粘滞阻尼 滞回阻尼

论某医院住院楼阻尼墙的设计

摘要：本文结合一个减震结构设计项目的案例，阐述了粘滞阻尼墙结构的计算分析及设计中注意的问题。

关键词：粘滞阻尼墙；减震；阻尼比

0 引言

黏滞阻尼墙：根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的，是一种与活塞运动速度相关的消能器。在地震来临时，消能器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量，大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏。

根据《抗规》消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和。本工程采用YJK软件试算的方式，首先估算出当结构达到目标位移值时，所需的总阻尼比，再用总阻尼比减去结构阻尼比，就是结构所需的附加阻尼比。使用大型有限元分析软件SAP2000建立减震结构模型，并进行结构模型的弹性时程分析和弹塑性时程分析。SAP2000软件具有方便灵活的建模、模拟功能和强大的线性和非线性分析功能。

1 工程概况

本项目位于江苏省无锡市，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.1g，设计地震分组第一组，Ⅲ类场地，场地特征周期0.45s。采用混凝土框架-抗震墙结构形式，楼层数为12层，结构高度50.4m，面积19552.01m2，结构周期折减系数为0.70，属于重点设防类建筑。

经综合技术性及经济性，以及社会效益的考虑，最终选用墙式黏滞消能器减震技术。

2本工程阻尼墙设计的主要内容 （1）确定SATWE软件或软件中结构的减震目标，确定消能减震器参数和数量，以及消能减震器的安装位置及型式；

（2）计算附设减震器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应：

（3）进行弹性时程分析，复核附加阻尼比；

（4）罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与消能器相连的连接构件和结构构件的设计。

3结构计算分析

3.1 减震器的布置位置

楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则，其详细布置位置详见下列各图：

第４４卷第４期　２０１６年４月　同济大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＯＮＧＪＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｖｏ１．４４　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２０１６　文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２０１６）０４—０５３６—０６　ＤＯＩ：１０．１１９ｏ８／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１６．０４．００６　粘滞阻尼墙模型的振动台实验方法　孙飞飞　，莫　刚　（１．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海２０００９２；２．同济大学土木工程学院，上海２０００９２）　摘要：粘滞阻尼墙是一种速度相关型的阻尼器，依靠粘滞材　料的剪切变形来耗能．对粘滞阻尼器进行实验加载的传统方　法是采用高速作动器，对实验设备要求比较高．为了降低实　验成本，利用更普及的实验设备——振动台对粘滞阻尼墙模　型进行加载，提出了一种新的实验方法：实验模型中完全由　粘滞阻尼墙承担水平力，没有设置其它的抗侧构件；水平力　由与粘滞阻尼墙内部钢板相连的配重的惯性效应产生；配重　的自重通过承重构件传递到滑轮上．同时提出了高精度的数　据拟合和分析方法，可以通过计算间接得到粘滞阻尼墙的滞　回曲线．设计、制作了一个小比例实验模型，通过振动台加　载，取得了很好实验效果，证明了所提实验方法的正确性．最　后通过理论推导，针对利用振动台加载的实验设计提出了建　议方法．　关键词：粘滞阻尼墙；实验方法；振动台；实验设计　中图分类号：ＴＵ３１７．１；ＴＵ３９１　文献标志码：Ａ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　Ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｄａｍｐｉｎｇ　Ｗａｌｌ　ｂｙ　Ｓｈａｋｉｎｇ　Ｔａｂｌｅ　Ｔｅｓｔ　ＳＶｎＦｅｉｆｅｉ　，ＭＯ　。　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｄａｍｐｅｒ，ａｎｄ　ｒｅｌｉｅｓ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｏ　ｄｉｓｓｉｐａｔｅ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｉｓ　ｔｏ　ａｄｏｐｔ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ，ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｈｉｇｈ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａ　ｎｅｗ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｉｓ　ｌｏａｄｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｈａｋｉｎｇ　ｔａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｍｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　ｔｏｔａｌｌｙ　ｒｅｓｉｓｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｌａｔｅｒａｌ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｍｅｍｂｅｒｓ；ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａ１　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｅｒｔｉａ１　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａ　ｂａｌａｎｃｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｕｐｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ；ｔｈｅ　ｓｅｌｆ－ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｌａｎｃｅ　ｗｅｉｇｈｔ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｍｅｍｂｅｒｓ　ｂｙ　ｒｏｌｌｅｒｓ．　Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａ　ｄａｔｕｍ　ｆｉｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｈｅ　ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌ１．Ａ　ｓｍａｌｌ　ｓｃａｌｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｍａｄｅ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｅｄ，ｓｈｏｗｉｎｇ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ，　ｖａｌｉｄａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｆｉｎａｌｌｙ，ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａｅ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｍｅｔｈｏｄ；　ｓｈａｋｉｎｇ　ｔａｂｌｅ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　粘滞阻尼墙（ｖｉｓｃｏｕｓ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｗａｌｌ，Ｖ　Ｄ　Ｗａｌ１）　最早是日本学者Ｍｉｙａｚａｋｉ＿】　于１９８６年提出来，由　Ｓｕｍｉｔｏｎｏ　Ｃｏｎｔｒｕｃｔｉｏｎ公司研制成功的一种可作为　墙体安装在结构层间的阻尼系统，它主要由内部钢　板、外部钢板及处于内外钢板之间的粘滞液体三部　分构成，内部钢板固定于上层楼面，而外部钢板固定　于下层楼面，并且内钢板能在其中沿平面运动＿２］．实　际工程中往往在阻尼墙的外部设钢筋混凝土或防火　材料的保护墙．地震时，楼层间的相对运动使内外钢　板间产生速度差，高浓度粘滞材料产生剪切变形而　形成粘滞阻尼力，进而达到消耗地震能量的目的．该　粘滞阻尼墙体系首次应用于日本Ｓｈｉｚｕｏｋａ　Ｃｉｔｙ的　Ｎｕｔ—Ｂｕｉｌｄｉｎｇ建筑【３　中，结果证明能使框架在弹性工　作阶段的阻尼比达到２Ｏ　～３０　，显著降低了结构　的动力反应．在设计和研究粘滞阻尼墙时，通常还需　要采用模型实验＿４　来确定粘滞阻尼墙的滞回曲线．　传统的测试方法是将粘滞阻尼墙的外钢箱固定于地　面，将内钢板与高速作动器连接，利用高速作动器进　行加载　＿１ｌｊ．这种实验方法对实验设备要求比较高，　需要刚度和强度较大的反力墙，实验时比较难以找　到合适的实验装置．而在建筑结构实验中比较普及　收稿日期：２０１５—０５—０４　基金项目：上海市教委科研创新重点项目（１４ｚｚ０３５）　第一作者：孙飞飞（１９７１），男，工学博士，教授，主要研究方向为多高层钢、钢一混凝土组合结构抗震分析和设计理论　Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｆｓｕｎ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ．

阻尼器使用中的失效实例

阻尼器的使用并不是总是一帆风顺，国际上已经发生过多起由于阻尼器漏油，导致失效，返工的事故：美国一个原来生产其他减振器的公司为加州一个大桥安置的阻尼器，仅仅两年，就发生了严重漏油（见图4-1）影响了使用。现在已经重新更换翻新改造。

图4-1美国加州某漏油的阻尼器 图4-2 土耳其某公路桥在地震中的破坏

土耳其某公路桥上安置的支座屈服钢阻尼器在地震中破坏，引起桥面严重破坏（图4-2）就是另一个严重教训[11]。

实际上，阻尼器并不像有的人想象的是个可有可无的产品。经设计的阻尼器一旦失效，不仅原来的设置目的达不到，还可能会产生预想不到的坏作用。如：

 结构刚度改变，周期改变，地震力加大，引起破坏；

 不均匀破坏，引起扭转等附加力；

 变形加大引起伸缩缝处磨损破坏；

 支座阻尼器失效引起桥梁的破坏。

硅油和硅胶材料,作为化工原料阻尼器内用的硅油和硅胶两种材料，都可以在美国杜帮公司容易的买到，一种是粉色胶泥状物质，一种无色透明粘滞性液体。

50年代开始，泰勒最先把硅胶用于减振装置中。作为一次性减振没有很高参数要求的缓冲器，至今仍用这种材料作填充器。

60年代，泰勒阻尼器发现这种材料的温度稳定等性能极差，无法达到有高精度要求的液体弹簧和阻尼器的要求。随着硅油及密封材料及办法的研究成功，泰勒公司在液体弹簧和阻尼器成功的改用了液体硅油。也就是说，这是四十几年前，就已经被美国等先进生产厂淘汰的产品。这种落后四十多年的材料和技术为什么还有这么多厂家仍然应用？如前所述，估计主要是他们解决不了高压下的密封问题。

据介绍，有的生产厂家，如已经破产的Colebrand Device，就是用装置内填充硅胶材料“putty”来实现这一屈服的，这种硅胶不适合用于长期使用的锁定装置，其理由是：  硅胶在冷热中的变化非常大，当受冷（如-10℃）时，硅胶变成很硬的固体，丧失活动性，起不了粘滞作用。当加热时（如30℃）时，硅胶会变得很稀，流动性很大，粘滞性能也会丧失。

耗能方案

性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构半主动控制和混合控制。

是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和施力作术。主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质期开始研究主动控制。目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。

主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和京的清水公司技术研究所。

，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几和耗能减震技术。

置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。目前研究开发的基础和混合隔震等。近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。最近有使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振尼器（TLD）；（3）质量泵；（4）液压—质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。其中，应用最多两个重300吨的TMD，质量块在9米长的钢板上滑动，它很好地减小了大楼的风振反应，防止了玻璃幕nade桥的桥塔均安装了TMD，其减震效果均令人十分满意。日本的Yokohama海岸塔是一个高101米析表明，安装了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%，在强风作用下塔的加速度减小到原来的1/3TLD以控制其风振反应。 支撑、剪力墙等）设计成耗能构件或在结构物的某些部位（节点或连接处）装设阻尼器。在风载和小的使用要求，在强烈地震作用时，耗能构件或阻尼器率先进入非弹性状态，从而保护主体结构在强震主要有：(1) 金属阻尼器；(2) 摩擦阻尼器；(3) 粘滞阻尼器；(4) 粘弹性阻尼器；(5) 复合型阻尼滞回性能，因而被用来制造各种类型的耗能装置。常用的金属阻尼器有：软钢阻尼器、铅阻尼器和形后性能，进入塑性阶段后具有良好的滞回特性。1972年Kelly首先进行金属阻尼器的研究和实验的；形软钢阻尼器（TADAS）的减震特性。目前这两种阻尼器是国内外研究较多的软钢阻尼器。由于软钢优点，因此引起了国内外学者的广泛关注，并已在一些建筑物上开始应用。例如，在意大利Naples幢钢筋混凝土结构上均安装了软钢阻尼器，其中美国和墨西哥的情况是为了对原有结构进行抗震加固状制作不合适，会引起滞回环的畸变。