第1篇　綜述

第1章　概述

1.1　阻尼器應用概述

結構的消能減震以及基礎隔震技術是近30年來結構工程抗震抗風最出色的成熟成果。在美國，能量耗散系統愈來愈多地用于為新建和改建建筑以及橋梁工程提供更強的地震保護，使用的硬件包括鋼屈服裝置、摩擦裝置、黏彈性固體裝置，以及迄今為止最主要的液體黏滯裝置。應用阻尼器減震的新技術，主要指在結構中設置消能裝置，通過消能設備本身提供的附加阻尼，以消耗地震時輸入上部結構的地震能量，達到設防預期和增加抗震能力儲備的要求。

阻尼是允許結構在受到地震、風、爆炸或其他類型的瞬時振動以及振動干擾時獲得最優性能的許多不同方法之一。常規的方法規定結構必須通過強度、彈性和可變形性相結合來在結構內部衰減或耗散瞬時輸入影響。通過加液體黏滯阻尼器，瞬間的能量輸入不是通過結構自身而是由附加阻尼器耗損的。

液體阻尼技術通過在1990年～1993年期間廣泛的測試被確認可用于抗震。軍事應用的長期歷史證明了此技術的可靠性。附加測試顯示，液體阻尼器也可以很好地改進結構在風作用下的性能。

帶有液體阻尼器的結構性能測試表明，在性能上巨大的獲益能夠在相對低的成本上實現。消能減震技術已經廣泛得到工程界的肯定。在美國首先發展起來的這項技術，經過計算機和振動臺模型分析試驗、美國土木工程學會組織的大型聯合測試、各種規范的編寫和試用，到幾百個各種結構形式的大量應用，到2005年美國土木工程學會相關規范的正式出爐（ASCE 7—2005），已經完全證明只要嚴格地執行這些規范的要求，應用這種辦法來設計結構，它完全可以是一種可靠、安全并符合結構工程應用的減震方式。其性價比較高、對結構抗震能力有很大幫助并且幾乎沒有什么副作用。例如，美國Taylor公司截止到2006年已經完成了近200個大型橋梁、高層結構、大跨空間結構等世界上的重要工程。

1.1.1　智利地震帶來的思考

2010年2月27日，智利圣地亞哥附近遭遇了8.8級的超大地震。大量的現代鋼筋混凝土剪力墻大廈、框剪結構的住宅抵抗住了這一超級地震，沒有倒塌。盡管80萬人被迫搬遷，卻只有486人死亡、79人失蹤。這是現代化建筑抗震理論的成功證明。但遺憾的是，這些鋼筋混凝土建筑在發揮延性的同時，梁柱大批屈服破壞，剪力墻在保證結構不倒的同時卻留下了大批難以修復的裂縫，如圖1-1～圖1-3所示。

人們從這次地震中總結經驗教訓并反思和考慮未來，除了開始關注過去不太重視的附屬結構的破壞和影響外，也更多思考怎么能使建筑結構做到更加完美。

1.1.2　國內外超高層建筑黏滯阻尼器的應用

2008年6月美國國家結構工程師協會理事會（National Council of Structural Engineers Associations，NCSEA）《Structure》雜志發表了一篇文章——《黏滯阻尼器日趨成熟——高層建筑中獲得經濟性的新方法》（Viscous Dampers Come of Age——A New Method for Achieving Economy in Tall Buildings），該文章摘要原文及翻譯如下：

It is often found that the design of tall buildings is governed by the need to limit the wind induced structural vibrations to an acceptable level.This leaves the designer with the option of either increasing the amount of steel or concrete in the building’s lateral system to add stiffness，or of adding a complex and expensive damping system in order to ensure the comfort of building occupants.Various damping systems have been employed on tall buildings throughout the US and overseas，and have proved to be economic for buildings above a certain height，particularly in windier climates.A new type of damping system employing viscous dampers is currently being designed for tall buildings in Europe，Asia and the Americas，that achieves higher levels of damping than other damping systems，and reduces the design wind loads that these buildings are designed for.This scheme offers a new way to improve efficiency in tall buildings.

“經常發現，高層建筑的設計取決于將風引起的結構振動限制在一個可接受的水平。這使得設計師要么選擇增加建筑內鋼筋或混凝土的橫向支撐系統，以增加剛度；要么添加一個復雜而昂貴的阻尼系統，以確保住戶的舒適度。各種阻尼系統曾在美國和海外高層建筑上使用，并已被證明其對于超過一定高度的，尤其是在多風氣候地區的建筑具有經濟性。一種采用黏滯阻尼器的新型阻尼系統目前被用于歐洲、亞洲和美洲的高層建筑，其比其他阻尼系統更能達到較高的阻尼水平，并能減小這些建筑的設計風荷載。這一方案為高層建筑提供了一種新的方式來提高減震效果。”

世界范圍內阻尼器在工程上，特別是在建筑結構上的應用印證了這一點。

在我國，高層建筑有了跨時代的發展，隨著國際潮流一起進入了阻尼器應用的新時代。重大的變化是，現在業主也在一定程度上認可黏滯阻尼器的抗震抗風作用及其經濟效果。

在阻尼器的發展過程中，有兩件事情最令人振奮：

一是，安裝了98個Taylor公司液體黏滯阻尼器的墨西哥市長大樓，在2003年7.6級破壞性地震中安然屹立，而該地震造成13600棟建筑不同程度的損壞，其中2700棟建筑倒塌或嚴重破壞。這座57層225m高的南美最高建筑也就成了結構工作者實現“人定勝天”抗震工程的一個榜樣。

二是，2005年百年不遇的卡特里娜颶風對安置了68個Taylor公司懸索阻尼器的Cochrane大橋的塔和懸索沒有造成任何破壞。

在這兩個毀滅性的自然災害中，阻尼器發揮了作用，也經受住了考驗，有力地說明了阻尼器這一結構保護系統在工程結構防護中的重要作用。

特別值得提出的是，近十年來，美國Taylor公司的液體黏滯阻尼器在結構工程領域的應用取得了飛速發展，其優秀的產品性能得到了抗震工程界的廣泛贊譽。到目前為止，美國Taylor公司已經在全球范圍內承接了690多個結構工程，提供了26000多個結構阻尼器。使用大型阻尼器的建筑工程500多個，其中高層和超高層建筑工程30多個，橋梁工程160多個，基礎隔震工程20多個。其增長速度很快，2002年以來每年都有20～30個新工程安置Taylor公司的阻尼器。以2005年為例，Taylor公司液體黏滯阻尼器完成工程統計見表1-1。

其完成的工程中還包括一些世界著名建筑：世界第二高的馬來西亞雙塔；2004年希臘奧林匹克和平和友誼體育場館；多倫多、土耳其等機場控制塔；我國北京火車站、北京銀泰中心。

阻尼器在我國建筑行業的發展也已經有了一個可喜的開端。2005年，北京銀泰中心安置了73套世界最先進的Taylor公司液壓黏滯阻尼器；在著名的鄭州國際會展中心，大跨度空間結構上使用了36套TMD（Tuned Mass Damper，調諧質量阻尼器）系統來減少二樓舞廳中跳舞的人群對樓板和建筑的擾動。與橋梁工程相比較，建筑結構更復雜，推廣使用減震阻尼器的困難更大。但越來越多的設計工作者開始考慮和應用消能減震措施，我國的有關設計規范和相應規程也正在走向完善。盡管還有很多問題，但從目前的勢頭來看，阻尼器應用必將迎來另一個發展的高潮。