粘滞阻尼器

工程结构用液体粘滞阻尼器的结构构造和速度指数

摘要：用于增加阻尼、耗能减振的液体粘滞阻尼器已经得到越来越广泛的认同和工程应用。然而，世界上先进的液体粘滞阻尼器内部的结构到底是怎样的？我们可能看到的图片和文字中介绍的外置或内设油库、外置或内设阀门、活塞小孔、单出杆或双出杆都是什么零件？有什么作用？特别是我们结构设计要给出的阻尼器速度指数是怎样实现的？我们想尽我们所知作一个介绍和分析。各种阻尼器产品的速度指数是阻尼器的一个重要标志。希望速度指数能在一定范围内由设计者自由选择，也是设计者优化设计的需要和期望。不幸的是，世界上实际仅有极少数阻尼器生产厂可以满足这一要求，生产出速度指数不同的阻尼器。介绍世界各种液体粘滞阻尼器的构成。其先进厂家和阻尼器的发展过程和设计理念，希望为阻尼器的生产者和使用者提供参考。

关键词：速度指数油库阻尼器阀门活塞小孔双出杆

Abstract: The Fluid Viscous Damper (FVD) get more and more acceptable and application of the structural engineers in the world. However, few structural engineers concern its construction. What is damper's external or internal accumulator, external or internal damper valve? What is damper orifice? What is run through piston rod? What kind of function these parts have? Especially, how to realize the different value of velocity exponents in the dampers? The above questions will be discussed here. It is a important symbol of damper quality the damper velocity exponents. Free choose of the exponents in certain range is need by design optimization. Unfortunately only few damper manufactories are able to make damper with different exponents Introduction of the construction of damper and design ideal is to be reference for both damper's maker and users.

Key worlds : Velocity Exponents Accumulator Damper Valve Orifices Run Through Piston Rod

?前言

我们所谈的是速度型液体粘滞阻尼器。这种阻尼器基本公式为：

F=CV α （1 ）

这里，F －阻尼力；C －阻尼系数；α －速度指数。速度指数为 1 时，为线性阻尼器。不等于 1 时通称非线性阻尼器。我们工程中常用的范围为α 在0.3 ～1.0 之间。一般的说, 速度指数越小阻尼器的耗能越大（见图 1 ），但对结构未必是最优状态（见后）。

图 1 不同速度指数的位移－阻尼力模型

经过几十年发展起来的阻尼器基本构成如图 2 所示。

图 2 单出杆阻尼器示意

从目前所有证据和各种试验报告显示, 世界上目前几乎只有美国泰勒公司可以生产速度可以任设计者选择的阻尼器。我们将在下文中介绍这一令人难以置信的事实。实际上，在美国Enidine 停止生产，和它合资的法国Jarrt Structures 公司破产后，在我国出现的国外产品，已经几乎没有一家自己说可以生产速度指数可以任意选择的产品了（见表 1 ）。

表 1 不同厂家的产品所定义的不同速度指数

* 以上情况主要根据产品目录和公开发表的论文，网上资料，如有不对，请原谅并指出。

国内厂家的产品都自称可以生产出速度指数可以任意变化的阻尼器。然而，目前国内实际上还没有这样相应大型测试设备，也没有经过由政府或协会组织的公开鉴定测试。我们不作评述。我们还是先简单介绍一下国际上阻尼器速度指数相关技术的发展过程。看上不难，但经过了几十年发展起来的液体粘滞阻尼器的过程。

当然，大家都说自己做的是油阻尼器，我也就先从油阻尼器说起。

实际上，生产厂家速度指数的大小是观察其产品生产工艺和性能的一个重要观察口。它是阻尼器生产技术中另一个难以解决的重要问题。

?阻尼器的构造

为了说明问题，我们只能从头说起并涉及的阻尼器结构中的其它部分。

2.1 油库和阀门

油阻尼器，最初发展阶段，几乎都设有外置油库。请看FIP, Mauler, Alga 等阻尼器厂家的图。

图 3 Mauler 阻尼器

图 4 FIP 阻尼器

图 5 Alga 阻尼器

从这些阻尼器的图上都可以看出它的外置油库。这些外置油库很容易破坏，而影响阻尼器的寿命。到了70 年代以后就开始有了内置油库。见图 2 中美国Taylor 公司, 和图6 中Enidine 公司的图片所示。

图 6 美国Enidine 过去生产的阻尼器

这一油库的目的主要是：

1 ，在单出杆（阻尼器活塞杆仅一端支撑，另一端活塞头滑动）的阻尼器内部，活塞杆占油室的体积在运动中要平衡，必须设有油库补给或放出。

2 ，加大用油体积，也就可以吸收更多的热量。

3 ，一些不能做到严密封闭、不漏油的厂家用油库来补充漏油。

可见，设置油库至少对于单出杆阻尼器是必须有的一部分。油库不能是个自由开通的部分，必须设置控制阀门。这种控制油库开通与否的阀门就成了阻尼器内第一个易损零件，也是我们要谈的第一阀门。

80 年代以后美国先进的阻尼器生产厂家将用在其它领域的双出杆阻尼器引到我们结构工程阻尼器中应用。这种内设油库并有油库阀门的阻尼器就很少在我们以抗震为目的的阻尼器中应用，容易破坏的第一个原因不存在了。这种双出杆并没有油库的阻尼器也就开始被大力推广使用。

当然这种单出杆设油库的阻尼器并不是一无是处，油库加大了可以耗散更多的热量。在美国最近生产的功率较大的斜拉索和TMD 阻尼器上，会起到很好的作用[1] 。

2.2 控制速度指数和实现

最初作为阻尼器系统在桥梁上应用是从缓冲器——锁定装置——阻尼器的发展过程。和我们称之为阻尼器外表样子一样的锁定装置实际先于我们现在说的阻尼器在桥梁上得到应用。和耗能阻尼器相比，它比较容易制造。和阻尼器一样，在温度等慢速作用下，它可以自由运动。在速度超过其控制值时，它会像汽车中的安全带一样将运动锁住，起到分散和转移受力的作用。确切地说，它仅是一个“ O ”“ 1 ”开关。最初，在缓冲器中的硅质胶泥就被美国ASSHTO 规程[2] 允许用在锁定装置里。后来，欧洲和美国均使用硅油作锁定装置的粘滞材料。

相对阻尼器，用硅油的锁定装置的制作也比较简单，只要在活塞头内设置一个提升式阀门（阻尼器内第二个易损零件）。这种作为“ O ”“ 1 ” 开关用的装置就可以实现。这不仅是我上述提到的欧洲阻尼器厂家的作法，其实也是核电站中一些称之为阻尼器(Snubber) 厂，如德国lisega ，上海理工大学附属工厂的作法。

图7 德国Lisega 公司的阻尼器图8 上海理工大学阻尼器

最理想的办法是靠活塞头的小孔来实现调整速度指数。只要能把速度指数调整到 2 以上（一些小圆孔就可以实现），它就可能成为锁定装置。但要能达到不同的速度控制起点，多数厂家还是要借助于控制开关。

克服了以上易损阀门的缺点，作为另一个彻底的创新，完全靠活塞头上小孔的形状就可以调整速度指数在0.3~2 中变化（图9 ，图10 ）。再加上双出杆，高度密封等技术，就形成的现代的阻尼器( 图11) 。它已经完全摆脱了阻尼器内的两个易损零件——阀门。不但延长了阻尼器的寿命，也大大降低了阻尼器的造价。

图11 双出杆阻尼器概念图

在这竞争激烈的世界上，阻尼器厂家都想攻破这一难关，模仿出类似的阻尼器。据我们了解，至今欧洲的厂家没有一个得以成功，他们还采用外置或内置阀门。唯一例外是美国Endine 公司，他们一定程度地掌握这一新的专利技术，可以不用活塞头阀门制造出速度指数可以变化的阻尼器。但他们没有解决阻尼器的另一大问题——漏油问题，也不善于使用好的阀门控制，其合营公司Jarret Structures 在加州政府大楼的

256 个阻尼器工程中检测出30 个失控产品，最终导致了公司破产。到目前为止，就只有美国泰勒公司可以有证据的证明，他们的产品可以做到速度指数在0.3~2 中的自由调整。

要说明的是，当速度指数小于0.3 时，阻尼器活塞孔内的高压和极高的速度很难控制。也就是说，出自硅油本身的性能特点，即使用复杂的活塞小孔，欧、美、和日本都做不到不用阀门实现小速度指数（小于0.3 ）的阻尼器。欧洲的阻尼器公司大都说可以做到阻尼器的速度指数为0.015 ，0.15 ，0.2 。实际上，他们都是用阀门控制的。要指出的是，当速度指数小于0.2 时，我们常用的SAP2000 和ETABS 计算机计算程序都因可能的不收敛而不能使用。如果我国的阻尼器生产厂真在这方面有了实在的发展，拿出测试数据，将是世界阻尼器科技发展上的大事。

当然，研究过阻尼器结构的人都知道，生产这种阻尼器的困难不仅如此，怎么能实现阻尼器中阻尼系数 C 和速度指数都能按设计者自由选择是最困难的。通常，先进的阻尼器的阻尼系数是靠活塞头上小孔的大小和形状调节的。

我们还想介绍一下以下两种另类阻尼器和其速度指数。

3 ．硅胶产品和速度指数

法国Jarret 公司试图打破硅油产品的主导地位，在90 年代初，他们用早已用于缓冲器的硅胶制造了“阻尼器”。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，同时申报了专利。现在专利已经过期。60 年代，泰勒公司就发现这种材料的温度稳定等性能极差，无法达到液体弹簧和阻尼器的高精度要求。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。

为了取得产品的论证，Jarret 委托美国国家地震研究中心（MCEER ）做了产品的性能测试。不幸的是，实验结果实际已显示了这种设想的失败[3] 。这种硅胶阻尼器只能在 1 、3 两个象限内工作，耗能系数小于40 ％（图12 ）。

图12 Jarret 滞迴曲线

试验还给出了一个不具备重复性的复杂公式。

(8)

该阻尼器的阻尼力分为位移影响的刚度部分和速度引起的粘滞部分。式中K 1 、K 2 分别为阻尼器的第一和第二刚度。P y 为阻尼静压力。α 为速度指数。

更重要的是，这种硅胶阻尼器随温度变化太大，导致了它很快被工程和学术界否定。当然，他避开了欧美市场，到刚刚开始了解阻尼器的中国和东南亚推广产品。他们做得应该是很成功了。在北京做了很多重要工程。国内的一些厂家也纷纷公开和半公开地模仿他们的产品，制造自己的阻尼器[4] 。

法国Jarret 自知计算公式过于复杂，这种蝴蝶形恢复力模型的阻尼器也很难重复和推广，其后发布的恢复力模型呈接近摩擦阻尼器的矩形，并订为速度指数为0.2. 。笔者问过很多人，他们怎么从这试验得来的蝴蝶形恢复力曲线变成接近摩擦阻尼器的矩形。是将硅油稀释的结果？（稀释：如可以成0.2 ，欧美公司早就用稀释的油来实现了）还是内部摩擦性能的体现？我们已经另文介绍阻尼器内的摩擦是十分有害的因素[1] 。很容易引起阻尼器的破坏。

两年前，法国Jarret 自知产品有不可克服的缺点，决定放弃生产这种用硅胶的“阻尼器”。他们购买了美国Endine 的硅油技术，成立了Jarret Structures 合资企业，这时，他们应该可以生产最接近先进水平的阻尼器了。

实际上，人们还试探过其它粘滞材料。还有人用过普通机油, 但普通机油对温度的敏感性很强，用在阻尼器上，使其对时间和温度的稳定性都变的很差。随着硅油及密封材料的研究成功，液体弹簧和液体阻尼器中应该采用液体硅油早已经成为共识。这种硅胶的“阻尼器”也就随之退出了国际阻尼器的舞台。对于国内的仿制品，我们建议他们实事求是地研究硅胶产品的优缺点，吸取Jarret 的教训。努力赶上世界上阻尼器的先进水平。

当然，随着法国Jarret Structures 公司的破产，这一问题的讨论应该告一段落了。但他们做过的工程谁去补救、谁来维护？在我国有了相应的测试设备，领导能了解并重视问题的严重性之后，一定会提到日程。

4 ．另类“阻尼器”

在阻尼器最初发明时就有另一个不同的发展方向：不设耐高压油腔，开放阻尼油的阻尼器。以日本Oils 公司的阻尼器为代表（图13 ），它的原理是在一个装有阻尼器油的容器中插入隔板（或芯棒），当有振动时隔板在粘滞液中摆动，粘滞液起到阻尼减振的作用。最初还做成高、扁矩形的形状，称之为“阻尼墙”。这种“阻尼锅”或“阻尼墙”可以产生阻尼作用。但因体积大、受力较小、且受温度影响大等缺点，应用范围十分有限。该公司参与了美国土木学会举行的HITEC 阻尼器联合测试。展现出较差的稳定和耐久性能。实际上没有被工程界看好。我国一些单位用这种原理制作了斜拉索阻尼器。

图13 Oiles 阻尼器

Gerb 阻尼器的基本原理和Oiles 相似，不同在于他们把容器作成圆型，再用一个钢蕊在里面上下或左右运动分别起到垂直和水平减振作用（图14 ）。

图14 Gerb 阻尼器

这种开放式的阻尼器简单、容易生产而且价格十分便宜。但它受到性能和出力大小的影响很难在工程上广泛推广。

5 ．设计中的速度指数优化

为什么我们要选用阻尼器而不是锁定装置；为什么我们又要选定不同速度指数的阻尼器，这是设计优化的需要。为了使阻尼器能在振动中耗能、减振，当然最好的办法是能制造出完全符合基本公式的阻尼器，可以供设计者在设计阻尼器时选择。科学已经发展到这一水平：可以生产出不同速度指数的阻尼器。要求如果我们在工程设计中提出这种不同速度指数的要求，就应该满足这一要求，而不是迁就不具备这种能力的产品。

有人说速度指数越小越好，对这个结论，我们有不同的看法，原则上说，α在一定范围内如0.3 ～1.0 之间时，α值越小，滞回圈面积越大（图 1 ），越接近方形，耗能看上去越好。但真要把这一结论推广到“α值越小，阻尼器效果越好”，就有很多地方值得讨论。

A ．从理论上看，α值越小，如α＝0.15 ，阻尼力和速度的基本关系式F D =CV 0.15 ，在我们常发生的速度范围V 0.15 已经接近于 1 ，该式变为F D ≈ C 。这已经成为一个与速度无关的关系式。实际上是接近摩擦阻尼的关系式。它已经离开了我们最初要求的“粘滞阻尼”的这一基本要求。

B ．摩擦阻尼器早期在建筑结构上有所应用，但已经越来越没有人看好。其原因之一是当结构的变形最大时，阻尼器仍然保持受力也最大，这对结构受力来说是经常是不可取的。观察下列两个不同的滞迴曲线（图15 ），是不难看出这一点。

图15 液体粘滞和摩擦阻尼器恢复力模

特别是当结构位移最大时刻，速度会更换方向，阻尼器出力也就随之更换方向（见图16 ）。和结构位移相同方向的最大阻尼力会对结构的变形起加大作用，它完全可能不仅起不到保护结构的作用，反而加剧结构的运动和变形。

图16 液体和摩擦阻尼器受力示意

C 、摩擦阻尼很容易发热，始终保持最大受力的“液体粘滞阻尼”也要比常规液体粘滞阻尼器更容易发热。它不仅很难保证反复多次运动后的力学性能也容易导致阻尼器破坏。因此，这种阻尼器从开始起就没有被美国、日本等抗震发达国家的结构工程界看好。

我们前面已经介绍过，阻尼器优化的目标应该是整个结构的反应，而不是单个阻尼器的简单耗能曲线。很多阻尼器的优化结果都表明，综合各项指标，其结构反应的最好状态并不是阻尼器的速度指数最小。如苏通大桥为α ＝0.4[5] 而西喉门大桥[6] 为α ＝1 。这是综合结构反应，根据需要的优化结果。

6 ．试验检测

要检测我们的产品是否满足速度指数的特定要求是很容易的。只要我们把动力测试的结果点到速度－力的关系图中，看它是否在所要求的±15 ％的误差范围内，就可以判断出来是否满足设计要求。

如，下图是江阴大桥阻尼器的测试结果（图17 ）。实际测出的点都落在α ＝0.3 的曲线的±15 ％范围内。

图17 江阴大桥阻尼器的测试曲线

这只是测试检验的一部分。我们已经多次介绍, 美国对将要使用的阻尼器产品都经过了严格预检测和出厂检测[7] 。日本也对要进入日本市场的产品进行一个严格检验，才能取得政府发给的准入证。

7 ．结论

很多人都认识到，在我们结构工程中使用液体粘滞阻尼器来耗能减振是二十世纪结构工程抗震最令人振奋的成果之一。用于抗震是十分有效的。然而，作为一个结构工程师，包括我们在内，对阻尼器的构成，对它是否能满足我们结构工程师的要求，也许并不十分了解。在我们的设计选型、使用审查和推荐上难免偏差，甚至发生错误。建议并希望我们都来花一点时间，了解这些用来抗震的装置和设备的历史、世界上各种产品的构造和性能，是十分需要的。对我们正确地使用和发展阻尼器设计会有帮助。

本文的结论是：阻尼器的结构构造和不同速度指数阻尼器的生产是个重要指标，目前世界上只有极少数的阻尼器生产厂家真正可以做到速度指数在一定范围内可以自由选择。把我们的结论，作为一个开始讨论的意见，欢迎指正。

参考文献

[1] 陈永祁“ 工程结构用液体粘滞阻尼器的漏油刨析”。钢结构，第9 期2008 。

[2] Section 32 Shock Transmission Units AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 2002 Interim Edition [S]

[3] Pekcon g. Mander J.B. and Chen S.S. (1995) " The seismic Response of a 1:3 Scale Model R.C. Structure with Elastomeric Spring Dampers" Earthquake Spectra 11(2) 249-267

[4] 黄林根，徐斌，王心方，“桥梁减震装置（大吨位阻尼器）的开发应用”。城市道桥与防洪，第6 期2004

[5] 叶爱君，胡世德，范立础，“ 超大跨度斜拉桥的地震位移控制” 土木工程学报，2004 ，No12

[6] 卢桂臣，胡雷挺. 西堠门大桥液体黏滞阻尼器参数分析[J]. 世界桥梁,2005,2:43-45 （Lu Guichen, Hu Leiting. Analysis of Parametric Sensitivity of Fluid Viscous Dampers for Xihoumen Bridge[J].World Bridge ,2005,2:43-45(in Chinese) ）

[7] 陈永祁，耿瑞琦，马良喆，“ 桥梁用液体黏滞阻尼器的减振设计和类型选择” 。土木工程学报，2007 第7 期