1.3　不同阻尼器的选择

1.3.1　液体黏滞阻尼器

常用的阻尼器，未加说明时都是指液体黏滞阻尼器，如图1-4所示。其基本原理是：当活塞随着结构的运动而运动时，活塞头向一端运动，内设的硅油受到挤压，对活塞产生反向黏滞力。同时，硅油从活塞头上的小孔向活塞头的另一端流去，使活塞的受力逐步减少。其基本关系式如下：

F=Cvα　　（1-1）

式中，F为阻尼力；C为阻尼系数；α为速度指数，常取0.2～1.0。

黏滞阻尼器一般安装在发生相对位移较大的构件之间，在缓慢施加的静态荷载（如温度等）作用下可自由变形，在快速作用的动态荷载（如地震、脉动风等）作用下产生阻尼力并耗散能量。理论公式得到的阻尼器位移和阻尼力的滞回曲线如图1-5所示。

1.3.2　带刚度的液体黏滞阻尼器

在实际工程中，有时需要阻尼器同时具有速度型耗能和位移型刚性弹簧的双重作用，这就是人们常说的带刚度的液体黏滞阻尼器。Taylor公司为实现这一目的，其设计和制造的这种新型阻尼器如图1-6所示。带刚度的液体黏滞阻尼器外表跟一般的液体黏滞阻尼器一样，只不过稍微长一些，长度最大可达30cm。这种阻尼器的液压缸分成阻尼器和液体弹簧两部分。阻尼器部分是完全相同于传统的液体黏滞阻尼器，而弹簧部分是一个双向作用的液体弹簧。在缸中运动的是串在一根轴上的两个活塞，这两个活塞各在一部分油缸内工作。阻尼器部分活塞往复运动产生阻尼，另一个活塞引起液体弹簧的弹簧力。这种阻尼器可以按要求设计弹簧刚度，但其最大弹簧力应小于最大阻尼力的一半。该装置的计算公式为

式中，Keff为液体弹簧等效刚度；C为阻尼器的阻尼系数；u为活塞杆的位移； 为活塞杆的速度；α为速度指数。

带刚度的液体黏滞阻尼器的本构关系可以用阻尼器部分加上弹簧部分来反映。公式（1-2）可以直接输入SAP 2000或ETABS等计算机程序中进行分析计算。在安置中，该装置可以设置成对角支撑形式，也可以设置成传统的人字形形式。当然，它也能配合基础隔震的柔性支座或滑动支座使用。将传统的黏滞阻尼器转变成带刚度的液体黏滞阻尼器，由于另加了刚度，对结构在风荷载下限制位移能够起到良好的作用。在希腊2004年奥运会的主赛馆，和平与友谊体育场上就成功地应用了这种阻尼器。

1.3.3　风限制器阻尼器

在传统液体黏滞阻尼器上加一个简单的机械元件，防止阻尼器受到较低水平的风力和其他荷载可能带来的阻尼器两端运动，就可以构成这种风限制器阻尼器，如图1-7所示。这种阻尼器可以应用到桥梁和高层建筑上，抵抗风荷载引起的结构振动。一般来说，阻尼器可能受到的最大风力和其他力总是小于最大地震力的25％。在阻尼器的外表面加一个可以滑动的金属卡环，该环与阻尼器外筒的摩擦力可以调节到最大地震力的25％。在阻尼器连接两端受风振作用时，风限制装置摩擦力阻止了阻尼器两端滑动，相当于有了一个受力开关或限制器。而当阻尼器工作的结构受到较大地震荷载的作用，阻尼器两端的受力大于设定的开关最大力时，也就是超过风限制装置的最大静摩擦力时，摩擦环脱开，两端发生相对运动，阻尼器开始起到耗能作用，该结构像普通阻尼器一样工作，减震和耗能。这时，摩擦装置给阻尼器带来模型上的变化可由速度和力的变化曲线（图1-8）看出。该限制装置的摩擦力大小在应用时可以做一定范围的调整。这种风动限制器设计安装方便，在一般安置黏滞阻尼器的位置上都可以安置，方便推广。

当然这种阻尼器也可以用来配合基础隔震系统来限制结构位移，在阻止风荷载带来位移的同时，还能够保持阻尼器在地震作用下的耗能作用。当然，可能并不以此为直接设计目的。由连廊连接的两个以上塔型复合结构，很容易因为塔的运动不同使连廊在连接处发生破坏。隔震垫和风限制器阻尼器联合使用可以有效地避免和控制这一破坏发生。

对于柔性建筑，用风限制器阻尼器设置的对角或其他形式的支撑，在风振时能像刚性连杆一样提供一定支撑的刚度；而当地震发生时，它又可以像传统的阻尼器那样工作，起到耗能的作用。

坐落在美国旧金山地区的San Jose的南海湾办公楼是30多年前建成的钢筋混凝土塔楼，塔楼之间用悬挂式钢框架连接。这个钢连接部分很容易产生楼板的振动，特别是在风荷载下引起很大的振动问题。过去只是简单地安装了一些钢杆阻止风动，这种简单的钢杆有很多缺欠，当地震发生时，它还会破坏，不能重复使用。Saiful-Bouquet设计并采用了风限制器阻尼器，得到了理想的解决方案，风限制器设计承受10％～15％的最大地震力，有效地阻止了风对这个钢框架的影响。而超过限制力的最大力时阻尼器发生作用，更好地保护了结构。该装置可以重复使用，从目前的运行状况来看十分成功。

1.3.4　无摩擦金属密封阻尼器

阻尼器在抗风等需要持续工作的环境下，会要求阻尼器的内摩擦更低，可以采用无摩擦金属密封阻尼器（Frictionless Hermetic Damper），如图1-9所示。无摩擦金属密封阻尼器区别于其他普通抗震阻尼器的特性表现在阻尼器相对运动过程中几乎没有摩擦力产生。由于金属波纹管密封件的采用，金属密封阻尼器可以提供更大的功率，产生的热量随时消散，可以承受更高的内部温度而不破坏，阻尼器的耐久性、稳定性大幅提高。目前，金属密封阻尼器在TMD、阻尼伸臂系统和巨型支撑系统中都有应用，可以用于振动幅度很大、频率较高的外界环境下。如伦敦千禧桥、芝加哥凯悦酒店TMD系统、纽约西55大街250号都应用了这种阻尼器。

Taylor公司引用宇航工程里的技术，其发明的金属密封阻尼器对高层建筑做出了重大贡献，在抗风工程中广泛引用。到目前为止，世界上只有个别公司可以生产这种高性能、无摩擦、金属密封的阻尼器。虽然性能优势明显，但价格过高，尚需改进。

1.3.5　带特殊泄压阀的新型阻尼器

为了能够同时对日常的风荷载以及偶然的地震荷载都起到较好的减震作用，在液体黏滞阻尼器活塞内部设置一个具有特殊功能的泄压阀，在特殊泄压阀的耦联作用下，把锁定装置的性能和黏滞阻尼器的性能同时整合到该新型阻尼器中，根据特殊泄压阀的关闭，在不同荷载的作用下对结构起到相应的减震效果。旧金山弗里蒙特街181号使用的便是此种阻尼器。

泄压阀打开之前所表现出来的性质和锁定装置一样，主要用于抗风；地震发生后，当阀门所产生的压力超过泄压阀打开之前阻尼器的最大锁定力时，特殊泄压阀打开，该阻尼器表现出黏滞阻尼器的功能；当地震荷载作用后，特殊泄压阀关闭，该阻尼器又恢复到初始安装时阻尼器具有的状态。

带特殊泄压阀的新型阻尼器内部构造及本构关系图如图1-10所示。

1.3.6　改进型高功率阻尼器

为了降低产品造价并获得与金属密封阻尼器相近的效果，Taylor公司发明了另一种理念的抗风阻尼器，如图1-11所示。这种阻尼器在缸体内外的结构都采取了一系列的加速散热、增大耗能能力的改变，使其在一定程度上可以满足抗风工程、TMD工程的需要。

迪拜TMD屋顶工程中就使用了108个此种阻尼器，能很好地在抗风工程中发挥作用。Taylor公司发明的这种新型阻尼器，使阻尼器的寿命提高30％以上。