减震技术丨一文快速读懂位移放大型阻尼器的理论研究及工程应用
摘要 /ABSTRACT/
传统的位移相关型阻尼器在结构变形较小时往往难以充分发挥工作性能。为此，可采用特殊的构造形式和安装方法，将结构的变形或位移放大数倍后再输入阻尼器，进而提高阻尼器的工作效率和耗能能力。阐述了位移放大的基本概念，并对4种典型的位移放大型阻尼器进行了分类介绍，可供理论研究和工程应用参考。
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引言
阻尼器通过利用金属屈服、固体摩擦或粘滞阻尼等机制耗散地震输入结构的能量，实现对承重结构构件的抗震保护，近年来被广泛应用于新建工程和既有工程的抗震加固。当前，世界主要抗震国家均已颁布了相应的设计规范对阻尼器的性能要求做出了明确规定，有力地推动了阻尼器在工程抗震中的应用。为充分发挥耗能能力，阻尼器一般被布置在结构变形较大的部位，但对于一些自身侧向变形较小的结构，如剪力墙、筒体、支撑框架等，或是当结构在较小侧向变形时就有较高耗能需求的结构，传统阻尼器的应用则受到了较大地制约。为克服以上不足，国内外学者通过将机械放大原理与传统阻尼器相结合，提出了具有位移放大功能的新型阻尼器形式，有效提高了阻尼器的工作效率。本文首先阐述了位移放大的基本概念，然后对4类典型的位移放大型阻尼器进行了分类介绍，可供理论研究和工程应用参考。
01
位移放大的基本概念
典型的速度相关型粘滞阻尼器的力学模型可用下式表示：
由此得到在一个周期内位移放大型阻尼器的耗能与传统阻尼器的耗能的比例关系为：
由式（7）可知，通过引入位移放大机制，阻尼器的耗能能力将呈指数级提高。由于同一种阻尼器的值是固定的，因此耗能提高的幅度理论上将完全取决于位移放大系数的大小。
在建筑工程中，位移放大系数通常用结构在某一变形状态下阻尼器的输入位移与层间位移的比值来表示，即结构发生相同的变形时，阻尼器的越大，则耗能越强，其表达式为：
在传统的阻尼器布置形式中，以沿对角线布置（图1(a)）和人字形布置（图1(b)）最为常用。下文将对典型的位移放大型阻尼器进行分类介绍。
图1 传统的阻尼器布置形式
02
肘节型阻尼器
2001年，Constantinou等[11]首先提出了肘节支撑阻尼器（Toggle-Brace-Damper, TBE），利用肘节机构对阻尼器的输入位移进行放大，如图2所示。对设置了TBE的钢框架结构进行了振动台试验，结果表明在结构发生很小的侧移时就可以输出较大的阻尼，从而有效减小结构的动力响应。根据布置形式的不同，TBE可分为上肘节式、下肘节式和反肘节式，其位移放大系数分别由式（9）~式（11）确定。通过选择合适的和，位移放大系数可达到普通对角布置时的3~4倍。在减振效果相同的前提下，采用TBE大大减小了阻尼器的数量，具有较好的经济效益，因此得到了一定的工程应用（图3）。
图2 肘节支撑阻尼器
图3 肘节支撑阻尼器的工程应用
Kubota等[13]提出了一种新型肘节阻尼器系统，如图4所示，当结构发生侧移时，阻尼器的输入位移经过杠杆臂将放大倍（为杠杆的力臂之比）。对该系统的力学行为进行了理论推导，并通过一系列振动台试验验证了理论分析的正确性和位移放大的效果。Ribakov和Reinhorn[14]基于优化策略提出了带有位移放大型阻尼器的结构体系的设计方法，对一栋7层原型结构（图5）进行了数值分析，结果证明这种形式的阻尼器具有高效的减震效果，在使用小型阻尼器时就可将结构的峰值位移响应降低40%~70%，若使用大型阻尼器还可进一步减少阻尼器的数量，提高建筑空间利用率，具有广阔的工程应用前景。
图4 肘节阻尼系统示意图
图5 带位移放大型阻尼器的结构体系
03
剪刀型阻尼器
Sigaher和Constantinou[15]对肘节式阻尼器进行改进，提出了剪刀型阻尼器（Scissor-Jack- Damper, SJD），如图6所示。结构的层间位移经过菱形扁桁架后将放大倍传递给阻尼器：
时程分析和振动台试验结果均表明，SJD可将原阻尼器的阻尼比提高2倍以上，有效降低结构的侧移和加速度水平。此外，SJD的构造紧凑、布置灵活，可适应特定建筑条件下对阻尼器的空间避让或无遮挡视线的需求，因而受到了建筑师的青睐。
图6 剪刀型阻尼器
04
齿轮型阻尼器
Berton和Bolander[16]将粘滞阻尼器与基于齿轮机构的位移放大装置相结合，提出了齿轮型阻尼器（DAD-FVD），如图7所示。该阻尼器的位移放大机制清晰明了：结构产生的层间位移依次经过齿条1、齿轮1、齿轮2后将被放大倍，最后经过齿条2传递到阻尼器的输入端，其位移放大系数等于大、小齿轮直径之比。此外，还可将齿条1与齿条2形成一定的角度，以满足不同的阻尼器布置要求，工程适应能力强。
图7 齿轮型阻尼器
基于相同的原理，韩建平和靳旭[17]提出了一种全新的构造，如图8所示，在双出杆型粘滞阻尼器中增设了一个副缸用于安装齿轮放大机构。当中间导杆随着外部的支撑往复运动时，齿轮机构将上、下导杆的位移放大并传递给活塞，从而将提高阻尼器的耗能能力。根据幂律流体的本构关系，推导了阻尼器的力学行为，并以一栋12层的钢筋混凝土框架作为原型结构，对不安装阻尼器、安装普通阻尼器和安装位移放大2倍阻尼器等3种情况进行了多遇和罕遇水准下的时程分析，验证了该阻尼器的减震控制效果。
图8 具位移放大机制的流体黏滞阻尼器
05
基于三角形铰链定位的阻尼器
朱林和苏振超[18]提出了基于三角形铰链定位的位移放大阻尼器，如图9所示，在竖向长槽内设置一个滑轮，滑轮两端分别连有三角形铰链和阻尼器。该系统利用铰链将结构的层间位移转变为滑轮在槽内的竖向位移，从而对阻尼器实现位移放大。位移放大系数可根据下式计算：
图9 基于三角形铰链定位的阻尼器
06
结语
阻尼器具有消散地震能量、保护承重结构的功能，近年来被广泛应用于新建工程和抗震加固改造。但在我国的工程实践中，阻尼器的布置形式仍以沿对角线布置和人字形布置为主，这导致对于自身刚度较大的结构体系（如剪力墙、筒体结构等），阻尼器的性能将无法充分发挥。此外，某些情况下建筑方案对阻尼器提出的空间要求也会影响其性能发挥。为此，可通过采用位移放大型阻尼器解决上述问题。
本文对肘节型阻尼器、剪刀型阻尼器、齿轮型阻尼器、基于三角形铰链定位的阻尼器等4种典型的位移放大型阻尼器进行了分类介绍，并给出了各类阻尼器的位移放大系数公式。从位移放大的效果来讲，齿轮型阻尼器仅取决于大小齿轮的直径之比，设计最为灵活；肘节型阻尼器优于剪刀型阻尼器和基于三角形铰链定位的阻尼器，但缺点是空间占用较大。因此，在实际工程中，需综合考虑建筑要求和减震目标选择合适的阻尼器形式。
参 考 文 献
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● 文章来源
本文选自2020年12月 《减震技术》期刊，题目：位移放大型阻尼器研究进展作者：徐景洪，包海念，姜程曦，陈铭祺，李琮琦，池 沛；单位：扬州大学建筑科学与工程学院
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