粘滞阻尼墙技术发展综述.docx

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粘滞阻尼墙技术发展综述

粘滞阻尼墙技术发展综述

目录

一、粘滞阻尼墙技术概述1

1.1基本构造1

1.2优点及工程应用实例1

二、粘滞阻尼墙技术分析3

2.1粘滞阻尼墙技术演变3

2.2粘滞阻尼墙技术发展路线12

2.3粘滞阻尼墙专利技术中日两国布局对比分析13

2.3.1中日两国专利申请量分析13

2.3.2中日两国申请人对比分析14

2.4粘滞阻尼墙技术发展展望15

三、总结16

参考文献16

摘要：

粘滞阻尼墙（VDW）最早是日本学者Miyazaki于1986年提出来，由SumitonoConstruction公司研制成功的一种可作为墙体安装在结构层间的阻尼系统，主要由内部钢板、外部钢板及处于内外钢板之间的粘滞液体（高分子聚合物）三部分构成，内部钢板固定于上层楼面，而外部钢板固定于下层楼面，并且内钢板能在其中沿平面运动。

其在建筑抗震领域得到了大量的应用。

本文针对粘滞阻尼墙的技术进行了分析，对该技术演变以及技术发展的脉络进行了论述，对该技术的发展演变的趋势进行了预测。

关键词：

粘滞阻尼墙；技术脉络；技术发展；

一、粘滞阻尼墙技术概述

1.1基本构造

粘滞阻尼墙（VDW）[1]最早是日本学者Miyazaki于1986年提出来，由SumitonoContruc-tion公司（Arimaetal.1988）研制成功的一种可作为墙体安装在结构层间的阻尼系统，它基本结构如图1-1所示，主要由内部钢板、外部钢板及处于内外钢板之间的粘滞液体（高分子聚合物）三部分构成，内部钢板固定于上层楼面，而外部钢板固定于下层楼面，并且内钢板能在其中沿平面运动。

其耗能原理是：

当结构受到风或地震作用时,上下楼面的运动速度不同,导致内钢板和外钢板产生相对速度,;内外钢板之间的速度梯度使粘滞材料产生阻尼,从而使结构的阻尼增大,降低了结构的动力反应。

1-内钢板;2-外钢板;3-粘滞材料;4-上部楼层;5-粘滞阻尼墙;6-下部楼层;7-柱

图1-1粘滞阻尼墙基本结构示意图

1.2优点及工程应用实例

粘滞阻尼墙是一种性能良好的消能减震部件,用于建筑结构减震具有以下优点:

（1）从小位移到大位移均能有效,耗能减震效率高,并且对风振作用都有显著效果,可以满足高层风荷载舒适度的要求。

（2）与防屈曲支撑等位移型阻尼器相比,粘滞阻尼墙不仅能减少位移,而且可以有效减少上部结构加速度反应。

（3）复位性好,地震后无残余变形。

（4）循环性能好,对于持续时间长,循环次数多的地震也十分有效。

（5）粘滞阻尼墙的形状类似建筑剪力墙,设置方便,不妨碍结构使用功能。

（6）由于粘滞阻尼墙的耗能能力比一般杆式粘滞阻尼器好,因而在达到相同减震效果的要求下,粘滞阻尼墙数量相对较少,减少设置位置。

（7）适用范围广,粘滞阻尼墙能够安装在一般的多层房屋结构,同时也适用于高层和超高层建筑结构,还能用于抗震加固和震后修复。

（8）安装粘滞阻尼墙较为简便,不用附加支撑,施工的误差对其消能减震性能的影响相对较小。

（9）VDW有很好的耐用性,几乎是不需要维护。

基于上述优点，粘滞阻尼墙在实际工程中也得到了长足的发展。

表1-1-1中列举了几项应用粘滞阻尼墙的重大工程项目。

表1-1粘滞阻尼墙实际应用工程举例[1]

完工时间

工程背景

备注

1994

静冈，SUT-building：

地下2层，地上14层。

钢结构

1995

东京，新宿NTT大厦：

地下5层，地上30层。

钢结构+钢骨钢筋混凝土结构

1999

东京，上野阪上中央一区西部再开发项目：

地下2层，地上24层。

钢结构+钢骨钢筋混凝土结构

2000

横滨，横滨MM大厦：

地下2层，地上23层。

钢结构+钢骨钢筋混凝土结构

2002

东京，六本本丁目C街区B住宅楼：

地下2层，地上43层。

钢结构+钢筋混凝土结构+钢骨钢筋混凝土结构

2003

东京，新宿御苑住宅楼：

地下2层，地上25层。

钢结构+钢骨钢筋混凝土结构

2008

宿迁，金柏年财富广场：

地下3层，地上25层。

框架-剪力墙结构

二、粘滞阻尼墙技术分析

2.1粘滞阻尼墙技术演变

粘滞阻尼墙是由日本学者MitsuoMiyazaki等在1986年提出来的,随后他们对粘滞阻尼墙进行了一系列的研究,包括粘滞材料的力学性能和结构模型的振动台试验研究等。

1986年,日本学者Miyazaki等对一个安装有粘滞阻尼墙的5层钢框架结构缩尺模型进行了振动台试验研究[3],模型结构总重为1t。

试验表明,当模型没有设置粘滞阻尼墙时,模型的阻尼比为0.02,基本周期为0.376s;当安装粘滞阻尼墙后,模型的阻尼比为0.32,基本周期为0.286s,结构的动力反应降低到原来结构模型的66%。

1988年，住友建设株式会社（申请人）、MitsuoMiyazaki（发明人）申请了第一个关于粘滞型剪力墙的申请：

JPH01312170A[4]，其公开了粘滞阻尼墙的最核心构造：

内墙、外墙、粘滞液体。

图2-1JPH01312170A的设计图

1988年日本的Arima等对4层足尺钢框架结构模型进行了振动台试验[5],结构模型自重为102.8t,试验中对钢框架在纯框架结构、安装偏心支撑、安装粘滞阻尼墙、安装铅橡胶隔震器等多种工况下进行了同一条地震波输入的对比研究。

同时他们还对粘滞阻尼墙单元在各种温度条件下进行了试验研究。

试验表明,粘滞阻尼墙吸收地震能量的效果是速度梯度、位移、温度、频率等变量的函数。

1989年，三井建设株式会社，提交了第二个相关的申请：

JPH02272179A[6]，与JPH01312170A的方案不同，JPH02272179A将内墙换为了弹簧，弹簧与外墙均安装在下楼层。

图2-2JPH02272179A的设计图

1989年，JPH03107074A[7]的进步之处在于，提出了：

多层粘滞墙的理念，内墙的数量增加到3个。

图2-3JPH03107074A的设计图

1991年，住友建设株式会社提交了JPH0586744A[8]，其对粘滞阻尼器的构成进行了完善，基于Arima[5]等人的研究，粘滞阻尼器的阻尼效果受温度的影响较大。

因此，在该申请中，在外墙的两侧进一步增加了保温墙，以保证粘滞材料的温度不受环境的影响。

图2-4JPH0586744A的设计图

1996年，日本石油化学株式会社，提交的专利发申请JPH09157450A[9]（同族：

US6037403A），提出了采用高粘性流体作为粘滞阻尼器的粘滞材料。

1996年住友建设株式会社，提交的专利发申请JPH0833813A[10]（同族：

US5740652A），该文献中，其主要创新之处在于，提出了：

模块化的粘滞阻尼墙的施工方法。

1996年，我国清华大学钱稼茹[11]教授通过钢框架模型的振动台试验，详细对比了框架——阻尼墙结构和纯框架结构的地震反应,考察了阻尼墙的减震效果。

1997年，日本石油化学株式会社，提交的专利发申请JPH112045A[12]，提出了一种高粘性碳化水素流体来作为粘滞阻尼器的粘滞液体，其具有温度敏感性低、耐久性好等优点。

1997年，オイレス工業株式会社提交的专利申请JPH1171935A[13]，其在粘滞阻尼墙的外侧设置壳体，防止雨水等杂质进入粘滞液体中。

图2-5JPH1171935A的设计图

1998年，オイレス工業株式会社提交的专利申请JPH11210261A[14]，其研究的目的与JPH1171935A类似，仍然是如何加强粘滞液体的密封性，防止雨水等杂质进入，其方法与JPH1171935A不同，采用了密封件+空气层的设计方式。

图2-6JPH1171935A的设计图

1998年，住友建設株式会社提交的专利申请JPH11241526A[15]，其主要改进之处在于：

提出了一种装配式内墙、外墙的连接方式。

1998年，オイレス工業株式会社提交的专利申请JP2000002014A[16]，其改进之处在于，在粘滞阻尼墙的外墙的外侧设置防火保温墙，以减少温度对粘滞材料的影响。

图2-7JP2000002014A的设计图

1998年，株式会社免制震総合企画提交的专利申请JP2000179183A[17]，其改进之处，在于在保温箱与外墙之间设置了加强管，该加强管能够在注入粘滞液体时保证外墙以及保温箱的刚度。

图2-8JP2000179183A的设计图

1999年，株式会社免制震総合企画提交的专利申请JP2000204789A[18]，其改进之处在于考虑粘滞阻尼液的注入方式，将内墙、外墙设置为可倾斜的方式，以方便阻尼液的注入；同时，上述改进之处更重要的构思在于，确保内板、外板在耗能过程中能够具有自导向的效果。

图2-9JP2000204789A的设计图

1999年，株式会社竹中工務店提交的申请JP2001123699A[19]，其改进之处在于，墙体的内部钢板与上梁之间不采用直连的方式。

图2-10JP2001123699A的设计图

1999年，株式会社竹中工務店提交的申请JP2001132267A[20]，其改进之处在于：

阻尼墙的内部板与上梁之间设置弹簧，在外部板与下梁之间设置弹簧；实现阻尼器在平面外位移下的阻尼效果。

图2-11JP2001132267A的设计图

1999年，株式会社竹中工務店提交的申请JP2001132265A[21]，其改进之处在于将内板的端部设置为尖刃状的形式。

图2-12JP2001132265A的设计图

2001年，株式会社竹中工務店提交的申请JP2002242478A[22]，其给出了一种U型金属板与粘滞阻尼墙相结合的阻尼系统。

图2-13JP2002242478A的设计图

2007年，大成建設株式会社提交的申请JP2009084871A[23]，其改进之处在于，内板与上梁铰接，外板与下梁铰接。

图2-14JP2009084871A的设计图

2012年，宮崎光生提交的申请JP2013221313A[24]，其改进之处在于，对外板的端部形状进行了改进；另外一个改进之处在于，在内板与外板之间设置了弹簧，即实现了内板的自复位功能。

图2-15JP2013221313A[的设计图

2013年，大成建设株式会社提交的申请JP2014152448A[25]，其构思是在内板的下侧固定以滑轮，以便于内板的滑动、内板的重量也可以由外板来承担，同时滑轮还可以对

图2-16JP2014152448A[的设计图

2014年，清华大学提交的申请：

CN104088373A[26]提交的阻尼墙，其将原始的内板替换为筒式粘滞阻尼器，利用阻尼器的轴向变形来实现耗能。

2014年，河南城建学院周海涛等人提交的CN104314197A[27]，改进之处在于，利用杠杆原理提高了内板与外板之间的相对速度。

2014年，同济大学建筑设计研究院提交的CN104405057A[28]，改进之处在于，给出了一种三板式粘滞阻尼墙。

图2-17CN104405057A的设计图

2015年，上海大学提交的申请CN105019571A[29]，其改进之处在于，将内板的形状设计为波浪形或者锯齿形，提高内板的面外稳定性，防止在往复运动中发生剪切变形。

图2-18CN105019571A的设计图

2015年，山东科技大学提交的申请CN205259389U[30]，其改进之处在于，将内钢板换成了内铝板，在内铝板与外板之间增加了弹簧，限制其在平面外的移动。

图2-19CN205259389U的设计图

2016年，上海堃熠工程减震科技有限公司提交的申请CN205530766U[31]，利用杠杆原理提高内板的运动速度。

图2-20CN205530766U的设计图

2016年，株式会社免制震ディバイス提交的JP2017218857A[32]为了限制内板在面外的转动，将内板的两侧连接设置有转动阻尼器。

图2-21JP2017218857A的设计图

2017年，上海史狄尔建筑减震科技有限公司提交的申请CN106639028A[33]，内钢板与上梁之间增加了U型钢板；其效果在于：

在小震时，粘滞阻尼墙产生阻尼；在大震时，开始时阻尼材料产生阻尼，位移达到一定条件下，U型板提供刚度。

图2-22CN106639028A的设计图

2017年，CN107119829A[34]利用了粘滞阻尼墙与粘滞阻尼墙两者的优点，将两者结合在一起。

2.2粘滞阻尼墙技术发展路线

2.1节对粘滞阻尼墙的技术发展进行了梳理，在此基础上，提出了以下技术路线图。

图2-23粘滞阻尼墙的技术发展路线

2.3粘滞阻尼墙专利技术中日两国布局对比分析

2.3.1中日两国专利申请量分析

图2-24给出了中日两国全球范围内粘滞阻尼墙的申请量趋势，从全球申请量、以及中日两国的申请量来看，可分为两段：

。

（1）第一阶段：

日本引领阶段（1994年-2007）

在这一段时期，日本的申请量在全球申请中占绝对主导地位。

从数据来看，不论是从这一时期的申请总量占比来讲，还是从各年度申请量占比来分析，日本在这一领域的申请量均占主导地位，期间日本的申请量占比超过达82%。

（2）第一阶段：

中国引领阶段（2008年-至今）

由图2-24可知：

2008年之后，关于粘滞阻尼墙技术的专利申请量开始高速增长，并且增长速度越来越快。

图2-24粘滞阻尼墙技术中日两国专利申请量变化曲线图

这一阶段最为明显的特点在于中国在此技术领域的占比急剧扩张，从2008年的69.5%上升到2015年的97.4%，并且从2010年开始，每年的申请量占全球申请量的比重一直处在90%以上。

其原因主要是：

2008年“汶川”地震后，中国政府和企业对于“抗震”技术更加重视，这一需求直接促进了粘滞阻尼墙的技术发展。

另外一方面，日本在此领域的申请占比逐渐减小。

日本在1994-2007年占比达到82%，而在08年-至今这一段时间其申请量占比仅仅只有3%。

这个原因有2个：

一是中国在08年之后的申请量剧增；二是在2007年之前，主要的粘滞阻尼墙的结构类型均已提出，后续的研发难度在不断增加。

2.3.2中日两国申请人对比分析

图2-25给出了日本的前五大申请人分布，图2-26给出了中国的前5大申请人分布。

从日本的申请人分布来看，分布较为分散，没有突出的行业龙头企业。

从中国的申请人分布来看，前5大申请人中有4个是高校申请，企业对于粘滞阻尼墙的研发显得较为落后。

另外，中国申请人也较为分散，北京工业大学的申请量之所以突出，是由于其在2014年申请了大量的关联申请。

从上述中日两国的申请人分布来看，在粘滞阻尼墙领域内，没有占行业突出地位的申请人。

图2-25日本主要申请人分布

图2-25中国主要申请人分布

2.4粘滞阻尼墙技术发展展望

粘滞阻尼墙的发展方向：

1）粘滞材料是影响耗能的重要因素。

研发受环境温度影响较小的粘滞材料是粘滞阻尼墙的发展方向之一。

2）内墙板与粘滞材料的接触面直接决定了耗能效果，研发内墙板的形状、构造，以提高与粘滞材料的接触面，是发展方向之一。

3）粘滞阻尼墙属于速度相关型的阻尼器，如何提高内墙板-粘滞材料的相对速度，是发展方向之一。

三、总结

本文对粘滞阻尼墙的技术进行了梳理，然后对粘滞阻尼墙的技术发展历程进行了详尽的分析。

然后，对中日两国的专利布局特点及其原因进行了分析。

从技术发展的角度来看，在2007年之前，日本在引领粘滞阻尼墙的发展。

2007年之后，中国开始引领粘滞阻尼墙的发展，提出了防屈曲粘滞阻尼墙。

本文通过分析粘滞阻尼墙的技术演变发展过程，对于粘滞阻尼墙技术的趋势进行了展望：

1）提高粘滞材料的性能；2）提高粘滞阻尼墙与粘滞材料的接触面；3）提高内墙板-粘滞材料的相对速度。

参考文献

[1]周云.粘滞阻尼减震结构设计理论及应用[M].武汉理工大学出版社,2013.08

[2]吴美良,钱稼茹.粘滞阻尼墙的研究与工程应用[J].工业建筑,2015,33（5）:

61-65.

[3]MiyazakiM,ArimaF,KidataY,HristovI.EarthquakeResponseControlDesignofBuildingUsingViscousDampingWalls[C].In:

Proc.1stEastAsianConferenceonStructuralEngineeringandConstruction.Bangkok:

1986.1882–1891.

[4]SUMITOMOCONST.EARTHQUAKE-PROOFWALL:

JPH01312170A[P].1989-12-15.

[5]ArimaF,MiyazakiM,TanakaH,ect.AStudyonBuildingswithLargeDampingUsingViscousDampingWalls[C].In:

Proc.9thWorldConf.onEarthquakeEngineering.Tokyo-Kyoto:

1988.821-826

[6]MITSUICONSTR.VIBRATIONCONTROLWALLDEVICE：

JPH02272179A[P].1990-11-06.

[7]FUJITACORP.DAMPINGDEVICEOFBUILDING:

JPH03107074A[P].1991-5-7.

[8]SUMITOMOCONST.BASEISOLATIONDEVICEANDMANUFACTURETHEREOF:

JPH0586744A[P]1993-4-6.

[9]NIPPONPETROCHEMICALSCOLTD.FLUIDCOMPOSITIONHAVINGHIGHVISCOSITYANDVIBRATIONENERGYDAMPINGAPPARATUSUSINGTHECOMPOSITION:

JPH09157450A[P]1997-6-17.

[10]FUJITACORP.ELEVATORDEVICEFORCONSTRUCTION:

JPH0833813[P]1996-12-24.

[11]NIPPONPETROCHEMICALSCOLTD.NOVELHIGHLYVISCOUSFLUIDCOMPOSITIONANDVIBRATIONALENERGYDAMPINGDEVICEUSINGIT:

JPH112045A[P]1999-1-6.

[12]OILESINDUSTRYCOLTD.VIBRATION-CONTROLWALL:

JPH112045A[P]1999-3-16.

[13]OILESINDUSTRYCOLTD.VIBRATIONCONTROLWALLANDMANUFACTURINGTHEREOF:

JPH1171935A[P]1999-8-3.

[14]OILESINDUSTRYCOLTD.VIBRATIONCONTROLWALLANDMANUFACTURINGTHEREOF:

JPH11210261A[P]1999-8-3.

[15]SUMITOMOCONST.SEISMICCONTROLWALLANDITSATTACHINGMETHOD,ANDSEISMICCONTROLSTRUCTUREUSINGITSWALL:

JPH11241526A[P]1999-9-7.

[16]OILESINDUSTRYCOLTESINDUSTRYCOLTD.FIRE-RESISTANTDAMPINGWALL:

JP2000002014A[P]2000-1-7.

[17]MENSEIHINSOGOKIKAKUKK.VIBRATIONCONTROLWALLANDITSMANUFACTURE:

JP2000179183A[P]2000-6-27.

[18]MENSEIHINSOGOKIKAKUKK.ATTACHINGCONSTRUCTIONFORQUAKERESISTINGWALL:

JP2000204789A[P]2000-7-25.

[19]TAKENAKAKOMUTENCO.VIBRATIONCONTROLWALL:

JP2001123699A[P]2001-5-8.

[20]TAKENAKAKOMUTENCO.VIBRATIONCONTROLWALL:

JP2001132267A[P]2001-5-15.

[21]TAKENAKAKOMUTENCO.VIBRATIONCONTROLWALL:

JP2001132265A[P]2001-5-15.

[22]TAKENAKAKOMUTENCO.TAKENAKAKOMUTENCO.COMBINATIONDAMPERANDBASE-ISOLATIONSOMBINATIONDAMPERANDBASE-ISOLATIONSTRUCTUREWITHDAMPERINSTALLEDTHEREIN:

JP2002242478A[P]2002-8-28.

[23]TAISEICORP.JOINTSTRUCTUREOFVISCOUSWALL:

JP2009084871A[P]2009-4-23.

[24]DYNAMICDESIGNKK,MIYAZAKIMITSUO.VISCOUSVIBRATIONCONTROLWALL:

JP2013221313A[P]2013-10-28.

[25]TAISEICORP.VISCOUSWALLSTRUCTURE:

JP2014152448[P]2014-8-25.

[26]清华大学.黏滞阻尼墙:

CN104088373A[P]2014-10-8.

[27]河南城建学院.一种位移放大型双出杆粘滞阻尼墙:

CN104314197A[P]2015-1-28.

[28]同济大学建筑设计研究院.一种三板式高耗能粘滞阻尼墙:

CN104405057A[P]2015-3-11.

[29]上海大学.一种粘滞阻尼墙:

CN105019571A[P]2015-11-4.

[30]山东科技大学.一种泡沫铝内板粘滞阻尼墙:

CN205259389U[P]206-5-25.

[31]上海堃熠工程减震科技有限公司.一种位移调节型黏滞阻尼墙:

CN205530766U[P]2016-8-31.

[32]ASEISMICDEVICESCOLTD.INSTALLATIONSTRUCTUREFORROTARYMASSDAMPER:

JP2017218857A[P]2017-12-14.

[33]上海史狄尔建筑减震科技有限公司.U型粘滞阻尼墙:

CN106639028A[P]2017-5-10.

[34]河北卓秋实业有限公司.一种无冷桥墙体结构:

CN107119829A[P]2017-9-1.

[35]谭在树.