2.3　液体黏滞阻尼器发展的三代产品

结构工程用液体黏滞阻尼器在发展进程中可以按照如下三个阶段排序：最初以胶泥为填充材料，称为第一代黏滞阻尼器；采用各种阀门控制阻尼器参数并使用蓄能器，称为第二代阻尼器；最新发展形成的以小孔激流方式控制阻尼器参数，称为第三代阻尼器。

这三代产品的技术差异是十分明显的，其性能表现和耐久性也是良莠不齐。根据笔者的理解，目前可以在百年大计的建筑和桥梁上安全使用的，具有最高技术含量的结构工程用阻尼器所应具有的特质是：准确的定量产品；能确保至少35年不漏油的产品；不设阀门和油库的产品；能通过低速测试、既能抗风又能抗震的产品；阻尼器能满足功率的要求和测试的产品；具有1.5～2倍以上安全系数的产品。只有这样的阻尼器，才能在结构设计周期内放心、安全的使用，才敢在超高层结构、悬索桥以及大型TMD上大胆使用。

根据阻尼器的性能特点和产品构造，本节将阻尼器发展总结为三代产品，即以弹性胶泥为介质的第一代产品，以机械式阀门为基础的第二代产品，以及通过射流孔控制阻尼参数的第三代产品。

2.3.1　三代产品的原理及性能特点

1.以弹性胶泥为介质的第一代产品

（1）工作原理

弹性胶泥是一种由有机硅高分子化合物、填充剂、抗压剂、增塑剂、着色剂等化学成分组成的材料。弹性胶泥是利用胶泥的黏弹性、流动性和体积可压缩性来工作的。将其置于密闭的容器中，以一定的机械结构来实现减震、平衡、缓冲等功能。将弹性胶泥装入密闭容器中，根据需要使之产生一定的预压力，当活塞柱受到的外压力小于预压力时，活塞柱静止不动；当外压力大于预压力时，活塞柱向容器内移动，部分活塞柱进入容器内，此时弹性胶泥被压缩，体积缩小，并对活塞柱产生反作用力，直至与外压力相等，在这一过程中弹性胶泥接收部分外力动能并转化为胶泥的弹性势能；同时在外力作用下，胶泥通过活塞与容器壁之间的间隙产生流动时发生摩擦以及弹性胶泥的分子运动、分子链段和分子链的移动都要消耗部分外力动能并转化为热能而散失，从而起缓冲、减震作用；当外力减小或撤销后，弹性胶泥自行体积膨胀，将活塞推向或推回原位。弹性胶泥工作原理如图2-14所示。

Jarret阻尼器是最为典型的利用胶泥作为介质的阻尼器产品。其外套结构简图如图2-15所示。这种阻尼器不仅给结构附加阻尼，同时给结构附加刚度。

一般在制作过程中对阻尼材料施加预压力，这样当阻尼器受到的压力小于预压力时，阻尼装置提供刚度；当阻尼器受到的压力超过预压力时，活塞杆就将挤压阻尼介质，从而可以提供阻尼和刚度。撤销外荷载后，黏滞弹簧阻尼器由于对阻尼介质施加了预压力，从而会回到阻尼器未变形的初始状态。

Jarret阻尼器只能在受压状态下工作。为使其在拉压状态下亦能工作，需要专门加工阻尼器外套装置，使阻尼器核心部分在拉压荷载下都处于受压状态。Jarret阻尼器的滞回曲线如图2-16所示，由图可知，仅在Ⅰ、Ⅲ象限消耗能量，这与其构造特点和原理吻合。

（2）第一代产品的性能及现状

这种装置内填充硅胶材料（Putty）来实现黏滞作用，不适合用于长期使用的锁定装置，更不适合用于需要长期稳定的阻尼器。其理由如下：

①硅胶在冷热环境中的性能变化非常大。当受冷（如-10℃）时，硅胶变成很硬的固体，丧失活动性，起不了黏滞作用；当受热（如30℃）时，硅胶会变得很稀，流动性很大，黏滞性能也会有一定程度的减弱。

②导热性差。当某部分变热时，温度会上升得很快，但其他地方却变化不大，致使装置内固液不均。因为胶泥是由橡胶粉和硅液组成的，这种局部热量会使硅胶分解成原来的固液两部分，导致不均匀的物理特性。

③长期使用性能差。在最初使用的1～2个受力循环内，硅胶作填充材料的锁定装置，看上去还可以工作。但经过几个循环后，填充材料发热，就会产生硅胶变质和材料分离的现象，其滞回曲线迅速变化，阻尼器处于失控状态。

④使用这种硅胶材料，最初生产的产品不存在漏油问题，用一段时间后，在冷热环境下油固分离，就会产生漏油。

硅胶温度稳定性能极差，无法达到有高精度要求的液体弹簧和阻尼器的要求。在减震装置中，仅适用于那些缓冲器仅提供单向减震且没有很高的参数要求。

在欧洲，这项技术被一些公司长期采用，英国Colebrand Device生产的内置硅胶的速度锁定装置在漏油声中破产；法国Jarret公司由于阻尼器不能达到设计要求，而不得不在2005年选择放弃，该公司在购买了美国某公司技术后仍生产不出性能稳定的阻尼器，最终导致在2005年宣布破产。在国内阻尼器技术初步形成阶段，法国Jarret公司是主要的仿制对象，法国Jarret公司在国内影响很大，其破产后在我国留下了诸多无人维护的工程，甚至一些国家级的重点工程。

2.以机械式阀门为基础的第二代产品

（1）工作原理

油阻尼器通过流体的惯性力实现阻尼功效，单位时间内通过的流体流量是改变阻尼器出力的关键要素。通过机械手段实现流体流量改变的方式是设置阀门，即在油路中设置控制阻尼力特性的阀，称之为流量控制阀（Flow Control Valve或Pressure Control Valve）。流量控制阀根据作用在阀上的压力与阀弹簧力的平衡关系改变流体通过的面积。设置预压阀门的油阻尼器详细构造如图2-17所示。

由于需要根据流量控制阀的开启量达到压力与流体流量的特定关系，流量控制阀要经过精确设计加工较为困难，其后期的耐久性也备受关注。正因如此，多数生产厂家均不生产这种线性阻尼器。

为了获得不同的功效，则需要更多的利用阀门的机械原理。通常的做法是安装低速调压阀以及高速调压阀两种装置，从而使油阻尼器呈现双线性特性。这种高速调压阀门被称为溢流阀（Pressure Relief Valve）。

图2-18所示为采用蓄能器的阻尼器。蓄能器是油压阻尼器的重要部件，在阻尼器受到冲击时，内部的换向阀突然换向、执行元件运动的突然停止都会在液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，造成设备内部元件和密封装置的损坏。蓄能器用在阻尼器上，一般作为温度补偿、油介质的泄漏补偿，以及起到活塞杆在往复运动时的体积变化调节功能。

（2）第二代产品的性能及现状

日本和欧洲的几家公司采用在阻尼器中加设阀门和油库（蓄油器）来控制油压的技术生产被称之为“油阻尼器”的产品，其速度指数多数在0.05～0.2之间变化。这种技术生产的阻尼器，其内部设置预压弹簧和流量控制阀门，靠惯性力产生黏滞作用并使阻尼器达到设计的参数。油库的设置显然增大了油腔内的油体积，这有利于向外界耗散更多的热量，同时也便于那些不能做到严密封闭或者需要进行定期维护的厂家作为油库来补充。蓄能器是油压阻尼器的重要部件，在阻尼器受到冲击时，内部的换向阀突然换向以及执行元件运动的突然停止、打壳都会在液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，容易造成设备内部元件和密封装置损坏。早期的第二代阻尼器采用外部设置油罐和阀门的方式，在改进后被放置在阻尼器内部，因此相对体积较为庞大，这也是分辨这种阻尼器的标志。

Jarrett的合资企业在加州政府工程和台湾工程中生产的阻尼器在检测中大量失效，所导致的破产已经完全证明了这种技术的失败。我国新建的阻尼器厂家更不宜再用这种落后技术，以免留下隐患。

3.通过射流孔控制阻尼参数的第三代产品

（1）工作原理

实际上，仅是钻一个简单的圆孔符合基本流体力学基本公式——伯努利（Bernoulli）方程，阻尼器出力只是限制在与速度平方成比例。

由于速度平方阻尼在用于消耗地震能量时受到限制，这时需要设计更加鲁棒性（Robust）及复杂的孔隙。如果需要改变速度平方阻尼关系，制作速度指数小于2的阻尼器出力，则需要通过小孔控制通过活塞头的流体压力，采用相对复杂的设计。第二代阻尼器采用的办法是利用弹簧压力球、提升阀等机械手段。

另外一种办法则是将小孔制成复杂并经过机械加工的通道，通过流液控制，采用一系列获得专利技术准确定型的通道控制，依据这些通道的形状及面积可使速度指数在0.2～1.0范围内变动，而不需要在小孔内设置任何活动的部件。这类阻尼器成孔属于第二类非伯努利型小孔，采用射流型方法，射流型控制小孔没有可动的部件，装置出力可随流体速度的非平方幂指数变化。

（2）第三代产品的性能及现状

第三代产品所采用的小孔射流技术是在20世纪80年代发明并开始大量使用的，阻尼器介质通过活塞头上特制的小孔获得所需要的参数。这种新技术使阻尼器得到世界工程师的广泛认同，并能安全稳定地工作几十年，因此带来了今天阻尼器的大发展。

从20世纪80年代末期开始，美国桥梁工程师把在机械、航天等领域上已经应用的液体黏滞阻尼器引入到建筑和桥梁工程中，将其用于结构抗震的保护系统，并取得了预想不到的发展。90年代，为了证明其在土木工程中的可用性，美国科学界与工程界共同组织了两次具有历史意义的第三方联合预检测，其中特别需要提到的是美国土木工程学会高速公路创新技术评估中心（HITEC）组织的大型集中对比测试。

为了判定结构保护系统的性能，HITEC提出的测试难度极大。在此次测试中，只有第三代阻尼器（实际上只有美国Taylor公司的阻尼器）完整地通过了计划内规定的九项检测。工程师们从HITEC的测试报告中充分了解并掌握了各种产品的差别，并在以后的产品测试和工程使用中进一步明确了阻尼器产品的差异所在，一些产品由于性能不合格导致公司破产或放弃生产。

2.3.2　第三代黏滞阻尼器的关键技术

相对于前两代产品，第三代阻尼器技术从应用的角度来看到底有什么不同？如何分辨与其他阻尼器的区别？下面列出的几点是分辨的关键所在。

1.准确的定量产品

从HITEC测试要求就已经看出，设计人要求准确定量的产品。结构工程师应该一致认识到：准确定量计算的建筑和桥梁上使用阻尼器的前提是要长期耐久性能稳定的定量产品，并保证其在各种环境条件下都能满足F=CVα的本构关系，其中要求速度指数在0.2～2.0之间，可由设计者根据优化结果进行确定。

阻尼器的加工制造看似简单，而按照设计要求加工一个定量化的产品实际上并非易事，这主要归于对一些关键环节的认识和经验累计。通过生产商所进行过的产品性能测试，就不难看出这一点。一些厂家不能根据设计提出的参数去进行制造加工，而由于研发时间过长造成不能按期交货；或是设计方只能按照厂家已有的参数进行设计，根本无法进行阻尼器的参数优化。例如，除第三代阻尼器外，第一代和第二代产品很难提供速度指数在0.6～0.8之间的阻尼器测试报告。

2.不设阀门和油库的产品

三十多年前，世界上很多的阻尼器厂家都在设备外（或内）设置储能器、储油库以及控制阀门，这也是第二代产品的关键技术。设有阀门、油库的阻尼器主要存在耐久性较差、过载后引起副作用、具有频率相关性以及不能进行缩尺试验、由于连接间隙所造成的微小振动盲区等诸多问题。

这种三十多年前使用的技术、落后的产品，容易在振动时受损并破坏。国外一些企业的破产均由此落后的产品设计生产技术所致。

通过严格检测，特别是大量试件的超载测试、本构关系测试和长期使用的观测是可以发现这种阻尼器的弊端的。

3.需要实现不漏油的产品

不能否认液体阻尼器的漏油问题一直存在，一些厂家仅仅以普通的液压技术来处理阻尼器的密封问题，而实质上阻尼器和各种油泵的技术完全不同。

找出漏油原因，使用先进的设计理念和产品以及精密的加工和检验是不漏油的保证。第三代阻尼器油腔内必须具有很高的内压（100MPa以上），从而使活塞头的小孔射流符合性能要求，这一高压油腔的密封几十年不漏油就是其技术的关键。

采用上百万次以上的循环试验可以较为快速地模拟阻尼器在真实情况下的运行情况，进而可用于评估其密封性能。同时通过测试阻尼器腔体的内压，可以使阻尼器是否漏油得到量化，这是分辨其是否漏油的关键措施。

4.阻尼器的低速测试

区别于其他类型减震装置，第三代阻尼器对于多遇、常遇以及罕遇地震均具有减震功效，是既抗震又抗风、在出力范围内均能准确工作的产品。作为结构保护的阻尼器，要求其在各种频率的环境下，无论抗风抗震都能很好地准确工作。在桥梁上，无论是车辆行走的荷载还是大的地震荷载，都要能做到按本构关系工作。在实际运行中，阻尼器的工作速度可能很低，在这种条件下要使阻尼器仍然很好地满足设计要求。由于风荷载相对地震荷载而言频率较低、峰值力较小，因此要求所用阻尼器在较低速度时可以正常工作，即既能在大荷载、大冲程、短时间下有效工作，又能在小荷载、小冲程、长期连续时间下有效工作。较小的阻尼器内摩擦就是这种阻尼器的关键技术。

在San Diego Courthouse项目（见10.6.1节）中提出了对液体黏滞阻尼器进行低速测试。需要注意的是，在普通抗震阻尼器的测试中，这部分低速反应通常是没有测试过的。此外，如果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。当然，和普通抗震阻尼器相比，这种阻尼器的成本要高得多。

5.阻尼器的功率

第三代阻尼器区别于其他类型产品的重要特征是提出了阻尼器功率的要求，如风控制的建筑、TMD系统、晃动很大的行人桥等。一定的功率是保证阻尼器在连续或接近连续工作下不破坏的必要条件。

使用阻尼器抗震和抗风在设计上的最大区别在于：地震荷载持续时间短，虽然荷载峰值可能很高，但输入的总能量远不及动辄持续数小时的风荷载。

高温是对阻尼器最不利的因素，质量较差的阻尼器在内部高温的情况下会由于密封装置软化而导致漏油甚至爆炸。所以，为了防止阻尼器在长时间连续工作下由于发热带来的损害，对于主要设计用于抗风的阻尼器，需要对阻尼器工作时的功率进行严格控制。按照阻尼器的设计使用规定，需要对阻尼器在50年一遇风时程工况下的功率进行验算。

考虑一受正弦函数激励（u=u0sinωt）的单自由度体系，非线性阻尼器做功为

其中

式中，Γ为伽马函数；C为阻尼器阻尼系数；ω为角频率；α为阻尼器速度指数；u0为阻尼器振幅（常取阻尼器最大位移的20％～30％）。

则阻尼器功率为

PD=WD·f　　（2-5）

式中，f一般为阻尼器安置方向结构的一阶频率。

6.2倍以上安全系数

在HITEC联合预检测中，提出的超载测试要求阻尼器通过2倍速度的超载速度测试，超载情况下第二代产品的性能很难达到要求，除非制造商为通过超载测试将实际设计的阻尼器吨位提高。第二代阻尼器的瓶颈在于其内部的机械阀门系统，在超载情况下阀门超出设计范围后不能正常工作，而使介质压强与速度之间恢复平方关系。第三代产品在设计中内部各个部件受力均匀，因此只有第三代产品最终顺利通过测试。这在超大地震发生时阻尼器不破坏，还能起到抗震作用来说至关重要。

近几年来，汶川、智利等罕遇地震破坏严重。国内外都在考虑结构遭受这类“巨震”后的结构反应。显然，抗震阻尼器能有2倍以上的安全系数是阻尼器耗能抗震结构工程抵御巨震的必要条件。在测试中，如果能够进行阻尼器2倍以上的速度测试是最理想的。