選用波形的數量，根據我國抗震標準之規定，應不少于兩條天然波和一條人工模擬波；在美國ASCE－7標準中要求計算7條以上的地震記錄并取平均值作為設計考慮。人工地震波可以模擬設計反響譜，也可以按照場地特性進行合成。阻尼器的計算參數阻尼器的位置及參數設定是一個需要反復調整及迭代的過程。目前由于非線性阻尼器具有較高的耗能能力，應用較多，但同時由于阻尼力的非線性也增加了計算的難度。一般來說，非線性粘滯阻尼器的減震特點是：在阻尼系數一定時，如在0.1-1范圍內隨指數增大，同樣阻尼力的情況下控制效果可能下降，耗能能力降低；當阻尼指數一定時，隨阻尼系數的增大，阻尼力逐漸增大，控制效果逐漸增強，層間位移成減少趨勢，當然，輸出阻尼力大了阻尼器的費用也就隨之增加。圖5-2非線性阻尼元件圖示圖5-3Sap2000非線性阻尼器在圖5-3Sap2000非線性阻尼器其非線性力-位移關系為：〔5-17〕單元總變形為彈簧變形與阻尼變形之和： 〔5-18〕式中，F為單元非線性出力，k為彈簧剛度，c為阻尼系數，dk為彈簧變形，為阻尼變形速率。阻尼指數必須為正值，使用的取值范圍為0.2～2.0間(當小于0.2時，有可能引起計算結果不收斂)。Sap2000建議假設期望純阻尼行為(如普通液體粘滯阻尼器〕，彈簧的效果可通過使其足夠剛性來忽略，彈簧剛度值可為其他桿件剛度的100倍～10000倍，其剛度不易取值過大，以免引起數值問題。圖5-3為Sap2000中進行阻尼器單元設置的窗口，在設置窗口中分為線性工況與非線性工況兩局部，分別用于線性時程分析和非線性時程分析兩類計算工況。在非線性分析時那么忽略阻尼器單元內的線性局部，非線性振型疊加法可考慮非線性單元的設置，而非線性時程分析法可考慮Sap2000中的任何非線性因素，包括材料的非線性、幾何非線性以及非線性阻尼器這類的非線性單元。計算方法描述時程分析所采用的方法有許多種，如線性加速度法、Newmarkβ法、Wilsonθ法、Runge-Kutta法及中心加速度法等。Newmarkβ法和Wilsonθ法由于計算精度高、誤差容易控制、計算效率較高，目前較為常用。通常情況下，附加阻尼元件的計算模型在進行時程分析時需要較長的時間，如果還需要考慮材料彈塑性，且模型計算單元及節點較多時，那么需要更多的計算時間及計算數據量。如果僅考慮非線性元件(阻尼器)的非線性，那么更為快速和有效的方法是由美國教授Wilson提出的非線性模態分析法，這種方法雖然不能考慮主體結構非線性，但是可以考慮阻尼器對結構產生的非線性特性，這種方法計算量很低，對于高層及大型結構的減震效果計算分析是非常有效的。在美國，一般認為，對于一般工程設計，這就足夠了。對于結構阻尼比的設定可以采用常數阻尼比，即假定結構全部振型的阻尼比相同，常數阻尼不能考慮阻尼隨頻率和振型的變化；更為有效的方法是采用Rayleigh阻尼，需要指定兩個卓越周期或頻率所對應的阻尼比值，通常可以選定兩個振型參與系數相對較大的周期或頻率作為參考。當結構比擬復雜時，應確保所計算的振型數的累積有效質量率大于95％，還應保證頻率范圍足夠覆蓋加速度反響譜的主要范圍。消能結構的后處理及分析比擬通過對計算結果的后處理可以有效評價消能減振結構的減振效果，在后處理的過程中應分別提取結構在設置阻尼器前及設置后的反響信息，并進行如下幾個方面的比擬：層間位移的比擬〔StoryDrifts〕，對于混凝土框架結構而言，這項指標非常重要，它往往代表結構所具有的變形能力；樓層加速度的比擬〔FloorAccelerations〕，一方面反響了結構在脈動風作用下舒適度情況，另一方面那么說明通過設置阻尼器可以降低結構構件在地震作用下的受力；基底剪力在控制前后的比擬〔BaseShear〕，對于一些基底剪力缺乏的結構加固工程，這經常是一項控制指標，代表著結構柱受到剪力的削弱情況；頂點位移的比擬〔RoofDisplacement〕，某些標準的控制指標。一方面可以通過數字列表的方式進行比照，也可采用圖形的方式進行效果分析〔如下列圖所示〕。圖5-4時程曲線比照(位移)需要補充的是，標準要求各地震輸入的時程分析計算結果應與設計反響譜的計算結果比照，其誤差要控制在一定的范圍之內。如抗震標準要求采用彈性時程分析時每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反響譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反響譜法計算結果的80%。最后，需要訂貨采購的阻尼器應列出下表中的各個參數。這些都是生產阻尼器時所必須知道的。表5-6定貨阻尼器的主要參數1最大阻尼力(KN)2最小平安系數3從活塞位于中點計算,最小可以運動位移〔最大沖程〕(mm)4阻尼系數C(kN/(m/s)α)5阻尼的速度指數α6使用溫度7最大風能輸入〔如果要求〕8最大的阻尼器尺寸〔如果空間有限〕9阻尼器的安置示意圖〔如果已有〕5.4抗風用阻尼器的設計結構設計需要進行抗風計算，特別是高層結構和形體特殊的大跨結構等。一般說來抗風計算按照《高層建筑設計規程》用等效靜力法進行分析。對于有特殊要求的結構，可以根據風振曲線的時程積分計算。風振曲線的獲得要結合場地風的特性，可以由作風洞試驗的單位提供，也可以人工合成人工風振曲線。6.阻尼器的連接兩端餃接多數阻尼器的安置是這種形式。兩端用銷子和支架相連，連接處內設球形轉承。與銷軸垂直的平面