匯總結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)液體粘滯阻尼器在橋梁工程上的測試和應(yīng)用的發(fā)展

1、本文大意： 作為二十世紀(jì)結(jié)構(gòu)工程界最偉大的科技成果之一 結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)，特別是各種耗能阻尼器，在近十幾年來，發(fā)展非常迅速，超出了我們的想象。隨著阻尼器制造技術(shù)的不斷提高，各種試驗、檢驗技術(shù)的完善，精確的計算方法的、設(shè)計規(guī)范的發(fā)展，阻尼器已經(jīng)從一種附加的保護(hù)措施，錦上添花的第二防線（大震時發(fā)生）發(fā)展到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分，替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)件。數(shù)以百計的工程實例，特別是世界重大橋梁工程事例已經(jīng)給我們工程領(lǐng)域的發(fā)展帶來了質(zhì)的飛躍。墨西哥和美國加州大量設(shè)置了阻尼器的建筑和橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)受了實際地震的檢驗，給人類能在地球上安全的生活帶來了希望。本文重點介紹阻尼器在工程應(yīng)用上的發(fā)展過程和前景。1. 結(jié)構(gòu)保護(hù)系

2、統(tǒng)液體粘滯阻尼器在地震工程領(lǐng)域內(nèi)，始終存在著難以解決的問題：隨著科學(xué)和計算機的發(fā)展，使計算分析越來越精確，但是，地震荷載非常復(fù)雜而又粗糙；地震所帶來的破壞可能非常大，但發(fā)生的概率又非常之低；長期以來，工程師們往往是加大梁、柱、剪力墻用來被動抵抗，而采用更主動的辦法減小結(jié)構(gòu)所受地震力上不足。到了二十世紀(jì)末期，這種現(xiàn)象有了很大的改變。吸收和采用其他航空和機械領(lǐng)域的成果， 人們在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之外，另加的裝置：如基礎(chǔ)隔震（Base Isolation），利用各種阻尼器(Damper) 吸能、耗能系統(tǒng)， 高層建筑屋頂上的質(zhì)量共振阻尼系統(tǒng)（TMD）和主動控制( Active Control)減震體系都是已

3、經(jīng)走向了工程實際。它們往往是一些機械系統(tǒng)裝置，我們稱之為結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)。對于我們的結(jié)構(gòu)工程師，它是一種新的思路。標(biāo)志著我們已經(jīng)跳出了傳統(tǒng)增強梁、柱、墻提高抗振動能力的觀念，結(jié)合結(jié)構(gòu)的動力性能，巧妙的避免或減少了地震、風(fēng)力的破壞；對于預(yù)想不到地震，對于還不十分清楚的多維振動破壞，它有很好的預(yù)防和承受能力；它容易更換，最容易體現(xiàn)小震不壞,大震不倒的抗震原則。在結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)中，爭議最少，有益無害的系統(tǒng)要屬利用阻尼器來吸收難予預(yù)料的地震能量。利用阻尼來吸能減震不是什么新技術(shù)，在航天航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器來減振消能。從二十世紀(jì)七十年代后，人們開始逐步地把這些技術(shù)轉(zhuǎn)用到建筑

4、、橋梁、鐵路等工程中，其發(fā)展十分迅速。簡單地說，使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用，我們稱之為阻尼。而安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的“特殊”構(gòu)件可以提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，我們稱為阻尼器。我們早已經(jīng)熟習(xí)汽車、大炮、電梯間上面使用的減振器。如果把它進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化，應(yīng)用到我們結(jié)構(gòu)工程上，我們傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力方程可以寫成1214：運動方程：Mÿ + Cý + Ky +CýD= - Mÿg式中的CýD 項，就是阻尼器帶來的（先按線形列出）。只要處理正確，它總是會使運動減小。如果我們寫出能量方程的形式：能量方程：EK + E D + E S + E P

5、 = EI結(jié)構(gòu)增加了一個耗能因素E P 。結(jié)構(gòu)增加阻尼以后，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜會有很大的降低。從下列標(biāo)準(zhǔn)動力阻尼反應(yīng)可以清楚的看出（圖1）。圖1 單自由度體系不同阻尼比下的動力反應(yīng)分解成不同振型的單自由度體系的反應(yīng)隨阻尼器的增大而減少， 其多自由度結(jié)構(gòu)相應(yīng)阻尼比也就響應(yīng)增加，反應(yīng)降低。一般地說， 我們很容易通過阻尼器，使多自由度體系的整體阻尼比增加15%-30%11?？梢钥闯?，我們所熟習(xí)的減振裝置，如果能把它精確化、準(zhǔn)確化，就可以成為我們工程中可以應(yīng)用的減振器，可以稱為阻尼器或吸能器。到二十世紀(jì)末，人們設(shè)計制造出了各種方式的阻尼器。已經(jīng)成功實用的阻尼器主要的有以下三種12：磨擦阻尼 - 利用金屬（或

6、非金屬）之間的磨擦產(chǎn)生阻尼。加拿大Pall Dynamic公司的摩擦阻尼最有代表性。它的構(gòu)造簡單, 造價低。缺點是承受力較小，對于時間，溫度和濕度的穩(wěn)定性都很差。摩擦啟動時的“粘接-滑動”現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)的壞影響很大。（Stick-slip phenomenon）粘彈性阻尼- 利用一些粘彈性材料產(chǎn)生的阻尼。美國3M 公司的粘彈性阻尼在日本有了很大的應(yīng)用。但它有個初始剛度，也有溫度的穩(wěn)定性的問題。液壓粘滯阻尼 - 利用液體在運動中的粘滯特性產(chǎn)生阻尼這種阻尼器在軍事和宇航上已經(jīng)成功的應(yīng)用了幾十年，精確性好，穩(wěn)定性高，缺點是價格較高他們的滯回曲線分別如下（圖2）：液壓粘滯阻尼  

7、60;      摩擦阻尼         粘彈性阻尼圖2 不同阻尼下的滯回曲線在美國，已經(jīng)得到結(jié)構(gòu)界廣泛共識的是：這種液壓粘滯阻尼器最適于我們結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用，主要一點是，在靜止情況下，它沒有起始剛度，不會影響到結(jié)構(gòu)的其它計算（如周期，振型等）。也就不會產(chǎn)生預(yù)想不到的副作用。從圖2中的滯回曲線也很容易看出：只有液壓粘滯阻尼在最大位移時受力同時為零。這種阻尼器也就可以降低地震反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)受力的同時也降低反應(yīng)位移。這種阻尼器在其它領(lǐng)域上已有幾十年的應(yīng)用歷史，成熟的經(jīng)驗、穩(wěn)

8、定的結(jié)果，都給在建筑結(jié)構(gòu)上應(yīng)用迅速成功帶來了很大幫助。阻尼器一經(jīng)使用，就顯示出巨大的作用。最初幾年，還沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和精確的計算方法，它只是成為一種附加的保護(hù)措施在工程中應(yīng)用。隨著計算方法、規(guī)范和各種試驗、檢驗技術(shù)的完善，實際地震中的觀察和測試，它已經(jīng)完全被人們接受。阻尼器的使用已經(jīng)從錦上添花的第二防線（大震時發(fā)生）發(fā)展到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分，替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，參加結(jié)構(gòu)分析。使用阻尼器還會大大減少結(jié)構(gòu)造價。但這也就給我們在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的阻尼器提出了很高的要求，它和普通汽車、電梯間、大炮絕然不同。對我們結(jié)構(gòu)工程師說來，最重要、最關(guān)心、也一定要考慮的是以下幾方面：· 精確性，要求阻尼器不

9、僅能在定性上“減振”，還要求能精確的計算出它的阻尼力。給結(jié)構(gòu)帶來阻尼的大小。美國規(guī)范和工程界都已經(jīng)接受了阻尼器的使用。也就對阻尼器提出了更高的技術(shù)要求。計算的精確性，就成了重大因素。· 可靠性，結(jié)構(gòu)要在各種不同的環(huán)境下使用，也就要求阻尼器一定要在各種環(huán)境下可靠，如：溫度、濕度、鹽份及在各種天氣環(huán)境下的可靠。· 耐久性，長期使用的的穩(wěn)定，包括疲勞，長期應(yīng)用下的徐變等影響。· 一致性，同一設(shè)計要求的阻尼器性能要保持一致可以避免很多不良后果。這些要求，就使得我們選擇阻尼器產(chǎn)品，不能簡單地看外形，看一、二次試驗的結(jié)果。我們一定要從它的材料、設(shè)計制造、產(chǎn)品檢驗、模型和原型振

10、動分析、工程應(yīng)用、實際地震的考驗、規(guī)范和工程界接受等諸方面評價。特別要強調(diào)的是如果沒有真正深入了解技術(shù)的專家組的鑒定，沒有長時間應(yīng)用的檢驗就使用的阻尼器可能會漏油，生銹等原因引起失效或部分失效。帶來很多意想不到的有害的副作用。結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的阻尼器，是我們直接應(yīng)用航空，機械等行業(yè)的長期成熟應(yīng)用的成果。但是對于剛起步制造阻尼器的工廠說來，這項技術(shù)是個看起來容易，做起來難的產(chǎn)品。就拿在自然環(huán)境下長期收高壓使用下不漏油一點來說。也不是容易作到的。美國一個原來生產(chǎn)其他減振器的公司為加州一個大橋安置的阻尼器在大橋通車后不到兩年，就發(fā)生了嚴(yán)重漏油，（見圖3）影響了使用。現(xiàn)在已經(jīng)在美國重新投標(biāo)翻新改造。圖3 美

11、國加州某漏油的阻尼器我國幾年前在一座跨長江橋豎桿上成功的使用了TMD的技術(shù)。系統(tǒng)顯著地減少了振動。但不幸的是僅相隔四年，阻尼器就因為漏油等原因失效，只能重新更換所有的阻尼器。在我國，對于使用阻尼器歷史不長的國家，這樣的事例已經(jīng)發(fā)生了幾起。把好阻尼器質(zhì)量的關(guān)是何等重要。遺憾的是有關(guān)的立法、制度還不能健全。實際上，更困難的是要保證阻尼器在長期應(yīng)用下所有的參數(shù)都能保持不變或在允許范圍內(nèi)的微小變化。阻尼器失效，原來的設(shè)置目的達(dá)不到，還可能會產(chǎn)生預(yù)想不到的壞作用。如：結(jié)構(gòu)剛度的改變，周期改變，加大地震力。引起破壞。不均勻破壞，引起扭轉(zhuǎn)等附加力變形加大引起伸縮縫處磨損破壞支座阻尼器失效引起橋梁的破壞 配合

12、基礎(chǔ)隔震的阻尼器一旦失效，地震時會引起建筑過大位移，甚至滑出支座.圖4 土耳其某公路橋在地震中的破壞土耳其某公路橋上安置的支座屈服鋼阻尼器在地震中破壞，引起橋面嚴(yán)重破壞（圖4）就是另一個嚴(yán)重教訓(xùn)14。這就給阻尼器的制造和出廠質(zhì)量檢驗上提出了更高的要求。當(dāng)然，也給我國，質(zhì)量監(jiān)督，驗收監(jiān)理提出了更高的要求。二，阻尼器的制造技術(shù)橋梁上常用的阻尼器有以下二種：1. 鎖定（Lock-Up）裝置（Lock-Up Device (LUD), or Shock Transmission Unit (STU)，它是一種類似速度開關(guān)的裝置。當(dāng)橋梁運動到某一速度下啟動。鎖住安置兩點間的位移。這種沒有耗能的裝置。在溫

13、度，和正?；詈奢d下可以自由變形。但對于中小地震荷載，風(fēng)荷載帶來的橋梁各部分間的運動和碰撞可有效的起到減少和限制作用。2. 耗能式液體粘滯阻尼器。它不僅可以減少位移，又可以減少橋墩或橋塔的受力。先進(jìn)的鎖定（Lock-Up）裝置和阻尼器制造的材料和工藝完全相同。在制造技術(shù)上我們可以把鎖定（Lock-Up）裝置看成是一個簡單的特定阻尼器一起討論。確保阻尼器能滿足設(shè)計和使用的要求，以下幾點應(yīng)該是技術(shù)的關(guān)鍵（圖 5）：1. 粘滯液體：對于液壓粘滯阻尼器說，最重要的是用什么液體。最初人們是采用一種粘性硅膠，也有人用過普通機油。硅膠沒有流動性。只能單向承受力，在鎖定裝置中或許還可以使用，卻明顯不適于用在雙向

14、往復(fù)運動的阻尼器。但有的國外阻尼器仍然使用，可見世界阻尼器市場之混亂。普通機油，對溫度的敏感性很強，用在阻尼器上，使其對時間和溫度的穩(wěn)定性都變的很差?，F(xiàn)代最先進(jìn)的阻尼器都是使用一種特制的硅油，燃點超過340o C，無毒，溫度穩(wěn)定，并不隨時間老化變質(zhì)，是一種理想的粘滯材料。2. 密封技術(shù)：前面曾介紹過阻尼器漏油的實例，這也突顯密封技術(shù)的重要。世界最先進(jìn)的阻尼器專業(yè)制造廠 美國泰勒公司不斷改進(jìn)提高自己專利的密封技術(shù)。全部是自己加工的密封件，這已經(jīng)成了他們生產(chǎn)幾十年不漏油產(chǎn)品的關(guān)鍵。3. 儲油庫：為了補充和調(diào)整阻尼器內(nèi)的油量，有的廠生產(chǎn)的阻尼器外加一個儲油罐，另用一個閥門控制送油。這種外加儲油罐和閥

15、門的辦法，增加了阻尼器的外露裝置，也就增加了破壞的可能。也有的產(chǎn)品有一個內(nèi)設(shè)油庫。但最好的產(chǎn)品是采用的是高度平衡的活塞桿，用油量能精確計算，密封完美的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品，更本就無須油庫。這也是阻尼器生產(chǎn)不斷改進(jìn)的另一個地方。4. 活塞和活塞頭：高度拋光的活塞桿是阻尼器的另一個關(guān)鍵。為了不允許有任何變形、銹蝕，應(yīng)采用不銹鋼活塞桿，有時采用絡(luò)合金板相連?；钊麠U的設(shè)計要求承受運動過程中的任何載荷，不允許變形。要求和活塞缸緊密結(jié)合的活塞頭把阻尼器分成兩個液腔，活塞頭上的小孔和活塞與缸體的空隙使兩個腔體中的液體，在一定的活塞壓力下可以按設(shè)計要求來回流動。5. 阻尼參數(shù)：阻尼器的受力是靠金屬筒的受力來保證。阻

16、尼參數(shù)的確定就要復(fù)雜的多。阻尼器內(nèi)液體的粘稠程度和活塞上留孔的大小及活塞與缸體的空隙決定了阻尼參數(shù)的大小。流體力學(xué)的計算最多可以給出我們一個參考數(shù)據(jù)，而經(jīng)驗和試驗的調(diào)整是給出精確解答的保證。當(dāng)然，阻尼器的制造離不開材料的選擇。在我們后面介紹的美國橋梁阻尼器使用規(guī)程的AASHTO 32 SECTION 中對阻尼器的材料使用，有了明確規(guī)定。圖5 美國泰勒公司液壓粘滯阻尼器構(gòu)造圖6 泰勒公司生產(chǎn)的680 噸大型鎖定裝置及橋上的安裝圖 6 美國ENDINE 公司阻尼器外型圖7 意大利 FIP 公司的阻尼器綜上所訴，精選的材料；優(yōu)質(zhì)的設(shè)計；高超的工藝；嚴(yán)密的密封是高質(zhì)量液體粘滯阻尼器的基礎(chǔ)。  

17、;三，阻尼器在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用的聯(lián)合測試98八十年代中期，隨著美國國家地震研究中心（National Center For Earthquake Engineering Research (NCEER)）在紐約州立大學(xué)布法羅分校的建立，泰勒公司就開始和美國國家地震研究中心的研究人員一起研究，將用于軍事上的減振阻尼器轉(zhuǎn)用在土木工程中。在美國科學(xué)基金的支持下，他們作了大量的試驗研究，振動臺上檢驗。處于地震活動地段的加州大學(xué)伯克利分校地震研究中心以及其他院校和研究單位也同時作了大量的研究。這些研究報告都證明了，這些用于其它機械系統(tǒng)上阻尼器用在結(jié)構(gòu)中，只要稍加改進(jìn)就能十分成功（圖 7）1267。這些試驗室

18、里的試驗也許還有使人們有不放心之處，為了保證阻尼器能安全有效的使用，和正確的推廣。美國國家科學(xué)基金會和美國土木工程協(xié)會等單位，分別組織了兩次大型聯(lián)合測試。分別是阻尼器在美國舊金山金門大橋工程的對比檢驗和美國高速公路創(chuàng)新技術(shù)評估中心的大型試驗。1舊金山金門大橋工程的對比檢驗91995年，美國科學(xué)基金會（NSF）組織了針對美國舊金山金門大橋工程的阻尼器對比檢驗。NSF組織了由T.Y. Lin公司，加州伯克利大學(xué)專家組成的小組。評選小組經(jīng)過分析，選擇了世界上最好的四種液壓粘滯阻尼器（德國、意大利、美國ENIDINE和Taylor公司）進(jìn)行了嚴(yán)格的檢測測試，內(nèi)容包括：1. 阻尼器力學(xué)滯回曲線檢測：分別

19、生產(chǎn)的阻尼器，要求符合公式 F75 kip sec1/2/in1/2 V ½這里，F(xiàn) 為阻尼力； 75 為假定的阻尼器的阻尼值；V為阻尼器兩端間的相對運動速度而=1/2為速度的指數(shù)。在不同的條件下要求誤差在15以內(nèi)：采用前兩圈的平均值作為對比的基準(zhǔn)反應(yīng)2. 阻尼器的最大承受負(fù)荷：其中包括：最大受力，最大允許沖程，峰值速度，峰值加速度，持續(xù)時間，頻率。3. 耗能效率：峰值功率，平均功率，能量耗散效率ðð = loop area/ (F max - F min)x (D max - D min ) x 100%這里，loop area 阻尼力和位移滯回曲線面積, F

20、max， F min 最大和最小阻尼力, D max ， D min - 最大和最小位移這里，用簡諧振動的前五圈記錄結(jié)果進(jìn)行檢測。其能量耗散效率¦ 均要求等于或大于82.5%.4. 耐溫試驗，不同溫度下曲線的測定舊金山是4o52o C 攝氏度，要求阻尼器力學(xué)滯回曲線的變化在 15%以內(nèi)5. 頻率檢測：不同頻率簡諧振動輸入時阻尼器的特性變化。頻率變化從15 HZ時，要求阻尼器力學(xué)滯回曲線的變化在 15%以內(nèi)6. 耐久及抗疲勞試驗：考慮風(fēng)荷載下的抗疲勞能力，測試阻尼器的密封系統(tǒng)在1800次往復(fù)運動中是否有漏油，阻尼器力學(xué)滯回曲線的變化是否在 15%以內(nèi)。強調(diào)在長期高次數(shù)車輛交通荷載的運行

21、中的抗磨損能力，防漏油能力7. 耐腐蝕抗老化材料：采用的不銹鋼或不銹鋼等同耐腐蝕的鋼材在不同可能的環(huán)境下抗腐蝕，老化的能力。8. 地震輸入檢測：將90秒持續(xù)時間，峰值20 in/sec; 峰值位移為6英寸的地震記錄輸入，安置了阻尼器的結(jié)構(gòu)。觀察試驗結(jié)果是否符合公式要求。這些要求，是和美國后來陸續(xù)發(fā)表的規(guī)范和規(guī)程的要求完全符合。試驗結(jié)果證明了美國Taylor公司阻尼器是適用于重要工程的合格高質(zhì)量產(chǎn)品。2HITEC 對比試驗8為了進(jìn)一步評估對比橋梁上可以應(yīng)用的支座和阻尼器等新技術(shù)，美國土木工程基金會（Civil Engineering Research Foundation）(CERF) ，于19

22、94年成立了“高速公路創(chuàng)新技術(shù)評估中心”（Highway Innovative Technology Evaluation Center ）(HITEC) 。從1994年開始他們組織了10個公司的11種產(chǎn)品集中對比試驗。所有的試驗由一個客觀的委員會集中管理。委員會由加州交通局地震工程橋梁高級工程師Mohsn Sultan 領(lǐng)導(dǎo)，主要由各州交通局有關(guān)專家組成。試驗是在有30年測試經(jīng)驗的美國能源技術(shù)工程中心（Energy Technology Engineering Center）(ETEC) 進(jìn)行。測試的結(jié)果于1999年公開發(fā)表出來，供橋梁的設(shè)計者和業(yè)主在未來工程中選用參考，也為美國相應(yīng)的設(shè)計規(guī)

23、程的制定提供了重要參考依據(jù)。如，美國高速公路管理委員會（Federal Highway Administration）(FHWA)， 美國州公路交通辦公路橋梁委員會（American Association of State Highway and Transportation Official ）(AASHTO) 都在相應(yīng)規(guī)定和規(guī)程中都參考了這一測試結(jié)果。該試驗中參加的消能阻尼器的產(chǎn)品有三個，分別是：表1 參加測試的三個公司阻尼器產(chǎn)品特點Enidine, INC液壓阻尼能量耗散Taylor Devices, INC液壓阻尼 能量耗散Oils Corporation液壓剪力阻尼

24、60;能量耗散 每個公司提供5個產(chǎn)品，分別要求為：表2 每個公司提供測試的5個阻尼器樣品阻尼力（DCC）運動等級設(shè)計位移（CDD）TA1150（668KN）TA2500（2227KN）TA3500（2227KN）TA4500（2227KN）TA5750（3340KN）測試的項目有：1，基準(zhǔn)表現(xiàn)10個循環(huán)平均值，秒周期。2，不同試驗頻率下阻尼器特性試驗，和下是否都能符合原阻尼器的基本關(guān)系式F=CV和耗能系數(shù)的對比。3，疲勞和磨損10,000次循環(huán)阻尼器無明顯變化及破損。4，環(huán)境測試耐鹽試驗，在噴灑鹽1000小時以后測試其性能變化。5，溫度變化下的阻尼器參數(shù)變化在-40（-40）到120

25、（48）下阻尼器系數(shù)等參數(shù)是否有明顯變化。6，持久性試驗對周期2秒的輸入荷載，按最大設(shè)計位移下作20個循環(huán)試驗觀察，其性能衰減的情況。7，極限表現(xiàn)測試超載到二倍設(shè)計速度的情況下，看阻尼力及超權(quán)限反應(yīng)下是否破壞。測試委員會不作結(jié)論性的評論，但如實發(fā)表的測試報告，對阻尼器的好壞，其優(yōu)缺點讀者很容易得出結(jié)論。在這些三個工廠的阻尼器試驗完成后。意大利FIT 公司也與2000年獨立作了對應(yīng)的試驗并獨立寫了試驗報告16。我國自己國產(chǎn)的阻尼器，沒有機會參加上述兩個大型聯(lián)合試驗，不妨模仿FIT公司的辦法，生產(chǎn)出同樣性能的阻尼器，請有能力的第三者作出獨立檢測報告。這是能達(dá)到國際水平，被工程界認(rèn)可的第一步。值得注

26、意的是，為了保證測試的公正性，這兩次聯(lián)合測試都是由第三者作的客觀試驗。都邀請了工程單位，工程管理單位參與。四阻尼器在結(jié)構(gòu)上的健康監(jiān)測阻尼器的質(zhì)量，特別是耐久性，是致關(guān)重要的。特別是在結(jié)構(gòu)上起重大作用的阻尼器?？傆腥讼Ｍ私馑目煽啃?。無論從實用和研究的角度，作使用中的在線健康監(jiān)測都是很有意義的。美國西雅圖在SAFECO棒球場作的阻尼器長期工作十分有意義。雖說是個建筑，但同樣可以作我們橋梁上參考。我們在這里介紹一下。于1999年竣工交付使用的這一建筑工程，整個屋頂面積為 192m x 200m， 屋頂高度為64米（圖8）。 由三部分組成的 屋頂，可以按建筑功能的需要開啟和關(guān)閉。全部屋頂?shù)闹亓繛橐?/p>

27、萬噸重。這個龐然大物屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)座落在美國太平洋沿岸地震帶的北部城市西雅圖。屬于美國 Zone 4 地震區(qū)。該建筑又要經(jīng)受太平洋沿岸的大風(fēng)。設(shè)計中要求這一萬噸重的屋頂在運動中安全，最小的運動碰撞。下決心使用液壓粘滯阻尼器，選擇阻尼器的位置、數(shù)量、計算大小都是需要精心考慮和設(shè)計的。按建筑功能的考慮，整個主體結(jié)構(gòu)是兩邊支持高度不同，柱子高度不同的門式鋼架。高起的部分為四品三節(jié)間。低下的部分為四品二節(jié)間，設(shè)在建筑的兩端。在移動開啟時，低下部分移動到高起部分下并和高跨門架一起開賽場位置。形成了開敞的部分。設(shè)計中的主要考慮是地震和大風(fēng)中的橫向受力和變形?？紤]到最大的可能位移位置，阻尼器設(shè)置在門架的柱子和屋

28、頂部分的連接處。對于中間位置的高起的四品門架，設(shè)在高起的外側(cè)連接處（見圖 10）。考慮到結(jié)構(gòu)上連接點的距離，設(shè)計者設(shè)計了四個世界上最大的7米長的阻尼器（見圖 9）。這四個阻尼器的單個受力能力，要求達(dá)到500噸，每個重量4.5噸。允許運動沖程375mm。建筑師還給阻尼器的尺寸提出了特殊嚴(yán)格要求：不允許直徑有25以上的變化。為了防止西雅圖海鷗糞便的污染、腐蝕，這里制造的阻尼器都要經(jīng)過特殊的防銹化學(xué)處理，使材料的防銹能力比普通不銹鋼還要高出許多。在四個低跨門架上，阻尼器被安置在屋頂絎架和柱子的連接處（見圖 11）。4個同樣承受能力和沖程但不同長短的液壓粘滯阻尼器被設(shè)置在這里。加上以上阻尼器后，和常規(guī)

29、設(shè)計相比，節(jié)省了四百二十萬美圓。是設(shè)計人員和泰勒公司共同完成的一個杰作。圖8 西雅圖SAFECO 棒球館  圖9 SAFECO使用的阻尼器         圖10 SAFECO屋頂阻尼器的安置圖11 SAFECO低跨門架阻尼器的安置所有這些阻尼器都經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗。均能達(dá)到設(shè)計的質(zhì)量保證要求。然而，業(yè)主和有關(guān)設(shè)計人員為了能更好的監(jiān)測所安置的阻尼器系統(tǒng)。設(shè)計并使用了在線健康檢測。在所有8個阻尼器的部位都安置了位移和應(yīng)變傳感器，在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部位，安置了加速度計量計（圖12，13，14）。圖12 結(jié)構(gòu)上傳感器

30、的安設(shè)部位圖13 位移計傳感器           圖14加速度計圖15 現(xiàn)場轉(zhuǎn)換，傳遞控制盤SAFECO工程采用的是美國DATAQ INSTRUMENTS 公司的信號采集系統(tǒng)。他們將阻尼器上傳感器上采集的信號傳給DI-75B采集裝置，DI-75B 中內(nèi)設(shè) 5B類型信號條件模塊，將信號放大并與不相關(guān)信號分離。DI-75B和一個無線傳遞信號的DI-720 裝置相連，將信號通過無線電傳送到總控制室。以上DI-75B和DI-720均設(shè)置在現(xiàn)場的控制盤內(nèi)（圖15）?？偪刂剖铱梢栽O(shè)在該工程的任何部位。為了更好的觀察，監(jiān)測和對

31、比這一安裝了阻尼器工程的結(jié)構(gòu)反應(yīng)在線數(shù)據(jù)，特別是在西雅圖大風(fēng)下的反應(yīng)，在總控制室還安設(shè)了加速度計，風(fēng)速計和風(fēng)向計。所以這些信號和現(xiàn)場三個盤的信號一起，通過一個以太網(wǎng)絡(luò)送進(jìn)中心計算機進(jìn)行分析。分析的軟件是DATAQ INSTRUMENTS 公司提供的：WinDaq Pro 。以上過程示在下框圖（圖16）內(nèi)：圖16 在線健康檢測設(shè)置示意圖整個監(jiān)測系統(tǒng)是每天24小時在線監(jiān)測。每個控制盤和總控制室內(nèi)都設(shè)有5個小時的UPS 斷電保護(hù)器。從監(jiān)測系統(tǒng)的計算機就很容易判斷結(jié)構(gòu)和阻尼器是否出現(xiàn)異常，發(fā)生問題。值得一提的是，位于太平洋板塊附近的西雅圖也是地震高發(fā)區(qū)。在1999年安置了阻尼器后，已經(jīng)經(jīng)歷了多次中小地

32、震。也采集了很多地震記錄，如下圖17。圖17 SAFECO采集的地震記錄在這些地震和大風(fēng)中，該結(jié)構(gòu)和它的阻尼器一起都經(jīng)歷了考驗，完好無損。五美國設(shè)計規(guī)范和規(guī)程，產(chǎn)品的出廠檢驗在美國國家地震研究中心，美國加州大學(xué)伯克利分校地震研究中心已經(jīng)很多大學(xué)參與試驗研究的基礎(chǔ)上。美國又組織了上述兩次大型聯(lián)合測試。液壓粘滯阻尼器不僅贏得了學(xué)術(shù)界的贊同，也帶來了設(shè)計者、建設(shè)者的青昧。美國各種建筑，橋梁規(guī)范的編制和管理都參與了審查和評估，其中包括：ATC17, ATC33(Applied Technology Council 1995）5FEMA 273, 274,368 (Federal Emergency M

33、anagement Agency, 1997); 4NEHRP 2000 Proposal 12-7 (National Earthquake Hazards Reduction Program 2000)3NEHWA (Federal Highway Administration)ASCE (American Society of Civil Engineers）AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 200210SEAOC (Structural Engineers Association of California)OSHPD (Of

34、fice of Statewide Health Planning and Development)HITEC (Highway Innovative Technology Evaluation Center ）8經(jīng)過審查和評估，以上各單位均對液壓粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用有了認(rèn)同，將其編入美國國家的有關(guān)規(guī)程規(guī)范，規(guī)程中。從理論上給出了應(yīng)用的理念和指南，從設(shè)計上，對建筑結(jié)構(gòu)給出了簡化計算辦法。最近，又補充了高振型的影響4。更有意義的是，AASHTO 還嚴(yán)格，明確的給出了鎖定裝置使用前的檢驗辦法。雖然在“Section 32"中說的是鎖定裝置，但基本測試要求顯然也適用于耗能阻尼器。它

35、的基本測試要求和金門大橋工程的阻尼器對比檢驗以及高速公路創(chuàng)新技術(shù)評估中心的對比試驗是一致的， 有的還更加嚴(yán)格。為了強調(diào)它的重要性，這里，我們再列出下表供參考。在AASHTO，Section 32中，對鎖定裝置的出圖要求，使用的材料，出廠包裝和運輸，產(chǎn)品的維護(hù)要求及檢驗都有了明確的規(guī)定和要求。但更重要的應(yīng)該是下列測試要求：表3 AASHTO 對測試的要求 10測試名稱試驗要求合格標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品資格予測試 在確定某種產(chǎn)品可以應(yīng)用前，要作元件和模型結(jié)構(gòu)的各種實驗。至少要完成HITEC 的所有測試HITEC 的所有測試要求（見上文）產(chǎn)品原型測試基本要求在一個獨立試驗室中完成每種類型至少一個

36、0;靜力液壓試驗150% 的最大計算內(nèi)部壓力3分鐘不漏油，靜力液壓下降不大于5%慢速運動試驗3個循環(huán)，按工程師指定的慢速運動不漏油，結(jié)構(gòu)的運動不受影響，鎖定裝置受力不大于設(shè)計最大力的10%快速運動試驗在拉壓雙向連續(xù)快速施加最大設(shè)計力，作出位移隨時間的變化記錄在設(shè)計的鎖定速度下，鎖定裝置在12毫米內(nèi)鎖定。當(dāng)從鎖定力到最大設(shè)計力的變化過程中，鎖定裝置的鎖定剛度變化不得大于10%，沒有漏油和彎曲 模擬鎖定動力試驗在秒內(nèi)加拉至5秒后一秒內(nèi)加壓，5秒后再拉。相等的拉壓力至上是上述快速試驗鎖定力的三倍，但不大于設(shè)計最大力。連續(xù)畫出力相對變形的曲線變形不得大于12毫米 超載試驗快速施加

37、1.5 倍的最大設(shè)計荷載并保持30秒以上鎖定裝置沒有漏油和變形 疲勞試驗100,000次以上，最大設(shè)計荷載，按工程師指定的速度加載鎖定裝置沒有漏油和變形出廠質(zhì)量控制檢驗基本要求在一個獨立試驗室中完成每個出產(chǎn)產(chǎn)品都要經(jīng)過檢驗 靜力液壓試驗150% 的最大計算內(nèi)部壓力3分鐘不漏油，靜力液壓下降不大于5%慢速運動試驗3個循環(huán)，按工程師指定的慢速運動不漏油，結(jié)構(gòu)的運動不受影響，鎖定裝置受力不大于設(shè)計最大力的10%快速運動試驗在拉壓雙向連續(xù)快速施加最大設(shè)計力，作出位移隨時間的變化記錄在設(shè)計的鎖定速度下，鎖定裝置在12毫米內(nèi)鎖定。當(dāng)從鎖定力到最大設(shè)計力的變化過程中，鎖定裝置的鎖定剛度變

38、化不得大于10%，沒有漏油和彎曲規(guī)范和工程需要都給阻尼器提出了更高出廠檢驗的要求。具有50多年成功經(jīng)驗的美國泰勒公司在對阻尼器的出廠試驗檢驗上變的更加嚴(yán)格。對于動力分析，他們改變了過去抽樣檢查的要求，對公司所有出廠的每一個產(chǎn)品，他們都要經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)試和動力測試. 給出滯回和時程曲線。一定要滿足所有的設(shè)計要求。請看他們的出廠要求：1. 外形測試：檢查阻尼器外形幾何尺寸?？词欠窈驮O(shè)計要求一致。是否滿足設(shè)計允許公差。檢查阻尼器有無漏油，油漆剝落，外殼損壞2. 超載耐壓測試：確保阻尼器在最大壓力下，甚至超過最大壓力，達(dá)到設(shè)計壓力的倍時不能漏油。每一個阻尼器都必須經(jīng)過這一檢驗。3. 動力測試：所有工廠生

39、產(chǎn)的阻尼器，都要在模擬動力的試驗設(shè)備上檢驗，要求按設(shè)計要求作一個完整的滯回過程，給出以下參數(shù)和曲線：I. 阻尼力、沖程和速度的時程曲線II. 沖程和阻尼力的滯回曲線III. 不同沖程下的阻尼力與理論曲線的對比（要求在±15%的誤差范圍內(nèi)）IV. 在受拉和受壓情況下的最大阻尼力和沖程以上出廠檢測均用出廠的阻尼器原形，均滿足了規(guī)范對阻尼器的出廠測試要求。如有其他的項目測試要求，用戶還可以提出,泰勒公司都可以配合完成。我國也已經(jīng)有了關(guān)于阻尼器的相應(yīng)建筑設(shè)計規(guī)范。我們相信，隨著規(guī)范的完善和推廣，一定會和美國日本等先進(jìn)技術(shù)和規(guī)范接軌。六， 設(shè)計安裝技術(shù)的發(fā)展阻尼器在地震工程領(lǐng)域里的發(fā)展的整個歷

40、史過程可以用流程1 來描速。流程1 阻尼器的發(fā)展過程在前面談到的所有工作的基礎(chǔ)上。美國和世界其他先進(jìn)國家開始大量的在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用這一技術(shù)。短短十幾年，已經(jīng)有上百個工程結(jié)構(gòu)，幾十個橋梁應(yīng)用了阻尼器。根據(jù)幾個主要公司公開發(fā)表的材料，我們列出下面性能和應(yīng)用表。如有遺漏，歡迎指正。表 4 世界上完成橋梁的粗略統(tǒng)計表（到2003年止） 完成橋梁工程數(shù)量美國Enidine美國加州圣地亞哥Coronado 橋, 美國加州長灘Vincent Thomas 橋2意大利FIP丹麥大帶橋 ( 鎖定裝置)1美國泰勒公司（除注明外均在美國）密西西比河大橋，喬治華盛頓橋, 舊金山Richmond-San Ra

41、fael 大橋，印度尼西亞 Pasteur-Cikapayang 大橋, 英國Cross Keys 大橋，臺灣高速高架鐵路橋C270段, 德克薩斯退伍軍人紀(jì)念橋，圣路易斯364號路引橋, 舊金山-奧克蘭海灣橋西段懸索橋，俄勒岡州Abernethy橋, 阿拉巴馬州Cochrane橋，蒙大拿州Cape Girardeau 大橋, 圣路易斯Polar Street 橋，英國倫敦千年橋, 薩克拉門托河 at Rio Vista 大橋，智利圣地亞哥Amolanas 大橋, 西弗吉尼亞East Huntington 大橋，肯塔基Maysville 大橋, 西雅圖Novelty 大橋，紐約三向橋引橋, 洛杉機I-5/91高