通常在国内,结构工程师对于黏滞阻尼器通常是一种拿来主义的态度(直接确定阻尼系数和阻尼指数,代入模型直接算~),而事实上,黏滞阻尼器的设计是一个十分复杂的过程,大致上可以分为黏滞阻尼器的强度计算、阻尼器的热量计算、流体动力学计算以及对比经验数据这四个主要过程:
(1)强度设计:阻尼器内部所有部件均应进行强度设计,各部件包括活塞杆、油缸以及护套在设计额定阻尼力基础上同时考虑一定安全储备;通常情况下安全系数应考虑取2~2.5倍,应保证在此安全储备下拉力和压力下各部件不应有任何屈服、变形。
(2)受热计算分析:按照单位时间内阻尼器的能量耗散进行阻尼器的热量计算,同时考虑动力密封件的设置。
(3)流体动力学计算:确保所有参数达到设计曲线要求。
(4)对比经验数据:设计阻尼器同时参照丰富的数据平台,确保精度。
事实上对于这四项设计过程,由于黏滞阻尼器所处的环境不同,其单位时间所耗散的热量有很大差别,这也是黏滞阻尼器设计的前提。
一方面黏滞阻尼器设计是由其强度来控制的,在土木工程领域的抗震阻尼器,在设计荷载的基础上,考虑足够的安全储备后,通过强度确定阻尼器各部分零部件的尺寸。
另一方面是阻尼器的单位时间消耗的能量很大,阻尼器需要足够的内部腔体和外部尺寸来实现能量转换,在这类设计中功率是起到决定作用的控制因素。对于抗风荷载、需要考虑连续工作的阻尼器,考虑阻尼器的功率是必不可少的,而黏滞阻尼器内部的流体介质运动是一个复杂的流体动力学问题。
此外,明确黏滞阻尼器的工作和运行状态是进行一个合理的耗能减震设计过程的基础,这也与设计者的初衷及目的有关。黏滞阻尼器的工作状态主要可分为两种,即日常的运营状态以及遇到突发事件所处的状态。这里涉及到的阻尼器主要工作和运行状态包括黏滞阻尼器内部工作压强、其能量耗散形式、热效应以及服役期限等。每种新参数的阻尼器的生产过程,都是个边生产、边实验的过程,除了控制质量的材料试验、成品的质量检测、部分组件(如活塞、密封件)的检测也都是必不可少的。
四、黏滞阻尼器的黏滞流体成份目前用于黏滞流体消能阻尼器的黏滞流体主要是液压油、有机硅油、硅基胶和特种悬浮液,而有机硅油又是应用最广的。
有机硅油是有机硅高聚物中的一种,它的分子结构中还有元素硅,并且分子主链是一条由硅原子和氧原子交替组成的骨架。有机硅油具有无毒、无味、无腐蚀性和不易燃烧等优点。有机硅油的种类有很多,其中二甲基硅油最常用作为黏滞流体消能阻尼器的黏滞介质,目前的研究也最为成熟。
二甲基硅油,或简称为甲基硅油,是一种无色透明的油状液体,密度一般为930~975kg/m2,不溶于水,并且疏水性好,具有比较好的电气绝缘性能,是最基本、最典型的有机硅油,也是产量最大、应用最广的一种品种。
五、黏滞阻尼器设计中的应用要点结构工程师需要与制造商沟通,根据流体阻尼器的特定要求进行相应的设计调整,这些参数包括:
- (1)最大输出力;
- (2)最小安全系数;
- (3)从中位计算的可用阻尼器冲程;
- (4)阻尼系数;
- (5)速度指数;
- (6)工作环境温度;
- (7)最大风功率输入(如果涉及风振);
- (8)阻尼器连续工作的时间(如果涉及风振);
- (9)阻尼器的尺寸要求。
特别注意的是:
采用消能阻尼器后只是降低了结构的地震作用,并不一定能降低结构的抗震构造措施。即使采用消能阻尼器,消能减震结构的任一楼层的水平剪力也应该符合《建筑抗震设计规范》第5.2.5条的最小楼层剪力的要求。
黏滞阻尼器的最大输出力为在最大地震动输入下计算所得到的结果,安全系数以最大输出力或最大速度为基础。如1.2倍安全系数表示阻尼器达到1.2倍最大输出力或最大速度时不会屈服损坏。根据阻尼器速度指数的取值不同,1.2倍安全系数相对于最终输出力来说有所区别。在抗规GB50011-2010要求极限速度应不小于最大速度的1.2倍,美国FEMA则要求1.3倍。