黏滯阻尼器結構設計與試驗研究

陳忠海，文 登，唐 璐，韓鵬飛，楊 全

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

近年來，地震、颶風等自然災害頻繁發生，造成了巨大生命和財產損失，促使結構減(隔)震技術成為新的研究熱點之一。隨著技術的不斷發展以及人們對建筑抗震能力的重視，黏滯阻尼器(下稱阻尼器)被越來越廣泛地應用到諸多國家重要基礎設施、特大橋和跨海大橋等建筑工程上[1-4]，成為建筑減(隔)震領域最受工程師青睞的減震吸能設備之一。國外對于阻尼器的研究始于上世紀九十年代，以泰勒、毛勒為代表的阻尼器廠商對我國進行了嚴密的技術封鎖。為了取得技術上的突破，國內眾多科研院校和企業如東南大學[5]、南京丹普科技工程有限公司、上海材料研究所和株洲時代新材料科技股份有限公司[6]等高度重視阻尼器的基礎研究與設計，相繼推出了研究成果或產品，我國的阻尼器技術開始進入高速發展時期。

本文主要進行某阻尼器的結構設計與試驗研究工作，闡述了阻尼器基本工作原理，對缸體、活塞桿等主要部件進行了強度核算，并開展了耐壓、慢速、速度相關性和頻率相關性等性能試驗，以尋求一種阻尼器設計與研究的方法。

1 阻尼器工作原理

本文研究的阻尼器屬于孔隙式結構，當阻尼器處于工作狀態時，介質反復從阻尼器高壓腔經過細長阻尼孔進入低壓腔。從能量的角度來說，阻尼器能量損失可以分為沿程阻力損失和局部阻尼損失。沿程阻力損失沿整個通道長度分布，局部阻尼損失主要出現在進口起始端和出流段。從力學角度分析，阻尼器的阻尼力響應是其減震耗能直接表現，泰勒公司認為阻尼力響應符合式(1)[7]

式中:F為阻尼力;v為活塞速度;C為阻尼系數;α為速度指數。

2 結構設計

2.1 結構介紹

圖1所示阻尼器屬于雙出桿阻尼器形式，其主缸內充滿介質流體，副缸無介質，當活塞向右運動時，部分活塞導桿進入副缸內，反之亦然。該種結構形式的阻尼器主缸內介質始終保持體積恒定，結構和加工相對簡單，性能可靠。

圖1 阻尼器結構

阻尼器內部壓力高，阻尼力響應大，對主要結構部件的強度、耐壓強度要求高，同時還有很高的密封性要求。所以，關鍵結構的設計和強度檢驗是阻尼器設計非常重要的一步。從圖1可看出，阻尼器包括活塞、活塞桿、缸體、耳環、連接筒等部件，本文主要對缸體、活塞桿和連接筒強度計算進行詳細說明。

本文研究的阻尼器設計最大阻尼力Fmax=1 025 kN，本阻尼器具有一個限位裝置，最大限位力Fx=3 350 kN，設計位移S=±550 mm;阻尼力F與速度v符合式(1)，且C=1 250/v0.3，α=0.3。基于阻尼力響應要求，阻尼器驗收要求規定:試驗阻尼力輸出應處在理論阻尼力輸出的±15%以內。

2.2 關鍵部件力學校核

2.2.1 缸體

缸體主要承受內部壓力，屬于阻尼器最重要的部件，它的力學性能將直接決定阻尼器設計的成敗。缸體設計需要從軸向應力σ、工作壓力P和塑性變形3個方面進行校核。

缸體采用材料為45#鋼，其屈服強度σs=355 MPa。缸體外徑D1=350 mm，缸體最小外徑D1min=322 mm，內徑D=250 mm，缸體最大內徑Dmax=278 mm，活塞桿直徑d=120 mm。

缸體軸向應力按式(2)計算，其值小于屈服強度σs的一半，滿足要求。

工作壓力P按式(3)計算

工作壓力應小于最大壓力Pmax=0.35σs(D21－D2)/D21=60.9 MPa。

主畫面中，正中的主要區域顯示焊接電流、焊接點數，字體采用大字體以方便操作人員觀看。在畫面的頂端留出一個小的長條窗口，焊機正常時，該窗口顯示綠色，當發生故障時，該窗口顯示紅色，同時以走馬燈的方式顯示報警信息。在窗口的下端，加入一個長條按鈕，按鈕上注明：參數設置。當點擊該按鈕時，畫面進行切換。

為避免缸體發生塑性變形，工作壓力必須滿足公式P≤0.35 PPL，塑性變形壓力PPL=2.3σslg(D1/D)=119.3 MPa。

2.2.2 活塞桿

在阻尼器中，活塞桿主要承受軸向力，故需要對其進行軸向應力校核。活塞桿的材料為40CrNiMoA，屈服強度σs=835 MPa，最小直徑 dmin=92 mm，安全系數 n=1.5，計算得，σ =503.9 MPa≤556.7 MPa，計算結果說明活塞桿滿足軸向力要求。

活塞桿屬于細長桿，需按式(4)[8]進行穩定性計算，為了保證活塞桿的穩定，實際軸向力Ps必須不大于失穩臨界力Plj。此時，Ps=Fx=3 350 kN，取安全系數 n=1.5，經計算 Plj=3 392.0 kN，Ps≤Plj，計算合格。

式中:E為彈性模量，E=2.06×1011Pa;I為活塞桿抗彎截面慣性矩;μ為長度系數，μ=0.7;l為活塞桿計算長度，l=1 540 mm。

2.2.3 連接筒

連接筒主要承受軸向力，連接筒材料為45#鋼，其屈服強度σs=355 MPa。連接筒外徑DL=380 mm，連接筒最大內徑DLmax=338 mm，取安全系數n=2。經計算，σ=141.4 MPa≤177.5 MPa，此時連接筒軸向應力小于許用應力，計算合格。

3 試驗分析

圖2 阻尼器試驗

3.1 耐壓性能試驗

耐壓性能試驗的目的是為了檢驗阻尼器的密封性能以及各部件承壓能力。具體方法如下:將阻尼器的一個注油口與液壓加載設備連接，確認注油口及其它部位密封好后，控制加載設備向注油口中注入與試樣相同黏度的硅油，使其內部壓強緩慢上升。待壓強上升至設計最大壓強的1.25倍時，停止注入硅油，并保持這個壓力值120 s以上。試驗后，阻尼器無滲漏、屈服、破壞等現象即為合格。

3.2 慢速試驗

慢速試驗進行三角波位移加載，目的是為了測量在模擬溫度變化引起的運動或準靜態載荷作用下阻尼器所產生的軸向阻力。具體方法:對阻尼器加載一個振幅為S的全行程運動，恒定速度不小于0.1 mm/s。振幅S應該符合由溫度變化引起的一般最大位移，可以由工程師制定，但一般不小于10 mm。要求實際阻尼力不應大于設計最大阻尼力Fmax的5%為合格。阻尼器阻尼力為15.4 kN，小于Fmax的5%，即該阻尼器合格。

3.3 頻率相關性試驗

阻尼器的阻尼力響應對于速度和頻率相對比較敏感，頻率相關性試驗的目的就是為了研究阻尼力與頻率之間的關系。判斷阻尼器頻率相關性合格的依據是各種頻率下的阻尼器輸出處于基頻下阻尼力的±15%內。將阻尼器調整至初始長度，然后按正弦函數u=u0sinωt(其中ω=2πf)對阻尼器施加3個完整的位移循環。本文選取的頻率段有 0.18，0.27，0.36和0.45 Hz，其中0.18 Hz為基頻。由此可以計算出加載速度0.52 m/s時的位移值，如表1所示。選取阻尼器試驗過程中第2個位移循環的滯回曲線，如圖3所示，取阻尼器的最大阻尼力響應為其在速度0.52 m/s下的阻尼器輸出值。從表1可以看出，當頻率f=0.45 Hz時，與基頻下阻尼力的誤差達到最大值5.67%，該值在工程誤差允許范圍之內，阻尼器的頻率特性滿足設計要求。

表1 理論值與試驗值對比

圖3 阻尼器頻率相關性滯回曲線

3.4 速度相關性試驗

速度相關性試驗是阻尼器試驗中最為重要的試驗，它能夠體現阻尼力—速度的關系，其結果是評價阻尼器性能的依據，阻尼器的需求方往往對該項試驗特別關注。在阻尼器進行設計過程中，設計師一般都是根據式(1)，按照阻尼系數C和速度指數α的目標值進行設計。

速度相關性試驗時，對阻尼器按正弦函數u=u0sinωt(其中ω=2πf)加載，使其在5個不同運動速度下分別進行3個完整位移循環運動，設置頻率f=0.18 Hz，所得理論值與試驗值對比如表2所示。同樣選取第2個位移循環的滯回曲線，并按照建筑抗震歐洲標準規定，速度v對應的阻尼力應該是拉伸與壓縮時最大阻尼力。

表2 理論值與試驗值對比

分析表2可知，阻尼力試驗值與理論值最大誤差為12.7%，雖然當阻尼器速度為390 mm/s和520 m/s時，其誤差較大，但仍然滿足設計要求。

4 結論

按照設計要求規定，本文對某阻尼器進行了詳細的結構設計與試驗分析。分析數據和試驗結果表明:阻尼器產品試驗結果正確，各項性能符合抗震標準與產品設計要求，具有較好的減震吸能效果，較好地滿足了客戶的需求。本文采用的阻尼器設計與試驗方法正確，具有很好的可行性和一定的通用性，對于同類產品有指導意義。

[1]周友權.黏滯阻尼器在金水溝特大橋中的應用研究[J].鐵道標準設計，2012(2):66-77.

[2]劉朝福，楊起，保石才.黏滯阻尼器在高墩連續梁橋抗震設計中的應用[J].世界地震工程，2011，27(4):129-135.

[3]崇敦，徐虎.黏滯阻尼器在某中學教學樓加固中的應用[J].低溫建筑技術，2012(5):70-72.

[4]姚宗濤，楊曉明.黏滯阻尼器在鋼結構加層改造中抗震性能研究[J].青島理工大學學報，2012，33(1):35-41.

[5]黃鎮.非線性黏滯阻尼器理論與試驗研究[D].南京:東南大學，2007.

[6]郭強，陳彥北，唐璐，等.大噸位雙出桿黏滯阻尼器開發的數值模擬與實驗研究[J].世界地震工程，2012(1):112-117.

[7]Taylor Devices，Inc.Seismic Isolation Products[EB/OL].[2012-05-14].http://taylordevices.com/dampers-seismicprotection.html.

[8]唐駕時，彭獻.工程力學(上冊)[M].北京:中國科學文化出版社，2003:166-175.