研究文章

带过载保护器的粘性阻尼器的多级振动控制机理及实验效果

DOI：

10.3791/68410

⸱

2025年9月5日

 ,  ,  , 
1Department of Disaster Mitigation for Structures, Tongji University, 2SichuanJackGooTechnology Co., Ltd, 3Shanghai Research Institute of Materials Co. Ltd., 4Department of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在这里，我们介绍了用于结构隔震的带过载保护器的粘性阻尼器 （VD-OP） 的设计、测试和应用。它包括机械建模、原型测试以及与高阻尼橡胶轴承的集成，以增强抗震性能，同时限制力传递并保持结构完整性。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究提出了一种创新的混合隔震系统，该系统将粘性阻尼器与过载保护（VD-OP）集成在一起，以提高抗震性能并克服传统隔震方法的局限性。VD-OP结合了位移相关的非线性阻尼机构和力限制功能，有效控制了地震强度变化引起的高速运动过程中的过大阻尼力。开发了一个使用实验数据校准的力学模型，以复制 VD-OP 的非线性阻尼和过载保护特性。数值模拟通过实验测试得到验证，为优化参数和评估性能提供了坚实的基础。研究结果表明，力限制功能在减少隔离层上的过大受力、提高隔离效率和控制上部结构的加速度响应方面起着至关重要的作用。不同地震情景的参数化研究和案例分析证实了该系统强大的耗能能力和适应性，确保了频繁地震时的有效隔离、设计级事件下的变形受控以及强震时的结构保护。本文提出的基于性能的设计方法为VD-OP系统的实施提供了实用的指导，为增强工程结构的抗震韧性提供了可靠的解决方案。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

隔震技术被认为是减轻地震期间结构振动、增强工程结构安全性和弹性的有效策略1,2,3。通过在上部结构及其基础之间引入柔性隔离层，隔震减少了地震力的传递，有效地将建筑结构与地震动解耦4,5,6。这种机制显着降低了结构加速度和层间漂移，确保了结构及其居住者的保护。各种隔离装置，包括叠层橡胶轴承7,8、铅芯橡胶轴承9,10,11，摩擦摆轴承12,13,14,15和滚动轴承16,17，常用于高层建筑18、桥梁19等的抗震设计基本基础设施20,21.

尽管传统隔震系统应用广泛，但在极端地震条件下仍面临挑战。具体来说，隔离层冗余不足和大地震时的过度变形会损害隔离效率并带来安全风险。为了解决这些局限性，已经提出了结合阻尼器、调谐质量阻尼器22和基于惰性阻尼器的混合隔离系统23,24,25。这些系统将阻尼器的耗能能力与调谐质量阻尼器的振动控制能力相结合，增强了主要结构的抗震能力 26,27,28。然而，其中许多先进系统仍然局限于理论分析和实验室研究。其复杂的配置和高昂的实施成本阻碍了其在实际工程项目中的广泛应用。此外，基于经典粘性阻尼器29,30,31的混合隔离系统存在一个固有的缺点：在高速变形下阻尼力过大。该问题降低了多级地震时的隔离效果，增强了上部结构的加速度响应，增加了隔离层内的失效风险。过度阻尼不仅破坏了隔震的预期好处，而且还引入了新的脆弱性，特别是在罕见但强烈的地震激励下。正如2022年6.8女士泸定地震32,33中所观察到的那样，一栋配备粘性阻尼器隔离系统的建筑遭遇了意想不到的挑战。阻尼器的相对速度超过了其设计极限，导致阻尼力远远超出预期规格。这一结果凸显了迫切需要改进能够承受不可预测地震力的坚固可靠的阻尼技术。随着研究人员和工程师努力开发创新解决方案，以在未来的地震中保护结构和生命，对增强抗震保护的追求仍在继续。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种新型混合隔离系统，该系统具有带过载保护的粘性阻尼器（VD-OP）。VD-OP 采用创新的力限制机制，可在高速下限制阻尼力，确保隔离系统在不同的地震强度下保持其效率。创建了一个使用实验数据校准的力学模型，以模拟 VD-OP 的非线性阻尼行为和过载保护功能。通过实验测试验证了一系列数值模拟，为参数优化和性能评估提供了强大的框架。鉴于提出了一种以性能为导向的设计方法，针对 VD-OP 的非线性参数进行了参数分析。在提出的参数集和设计流程图的基础上，研究了基于VD-OP的隔离系统对多级地震激励的有效性。

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方案

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带过载保护器的粘性阻尼器（VD-OP）的力学仿真方法
VD-OP的器件结构、工作原理及意义

VD-OP 的所有组件如 图 1 所示，包括外管、活塞杆和阻尼油。外管由高强度材料制成，用于封闭内部部件，确保密封环境，防止漏油。活塞杆通常由高强度钢组成，在管内往复运动，连接到活塞，活塞迫使阻尼油通过限制孔，可以产生与杆运动速度成正比的阻力，从而耗散施加的力的能量。当发生过大的载荷时，摩擦面机构被触发。如果施加的力超过设计阈值，摩擦面就会激活，产生额外的阻力，限制活塞杆的位移速度。

VD-OP 的构造和机械原理（图 1）能够保证阻尼器在正常和过载条件下在安全范围内运行，具有显着的优势。将力限制在 Fmax，它可以防止过载，这对于在强震活动期间保护阻尼器免受故障至关重要。这一特点不仅增强了阻尼器的耐用性，还提高了地震时结构响应的控制，从而提高了结构的安全性和稳定性。总之，VD-OP 通过集成防止过载的机制，为结构应用中的能量耗散提供了有效的解决方案，特别是在地震条件下。这提高了可靠性和安全性，使其成为优于传统粘性阻尼器的选择。

VD-OP（带过载保护的粘性阻尼器）表现出与传统粘性阻尼器 （VD） 不同的独特力-速度关系。这种饱和度可以防止阻尼器承受超出其设计能力的力，从而保护其在极端条件下免受潜在故障的影响。相比之下，传统的VD系统缺乏这种饱和特征，继续表现出线性力-速度关系，而力没有任何上限。在施加的力超过阻尼器的设计极限的情况下，这可能是有害的，可能导致结构损坏。 图 1 中的曲线显示了一个典型的环路，对于更高的速度，力在 Fmax 处趋于平稳。这种行为确保阻尼器保持在其运行范围内，防止吸收过大的力，从而提高结构系统的整体安全性和可靠性。

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图1：拟议的带过载保护器的粘性阻尼器（VD-OP）的构造示意图。 （A）VD-OP示意图;（B） VD-OP 的物理外观;（C）两个端子之间的输出力与相对速度的关系;（D）VD-OP的典型滞后曲线。 请点击此处查看此图的大图。

VD-OP 的组成关系

图1 说明了VD-OP的力学模型和滞后曲线。最初，该关系遵循线性依赖关系，表示为 F = CV，其中 F 是 VD-OP 提供的阻尼力， C 是阻尼系数， V 是 VD-OP 两端之间的相对速度，速度低于某个阈值。然而，一旦速度超过该阈值，力就会在最大值 Fmax 处饱和，从而提供临界过载保护机制。VD-OP 和传统粘性阻尼器之间的主要区别在于在设备内集成了额外的过载保护器。VD-OP 的核心设计特点是其卸载力，表示为 Fmax，由集成摩擦面产生的摩擦力控制。一旦指定了摩擦材料，就可以很容易地确定摩擦系数。根据库仑定律，摩擦力 Fmax 表示为 Fmax = μPpre，其中 μ 是摩擦系数， Ppre 是施加的预压。因此，通过调整 Ppre，可以精确校准 Fmax 以满足特定的设计要求，从而增强设备的功能和适应性。

VD-OP 的参数分析

根据VD-OP的本构关系（图1），分析了能量耗散特性。将VD-OP的阻尼系数和速度指数设置为 C = 500 kN•s0.6/mm0.6 和α = 0.6，并改变不同的最大卸 荷力Fmax 和位移δ。VD-OP 的滞后曲线在不同的参数下进行了描绘（图 2）。设置最大卸载力和位移为 Fmax = 200kN 和 δ = 1.2mm，并将阻尼系数 C 和速度指数 α 更改。VD-OP的滞后曲线在不同的参数下进行了描绘（图3）。

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图2：不同位移δ下不同Fmax的VD-OP滞后曲线： （A）δ = 0.8mm，F max = 100kN;（B） δ = 1.2mm，F max = 100kN ;（C） δ = 1.6mm，F max = 100kN;（D） δ = 0.8mm，F max = 300kN ;（E） δ = 1.2mm，F max = 300kN ;（F） δ = 1.6mm，F 最大值 = 300kN ;（G） δ = 0.8mm，F max = 500kN ;（H） δ = 1.2mm，F max = 500kN ;（I） δ = 1.6mm，F max = 500kN 。请点击此处查看此图的大图。

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图3：不同C和α的VD-OP的滞后曲线：（A）C = 200kN•s0.3/mm0.3，α = 0.3;（B） C = 200kN•s0.6/mm0.6，α = 0.6 ;（C） C = 200kN•s1/mm1， α = 1 ;（D） C = 500kN•s0.3/mm0.3，α = 0.3 ;（E） C = 500kN•s0.6/mm0.6，α = 0.6 ;（F） C = 500kN•s1/mm1， α = 1 ;（G） C = 800kN•s0.3/mm0.3，α = 0.3 ;（H） C = 800kN•s0.6/mm0.6，α = 0.6 ;（I） C = 800kN•s1/mm1， α = 1 .请点击此处查看此图的大图。

VD-OP 的实验测试程序
测试原型和设备

根据前面提到的VD-OP的器件结构，创建了VD-OP器件的原型来研究其机械性能。单轴执行器（图 4）用于测试 VD-OP 的机械行为。测试装置的液压系统包括PID控制流量的100 kW伺服液压泵、冲程为±800 mm的执行器、静态测试能力为3000 kN、动态测试能力为±2000 kN。传感器包括一个用于力测量的 3000 kN 称重传感器和一个用于位移测量的范围为 ±1000 mm 的 LVDT。给出了VD-OP的参数（表1）和加载协议（表2）。

实验测试和数值模拟程序

图4所示的实验可以为VD-OP的性能特征提供有价值的见解。在测试之前，使用自重进行动态校准，然后在 30 分钟的预热期后进行零点调整。将 VD-OP 阻尼器安装在上下压板之间，使用激光对准工具确保对准以实现同轴对准。通过应用三个幅度为最大冲程的 ±5% 和频率为 0.01 Hz 的预循环来消除机械松弛。数据采集和后处理涉及实验控制系统自动同步力、位移和温度信号。传感器漂移使用预校准系数进行补偿。此外，为了进一步验证测试结果和有限元分析的准确性，采用OpenSees复制VD-OP测试条件。有限元模型中的器件参数和加载场景与物理测试保持一致。

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图 4：实验设置的流程图。 实验过程从动态自重校准和 30 分钟预热后的零点调整开始，然后在压板之间安装激光对准的 VD-OP 阻尼器，预循环 ±5% （0.01 Hz） 以消除松弛。力、位移和温度数据通过漂移补偿同步采集，而 OpenSees 仿真复制测试参数以验证实验和有限元分析的一致性。 请点击此处查看此图的大图。

VD-OP隔离系统的开发
VD-OP 隔离系统的配置

基于前面提到的 VD-OP，描述了 VD-OP 隔离系统的机械配置（图 5），包括高阻尼橡胶轴承 （HDRB） 和 VD-OP。HDRB在正常情况下能有效吸收能量和降低地震力，但在罕见地震时，它们可能会发生较大的变形并表现出刚度硬化，从而破坏隔离性能。对于传统的粘性阻尼器，在这种极端条件下也可能会因受力过大而失效。因此，提出了一种VD-OP隔震方法用于结构抗震控制。在拟议的隔离系统中，VD-OP通过采用过载保护机制来解决这些问题，防止阻尼器超出其受力能力，从而避免在罕见地震期间发生故障。此外，通过限制阻尼器的力输出，VD-OP 有助于抵消 HDRB 的刚度硬化，即使在大变形下也能保持更好的隔离性能。综上所述，VD-OP隔离系统的开发旨在通过确保有效管理能量耗散和力限制来增强建筑结构的安全性和性能，解决HDRB在极端事件中的潜在缺点。本研究中进行的实验研究可能支持隔离系统内 VD-OP 的有效性。

VD-OP隔离系统的机械原理

建立了地震激励作用下线性阻尼SDOF结构的控制运动方程。结构质量 m、线性弹簧 k和粘性阻尼系数

建立了地震激励作用下线性阻尼SDOF结构的控制运动方程。结构质量 m、线性弹簧 k和粘性阻尼系数 c 被认为代表等效机场控制塔。运动方程可以表示为：

figure-protocol-5

式中， mi 为隔离层的质量， Ui 和 U 分别为隔离层和一级结构的位移， FVD-OP 和 FHDRB 为VD-OP和HDRB的输出力， figure-protocol-6 为地震加速度。输出力 FVD-OP 可以计算如下：

figure-protocol-7

输出力 FHDRB 可以通过 DHI 机械模型获得，该模型遵循以下公式：

FHDRB = τDHI • AHDRB （3）

式中， τDHI 和 AHDRB 是使用 DHI 模型和 HDRB 的有效面积的剪应力。

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图5：拟议的基于VD-OP的建筑结构隔离系统示意图。 （A）VD-OP隔离系统示意图，（B）HDRB的典型滞后曲线，（C）基于VD-OP的隔离系统的单自由度系统的力学模型。 请点击此处查看此图的大图。

VD-OP 隔离系统的参数分析

对2自由度结构模型进行了参数化分析，研究了VD-OP对各种隔离变形的过载性能。上部结构质量为154666.67 kg，周期为0.66 s，固有阻尼比为0.05，隔离层质量为38666.67 kg。隔离系统采用HDRB34、35、36 作为隔离轴承和VD-OP。使用 OpenSees37 进行模拟。HDRB 采用 KikuchiAikenHDR 材料建模，轴承直径为 400 毫米，橡胶总厚度为 74 毫米。采用PGA=0.4 g的地震波模拟罕见地震。描述了隔离层在这些罕见条件下的响应（图5）。

为了提高系统的性能，采用了 VD-OP，关键设计参数是最大过载保护力 Fmax。无量纲参数阈值力比 ρ = Fmax/FBR 在0-1.0之间变化，VD-OP阻尼指数固定为0.6。显示了不同rho值的结构响应，包括位移、加速度、隔离层变形和基础剪切力（表3 和 图6）。给出了不同参数ρ值下HDRB和VD-OP的滞后曲线（图7）。图8中的滞后曲线说明了VD-OP阻尼器在不同地震烈度水平下ρ = 0.5的性能。

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图 6：不同 ρ 的系统的地震响应。 随着阈值力比ρ的增加，结构位移最初减小，达到最小值，然后略有增加。 请点击此处查看此图的大图。

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图7：不同ρ的HDRB和VD-OP的滞后曲线：（A）HDRB，ρ = 0.2;（B）VD-OP，ρ = 0.2;（C）HDRB，ρ = 0.5;（D）VD-OP，ρ = 0.5;（E）HDRB，ρ = 0.8;（F） VD-OP，ρ = 0.8。请点击此处查看此图的大图。

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图8：VD-OP在频繁地震、防御地震和罕见地震下ρ = 0.5的滞后曲线。（A）频繁地震;（B） 设计级事件;（C） 严重地震。请点击此处查看此图的大图。

VD-OP 集成隔离结构的数值示例设置
原始结构的模拟

采用三层混凝土框架结构进行隔震分析，以评估VD-OP隔震系统的有效性和适用性。结构分析过程是使用 ETABS 软件38 完成的，并描绘了结构模型和平面布局（图 9）。该结构尺寸约为 32 m x 15.6 m，总质量约为 1856 吨。楼板、梁、柱所用混凝土的抗压强度为30MPa。结构振动模态包括X和Y方向的平移运动，周期分别为0.66 s和0.61 s，以及绕Z轴的扭转模态，周期为0.54 s。鉴于第一模态和第三模态的周期之比超过0.9，这表明地震响应研究的扭转性能较弱。

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图9：评估VD-OP隔震体系有效性和适用性的三层混凝土框架结构的隔震分析方案。 （A）原始结构有限元模型的透视图;（B）典型楼层的结构平面图;（C）五种输入地震动的归一化加速度谱。请点击此处查看此图的大图。

VD-OP隔离系统的设计
采用VD-OP隔震系统，通过限制隔震层内传递的加速度响应，增强结构抗震韧性。VD-OP的基于性能的设计涉及一个综合过程，包括四个关键步骤：（1）评估原始结构的性能，（2）确定性能改进目标，（3）设计基于VD-OP的隔离结构，以及（4）验证其抗震性能。使用预定的典型值或特定的工程要求，可以确定代表性能改进目标水平γSF的剪力比和结构加速度γACC。该γSF可以计算为主结构的峰值剪切力响应与基于VD-OP的孤立结构的峰值剪切力响应之比，而γACC可以计算为主结构的峰值加速度响应与基于VD-OP的孤立结构的峰值加速度响应之比。VD-OP的参数设计涉及选择具有代表性的参数集以实现所需的刚度和阻尼特性，包括阻尼系数、阻尼指数和过载保护器F max的阈值力。上述参数可以根据力学性能研究的参数结果和设计原理确定，以最小化VD-OP基孤立结构在罕见地震下的加速度响应。根据上图的设计流程，总结了参数设计流程图（图10）。

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图10：所提出的基于VD-OP的混合隔离系统的设计流程图。 VD-OP 设计包括：（1） 评估原始结构，（2） 定义目标改进比（剪力α和加速度 β），（3） 优化阻尼参数（系数、指数、阈值力）以实现最小地震响应，以及 （4） 验证性能。 请点击此处查看此图的大图。

通过设置目标隔震效率，通过目标基面剪切力γ SF、Tar和结构加速度比γACC、Tar评价为0.35，在主结构基部增加了HDRB和新型VD-OP的隔震层。HDRB 和 VD-OP 的具体参数详细说明了（表 4 和表 5）。

使用 VD-OP 隔离系统对结构进行动态分析

该结构设计可承受 7 度（0.15 克）的地震防御强度，位于 IV 类场地，该场地被归类为软土场地39。该场地的响应谱具有 Tg = 0.75 s 的特征周期。4.16 鉴于这些场地条件，选择了 7 个地震时程记录进行分析，包括 2 个人工地震动时史和 5 个来自日本 K-KET 数据库的自然地震动时史40。给出了有关这些地震记录的详细信息（表 6），并给出了它们的加速度响应谱（图 9）。

为了评估HDRB在各种地震情景下的性能，对地震动时程进行了缩放，以实现35加仑、100加仑和220加仑39的峰值地面加速度（PGA）。选择这些PGA值分别对应于频繁地震、设防地震和罕见地震，以确保对孤立结构的抗震能力进行全面评估。重点分析了原始结构、基于HDRB的VD-OP隔离系统结构和LRB隔离结构在频繁地震、设防地震和罕见地震条件下的动力响应，重点分析了层间位移、加速度和剪切力。详细的比较响应如图所示（图11）。描绘了 VD-OP 在 NW3 地震动输入下频繁地震、防御工事地震和罕见地震的滞后曲线（图 12）。

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图11：不同地震等级下的层 漂移。（A）频繁地震下的层漂移;（B） 设计级事件下的故事漂移;（C） 故事在严重地震下漂移。（D）频繁地震下的故事剪;（E） 设计级事件下的故事剪;（F）强震下层剪;（G）频繁地震下的故事绝对加速度;（H） 设计级事件下的故事绝对加速度;（I）剧烈地震下的故事绝对加速度。 请点击此处查看此图的大图。

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图12：不同地震等级NW3下隔离层的滞后曲线。 （A）频繁地震下的VD-OP;（B） 设计级事件下的VD-OP;（C）强震下的VD-OP;（D）频繁地震下的HDRB;（E） 设计层面事件下的HDRB;（F） 强震下的HDRB。 请点击此处查看此图的大图。

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结果

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VD-OP 设备的参数分析结果
力-速度关系和滞后行为（图 2）：

如 图2所示，滞后曲线显示了阻尼器的耗能量行为如何随着 不同的F最大值和位移幅度而变化。对于 较小的 Fmax 值（例如，100 kN），即使在较小的位移（例如，δ = 0.8mm）下，阻尼器也更容易达到卸载阈值。这导致了更明显的卸载阶段，其中力在 Fmax 处饱和，限制了进一步的力增加。相反，对于较大的 Fmax 值（例如，500 kN），阻尼器需要更大的位移才能达到卸载阈值，从而在力达到 F<...

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究证明了VD-OP（图1、 图2和 图3）在通过控制能量耗散和力限制来增强抗震弹性方面的有效性。实验结果（图4、 图13和 图14）证实，VD-OP在高速运动下减轻了过大的阻尼力，降低了结构损坏的风险。参数研究进一步表明，最佳阈值力比可确保能量耗散和稳定性之间的平衡（图 6、 图 7 和 图 8）。

几个关键步骤对于拟议协议的成功至关重要（...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明，本文的发表不存在利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究由科技部国家重点实验室基础研究项目（资助号SLDRCE19-A-10）支持。感谢所有支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
动态测试软件上海华龙HDTS-v3.0 版本符合GB/T 20688.1-2007
ETABS-建筑分析与设计 计算机和结构公司19.0.2用于性能建模和结构分析
称重传感器宁波赛石C3M-3000型用于容量为 3000 kN 的实验
LVDT的上海华龙HLVDT1000对于 ± 的实验;1000 毫米范围和 0.01 毫米分辨率
磁致伸缩传感器MTS（美国）MTS-R 系列对于 ± 的实验;800 mm 行程
马特实验室MathWorks2024用于实验的计算
伺服液压执行器上海华龙YJW-20000型对于 ± 的实验;800 毫米行程，±2000 kN 动态容量

参考文献

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