3.3 铁路桥梁工程应用的阻尼器产品类型
桥梁结构特别是大跨度桥梁，本身有很大的温度变形，特别是夏季大跨度桥梁的温度变形高达几十厘米甚至一米以上。对这种变形通常采用释放的办法，而不能进行约束限制，从而避免桥梁产生很大的温度应力。因此，对于绝大多数的桥梁减震设计，在选用抗震抗风阻尼器时均必须考虑这一温度受力。当然，在最为理想的状态下，采用温度变形过程中基本不受力的液体黏滞阻尼器是最好的选择。对于普通内置液体的黏滞液体阻尼器，在温度变形速度很低时，桥体温度应力可以完全释放，阻尼器基本不受力。当然，阻尼器的内摩擦和必要的密封装置，也会使阻尼器产生很小的初始应力。
在以往的工程案例中，出于不同目的生产的有初始力的阻尼器，用于桥梁上时都将温度变形有效地释放出来。
3.3.1 带熔断阻尼器
根据不同的工程要求，设计工作者有时期望阻尼器具有两个阶段的特性：对于风、温度、刹车、小地震等常规荷载，阻尼器像刚性连杆一样，不发生两端相对运动。对于大风和大地震，超过一定动力荷载时，阻尼器则开始相对运动，并消耗振动能量。
熔断阻尼器可以很好地实现上述期望。这种阻尼器比一般的液体黏滞阻尼器多一个金属熔断装置，起到控制开关的作用。在美国旧金山附近的Richmond San Rafael大桥（图3-3）上，泰勒公司提供了设计值为2270kN的熔断阻尼器装置，装置上设计了在承受1250kN力时断裂的金属保险片。如果阻尼器受到风荷载、刹车荷载或者小的地震荷载，受力低于1250kN时，金属片限制了阻尼器两端的相对运动；如果地震导致阻尼器承受1250kN甚至更大的荷载时，金属保险片断裂，大桥将依靠2270kN的阻尼器进行耗能工作。保险片断裂以后，只要简单地更换保险片，阻尼器仍可继续使用。金属熔断阻尼器的计算模型为：
式中 F0——金属熔断开关力。
当然，这种阻尼器在工作的第一阶段金属熔断片限制了阻尼器的相对位移。桥梁也就限制了风和刹车荷载下的位移，进而限制了温度变化下的相对位移。要想在温度变化大的桥梁上使用，可以在桥梁的另一端使用普通阻尼器，放开可能的温度变形。Richmond San Rafael大桥采用了这一设计想法。
图3-3 加州里奇蒙德大桥熔断阻尼器
可见，Richmond San Rafael大桥设计人员采用的办法是，在设计时一侧阻尼器设置初始力，另一端采用普通阻尼器进行温度释放，并兼顾有抗震需求的情况。
3.3.2 带熔断锁定装置
韩家沱铁路斜拉桥减震系统采用制动荷载和地震荷载分别考虑的办法。设计的特点是采用技术更为成熟的锁定装置控制制动荷载，同时当出现大风、制动和小震工况下，锁定装置可以将全桥锁定，在设计中将制动位移控制在±10mm以内。从以往的工程经验来看（如台湾高铁），这种锁定装置控制制动荷载的效果较好。
此外，在普通锁定装置的基础上加设新型的熔断装置，该装置为力控，在超过规定的出力时装置断开，装置的功能类似保险丝的熔断，在装置断开后，结构的保护全部由并列使用的4个常规阻尼器承担。地震后4个锁定装置可以更换熔断片，恢复使用功能，即在普通锁定装置（1750kN/±300mm）基础上串联施加熔断片，熔断片和阻尼器缸体要有±300mm的间隙，这一新型带熔断锁定装置要允许在温度荷载下自由运动。当设计或罕遇震发生时，该装置在超过锁定装置最大力时，也就是超过设定的地震力时，熔断片率先断开，结构的保护全部由并列使用的4个常规阻尼器（2500kN/±300mm）承担。锁定装置的熔断开关在正常铁路运行和制动中的一定受力下，熔断器连接，正常工作。此时另一套阻尼器也起作用，但影响很小。只有当较大地震发生时，熔断开关开启，断开锁定装置的连接，全部桥梁的振动由大型抗震阻尼器承担。考虑到铁路桥梁的特殊性，这种改进后并用阻尼器的思路能很好地解决车辆制动荷载在桥梁动力荷载中和地震区地震荷载的双重控制问题。图3-4为韩家沱设计的带熔断阻尼器。
3.3.3 带限位阻尼器
带限位阻尼器（Limited Displacement Damper）的概念设计源于我国苏通大桥的设计理念（2004年），由中交公路设计公司和同济大学首次提出带限位阻尼器的概念。
考虑到苏通长江大桥桥位风速大、风况复杂、抗震要求高，为了防止预想不到的静力荷载、特大风和地震可能给桥梁带来的超量位移，需要加设限位装置。大桥设计者为了减少需要维护管理的装置，设计了一种创新的带限位的阻尼器。在常规阻尼器的基础上，在阻尼器运动的双方向上，加设限位装置。当该阻尼器最大相对位移超过±750mm时，阻尼器进入两端限位阶段。限位由非线性合成弹性单元（用弹簧表示）实现。限位可达最大附加位移±100mm，限位力可达10000kN。限位阻尼器的计算公式应为：
图3-4 韩家沱设计的带熔断阻尼器
式中 Flim——最大限位力；
Dmax——阻尼器开始限位前的最大位移。
理想带限位的阻尼器出力-位移的关系曲线以及概念设计图如图3-5、图3-6所示。
图3-5 带限位阻尼器阻尼器出力-位移的关系曲线
图3-6 泰勒带限位阻尼器阻尼器的概念设计
苏通大桥最终设计的阻尼器参数见表3-2。
表3-2 苏通大桥阻尼器的具体参数
不仅苏通大桥，其后的很多桥梁的设计者都赞成这一设计理念和做法。当然，要实现这一想法并不简单，从设计讨论，阻尼器的概念设计、投标、制作到验收，克服了一个又一个困难，历时两年，终于生产出合格的世界首创带限位的特大阻尼器。
显然，这是考虑温度变形的基础上增加限位，也就是说它不是初始力，而是后加受力。
3.3.4 金属密封无摩擦阻尼器
金属密封无摩擦阻尼器FHD（Frictionless Hermetic Damper）是一种具有独特性能的减震产品，是美国泰勒公司的一种专利产品，自从20世纪80年代开始就一直用于外太空设备装置中，并独家为美国航天局NASA以及相关的宇航机构供货。FHD阻尼器的出现解决了多年困扰美国航天局及军方的难题——如何在太空中应用各种内置油液设备。图3-7为卫星中采用的FHD阻尼器。
金属密封无摩擦阻尼器FHD区别其他普通抗震阻尼器的特性表现在，阻尼器相对运动过程中几乎没有摩擦力产生。由于金属波纹管密封件的采用，金属密封阻尼器可以提供更大的功率，产生的热量随时平衡消散，可以承受更高的内部温度而不破坏，阻尼器的耐久性、稳定性大幅提高。这类阻尼器可以用于振动幅度很大、频率较高的外界环境下。在土木工程领域已有部分项目采用这类阻尼器，如伦敦千禧桥、芝加哥凯越酒店TMD系统等。在这类阻尼器应用过程中，我们也发现对于普通阻尼器有些情况并不适用，而应采用可以提供更高功率的金属阻尼器。
图3-7 卫星中采用的FHD阻尼器
1.传统液体黏滞阻尼器应用界限
目前大量在土木工程领域上应有的抗震、抗风及设备用阻尼器均属于传统的油阻尼器，由于在长时间内这些阻尼器位移量很小或基本静止，从而决定传统阻尼器有一定的应用界限，它们的特点是：
（1）传统阻尼器在启动及运动过程中内部存在大量的摩擦过程，并且大多来自阻尼器的密封装置中。内部摩擦的存在实质上大大减少了阻尼器的工作寿命，降低了阻尼器耗能效率。为限制这种摩擦力，在多数阻尼器技术规程规范中均提出：在慢速位移/运动下阻尼器出力要小于额定阻尼力的10％。
（2）存在滞后现象，由于普通阻尼器普遍采用黏弹性材料，导致在阻尼器启动时出力不能与外界输入同步，这样带来的问题是不能抑制较小外部扰动位移，如斜拉索阻尼器大多要求可以限制拉索微幅振动（如0.2mm），而实际上大多数阻尼器不能满足这项要求。
（3）令人困扰的漏油问题：此处指的仅是由于密封件自身的物理特性引起问题，而排除了大量人为因素、粗制滥造、设计技术因素等原因。实际上，抗震用传统密封装置在常年使用后这个问题无法避免。
（4）无法满足长期服役的高周次循环要求。设计使用的寿命小于或远远小于所服役结构的设计使用年限：大多数建筑结构设计使用年限为50年，大多数桥梁结构及少数重要建筑结构设计使用年限为100年。在这种情况下如果阻尼器的振动频率较高，特别是当阻尼器安置在长期处于振动状态下时，阻尼器往复循环的次数一般多达几百万次甚至更多，可见这是任何普通阻尼器无法做到的。
（5）在相对高振幅、高频作用等要求较高功率的工作条件下，普通阻尼器会因为内部密封温度过高而失效。当然对于普通抗震阻尼器不存在上述情况，而对于应用于调谐质量阻尼器（TMD）系统、振动频繁需要承受高刹车荷载的铁路桥梁中时，普通阻尼器显然不适合采用。
（6）液体黏滞阻尼器作为一种能量吸收装置，在同样尺寸、技术参数的情况下，按照内部构造不同，在相同时间内所能消耗的能量（即功率）有较大差别。如果设金属密封阻尼器所消耗的能量为M，则双出杆型阻尼器的能量消耗为0.5M，具有补偿器的单出杆型（Damper with an Accumulator）阻尼器为0.7M，而D系列阻尼器（泰勒公司生产的一种内部构造更为简单的小型线型阻尼器）仅为0.3M。可见金属密封阻尼器在同样的时间内消耗能量更大；在实际应用中设计人应对这个区别给予重视。
2.FHD阻尼器的构造
FHD阻尼器的基本构造与普通阻尼器类似，均包括油缸、通长活塞杆、带小孔活塞头、阻尼器两端的端部盖板等部件，此外，为了配合使用金属波纹管密封件，对局部几个部位进行了改进：
（1）如图3-8所示，在阻尼器活塞杆两端增设金属波纹管状密封件（Metal Bellows Seal），显然，这是FHD阻尼器内部最为关键的环节。
图3-8 金属密封无摩擦阻尼器构造简图
（2）对活塞杆进行改进，增加了交换通道（Cross Overport）：其作用是当通过交换通道调节由于内部液体的体积变化；是当一侧波纹管伸长或压缩时，引导内部介质流出或流入另外一侧。
（3）迷宫式衬套（Labyrinth Bushings）：设置在两端盖板中，从而隔断限制由于活塞头运动时所产生的压强传入波纹管密封件。在衬套与活塞杆之间存在极为细小的缝隙，形成了一层极为细薄的油膜，使金属波纹管腔内油体与主油腔形成回路。由于压力衬套的采用，确保活塞杆的无摩擦接触，保证了FHD阻尼器的无摩擦特性。
3.金属波纹管密封件
FHD阻尼器与传统阻尼器最大的区别在于密封件的处理。传统阻尼器的密封装置分为静态密封以及动态密封两类，静态密封用于油腔端部等部位，动态密封用于与活动的活塞杆接触面上；静态密封一般采用橡胶O形密封圈，动态密封多采用高强度的高分子聚合物，可以采用的材料包括聚四氟乙烯、稳定的聚酰胺以及乙酰基树脂类材料。
由于传统阻尼器的密封件性能决定了它在使用中的一些特点，例如：由于动态密封件紧紧地环箍在活塞杆上，从而无法避免产生摩擦；此外，在活塞杆开始运动时，由于密封件的弹性变形产生的粘滑运动（Stick-slip Motion）使阻尼器很难处理一些微米级的扰动，在长时间运动后造成的密封件耐久性降低。
泰勒公司很好地借鉴了应用于气态密封的金属波纹管密封技术，并成功应用到液体阻尼器上。图3-8所示的FHD阻尼器典型构造图，其中金属波纹管密封件由若干不锈钢金属碟片组成，每片厚度不到0.1mm，并采用精密激光熔接组成波纹管形状结构，对于双出杆结构，通常采用两幅波纹管密封件，分别布置在阻尼器油腔两侧。
为了保证零泄漏，波纹管在加工组装后需要进行冲氦气检查——将其放置在真空的容器内，并在内部充满氦气，通过质谱计对是否产生甚至是氦气分子级别的泄漏进行查找。从构造来看，阻尼器活塞杆在往复运动过程中，两侧金属波纹管进行均匀的弹性变形，没有摩擦过程产生。NASA的测试结果也表明：由于使用了无摩擦的密封件，FHD阻尼器在运动过程中所测到的摩擦力接近于零。
3.3.5 加设自由微动黏滞阻尼器
加设自由微动黏滞阻尼器能释放装置两端所产生的较小位移，并且活塞杆与密封系统不产生相对位移，而只有当较大振幅运动时才提供阻尼。一般可将普通阻尼器的延长部件替换为小位移释放部件，来达到预期效果。图3-9为加设自由微动黏滞阻尼器装置示意图及测试曲线。