新型旋轉放大式黏彈性阻尼器性能試驗研究

李宏男，李元龍，黃 宙，付 興

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧，大連 116024；2.沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧，沈陽110168)

被動控制一般是指對結構的某些部位進行改造處理，或在結構的某些位置設置特種機構、隔振裝置、附加子結構等實現隔振和耗能，從而減小結構的動力響應[1-4]。阻尼器是一種典型的被動控制元件，通過滯回變形耗散地震或風荷載等輸入到結構中的能量，達到保護結構安全的目的[5-8]。框架結構在外荷載作用下梁柱節點的受力機理復雜，節點區域是結構的核心部位，常常也是薄弱環節，在梁柱節點處設置轉角式節點阻尼器是一種經濟適用、耐久高效的保護方法。在外荷載作用下梁柱節點的轉角變形帶動阻尼器發生滯回變形實現耗能減震的效果，有利于提高結構的整體安全穩定性，符合結構抗震中的延性設計理念[9]。

Martinelli和Mulas[10]提出了一種以能量耗散為目標的無源被動控制技術，即采用基于摩擦、金屬屈服、粘彈性固體和流體變形的能量耗散裝置，通過在梁柱節點周圍設置該轉動摩擦耗能裝置來提高結構阻尼，可用于框架結構的抗震設計和加固。Soydan 等[11]研究了一種基于在預制鋼筋混凝土框架結構梁柱節點區域設置鉛擠壓阻尼器的新型改造加固方式，進行了1/2縮尺比不加固和加固結構模型的振動臺試驗以及非線性動力時程仿真分析，結果表明設置鉛擠壓阻尼器后，預制框架層位移、層間位移角、彎矩和柱基處的塑性變形均明顯降低。吳叢曉等[12]設計制作了一種利用鉛和橡膠兩種耗能材料同時工作的扇形鉛黏彈性阻尼器，研究了該阻尼器的滯回曲線、骨架曲線與恢復力模型、疲勞性能及大變形能力等，并進行了有限元分析。王艮平等[13]提出了采用扇形鉛黏彈性阻尼器加固框架結構的方法，設計并制作了無控框架和兩榀不同連接方式的扇形鉛黏彈性阻尼器加固框架，通過低周往復加載試驗分析了其滯回性能、承載能力、剛度退化、耗能能力等指標，驗證了其加固效果。鄒爽等[14]提出了一種適用于村鎮木框架結構房屋的新型角位移黏彈性阻尼器，進行了力學試驗及低周期疲勞性能試驗，探究了在不同溫度、加載頻率和加載位移下各力學性能指標的變化規律。

然而，鋼筋混凝土框架結構在外荷載作用下梁柱節點處產生的轉角變形一般較小，傳統的節點轉角式阻尼器只有當梁柱節點處發生較大的相對轉角時才能充分發揮其耗能減震能力，在小變形情況下難以達到理想的耗能效果，實際工程應用中存在一定的局限性。為此，本文提出了一種新型旋轉放大式黏彈性阻尼器(rotation-magnified viscoelastic damper，簡稱RMVD)，利用杠桿原理將梁柱節點處相對較小的轉角變形進行放大，從而增大黏彈性材料的滯回變形耗能，可有效提高對結構的振動控制能力。首先介紹了RMVD 的基本構造及工作原理，并加工制作了實物模型，對其進行不同工況下的循環加載試驗以及疲勞試驗，探究各力學性能指標隨加載頻率和轉角變形幅值的變化規律；并與相同試驗工況下傳統無放大功能轉角阻尼器的耗能效果進行對比分析，驗證了RMVD的耗能放大能力。

1 阻尼器基本構造及工作原理

1.1 基本構造

本文提出的新型旋轉放大式黏彈性阻尼器構造示意圖如圖1所示，三維結構圖如圖2所示，主要構件尺寸圖如圖3所示。該阻尼器主要由以下部分構成：1—側板；2—底板；3—轉軸；4—內扇形支撐板；5—外扇形支撐板；6—扇形旋轉剪切板；7—圓角矩形滑槽；8—12.9級高強螺桿；9—橡膠板(采用20 mm 厚的高阻尼丁基橡膠，其復合剪切模量為0.51 MPa)。

圖1 旋轉放大式黏彈性阻尼器構造示意圖Fig.1 Construction diagram of the RMVD

圖2 旋轉放大式黏彈性阻尼器三維結構圖Fig.2 The three-dimensional structure diagram of the RMVD

圖3 旋轉放大式黏彈性阻尼器主要構件尺寸圖Fig.3 The main component dimension diagram of the RMVD

側板1和底板2通過轉軸3鉸接，內扇形支撐板4、外扇形支撐板5分別通過螺栓和套塊固接在側板1和底板2上。為保證阻尼器繞轉軸3轉動使橡膠板9發生剪切變形，內扇形支撐板4、外扇形支撐板5 及扇形旋轉剪切板6的圓心均應為轉軸3。在內扇形支撐板4、外扇形支撐板5上相應位置開圓孔，在扇形旋轉剪切板6相應位置開2個圓角矩形滑槽7，用12.9級高強螺桿8穿過內、外扇形支撐板和扇形旋轉剪切板，實現鉸接。在內、外扇形支撐板與扇形旋轉剪切板之間設置橡膠板9，用環氧樹脂高強膠黏劑牢固粘結。考慮到阻尼器中橡膠會產生較大的剪切變形，故在內、外扇形支撐板和扇形旋轉剪切板之間設置橡膠板的相應位置開設2 mm 凹槽，凹槽的設計可以確保阻尼器工作時橡膠板發生純剪切變形，且可以保證橡膠板與兩側鋼板粘結更牢固，防止其在大變形情況下開裂脫落。該阻尼器所用鋼材均為Q345鋼，實物圖如圖4所示。

1.2 工作原理

該阻尼器可直接安裝在框架結構的梁柱節點區域，通過預留孔洞用螺桿將側板和底板與梁柱固定連接，工程安裝示意圖如圖5所示，工作原理示意圖如圖6所示。當結構梁柱節點變形帶動側板和底板旋轉時，阻尼器的內、外扇形支撐板相對轉動，促使高強螺桿沿圓角矩形滑槽運動，在高強螺桿的驅動下，扇形旋轉剪切板的轉角可成倍放大，從而使橡膠板產生更大的剪切變形，充分發揮其滯回耗能能力，達到更理想的耗能減震效果。

圖4 旋轉放大式黏彈性阻尼器照片Fig.4 Photo of the RMVD

圖5 旋轉放大式黏彈性阻尼器工程安裝示意圖Fig.5 Engineering installation diagram of the RMVD

圖6 旋轉放大式黏彈性阻尼器工作原理示意圖Fig.6 Working principle diagram of the RMVD

該阻尼器的轉角放大示意圖如圖7所示，兩圓角矩形滑槽中心A、B距阻尼器旋轉中心O的距離分別是x和y，本文中x取17 cm，y取22 cm，OAB連線與水平方向夾角為π/4。當結構梁柱節點轉動α 時，A、B的位置變化到A′、B′，產生的相對轉角γ 為：

圖7 旋轉放大式黏彈性阻尼器轉角放大示意圖Fig.7 Angle magnification diagram of the RMVD

則轉角放大倍數m為：

該阻尼器不同轉角對應的放大倍數如表1所示，可以看出所設計的阻尼器轉角放大倍數穩定在3.8～3.9，橡膠板的剪切變形實現有效放大。

表1 轉角放大倍數計算表Table 1 Angle magnification calculation table

根據建筑結構的實際情況，可采用以下兩種方法調節阻尼器的耗能放大能力：1)調整高強螺桿8的開孔安裝位置；2)調整橡膠板9的粘結位置和尺寸。

2 試驗概況

2.1 加載方案

加載設備采用MTS電液伺服作動器，最大負荷為100 kN。試驗目的是研究加載頻率和轉角變形幅值對阻尼器滯回性能的影響，采用位移控制加載方式，同一加載條件下，作5次具有穩定滯回曲線的循環，選擇第3次循環時滯回曲線的數據作為實測值，疲勞性能試驗連續加載30圈[15-18]。試驗過程中環境溫度保持在23±2℃，力學性能試驗在大連理工大學結構監控研究所實驗室進行，試驗裝置如圖8所示。

圖8 旋轉放大式黏彈性阻尼器試驗加載圖Fig.8 Test loading diagram of the RMVD

試驗加載方案如表2所示，每完成一個工況試驗后，仔細檢查阻尼器是否破壞，橡膠與鋼板之間的粘結是否有剝離損壞的情況，若完好無損則繼續進行試驗。每個工況加載結束后將試件靜置15 min，疲勞試驗結束后靜置60 min，然后再進行下一個工況的試驗。

表 2試驗加載方案表Table 2 Table of test loading scheme

圖9給出了試驗過程中該阻尼器幾何變形關系圖，H(值為270 mm)是從旋轉軸中心到加載點中心的距離，L是兩個加載點間的初始距離。阻尼器側板和底板之間的初始弧度為β(值為π/2)。當MTS試驗機施加力F時(正負力情況相同)，阻尼器兩個加載點的豎向相對位移為Δ，兩個加載點間的距離將變為L-Δ；側板和底板繞轉軸旋轉弧度為θ，其夾角將變為β-θ。兩個加載點L之間的初始距離為：

旋轉弧度θ 為：

通過試驗數據F、Δ計算得到M、θ，從而得到阻尼器的彎矩-轉角滯回曲線。

需要說明，試驗數據處理時轉角均采用弧度制，但為更直觀的描述試驗現象，在下文闡述各力學性能指標的變化規律時采用角度值，阻尼器試驗過程中加載幅值、旋轉弧度及角度的對應關系如表3所示。

圖9 循環加載試驗旋轉放大式黏彈性阻尼器幾何變形關系圖Fig.9 Geometric deformation diagram of the RMVD for cycly loading test

表3 阻尼器試驗過程中參數對應表Table 3 Corresponding tableof parametersin RMVD test

2.2 力學性能指標選取

根據《建筑消能阻尼器》(JG/T 209-2012)中對黏彈性阻尼器力學性能和疲勞性能的相關規定，選取最大阻尼力P、等效剪切剛度K、等效粘滯阻尼比ξ 和每循環耗能ΔW等指標[19-20]來評價該阻尼器在不同加載工況下的力學性能。各力學性能指標定義如下：

3 試驗結果分析

3.1 試驗現象

試件在所有加載工況下工作性能穩定，試驗過程中鋼板平整無破損，高強螺桿無彎剪破壞，高阻尼橡膠表面平整密實、無任何破壞跡象，橡膠與鋼板粘結良好。

3.2 頻率相關性

控制加載幅值為2.190 mm、4.392 mm、6.605 mm、8.829 mm、11.064 mm 和13.310 mm，加載頻率依次取0.05 Hz、0.1 Hz、0.3 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz 和1.5 Hz 分別進行加載試驗，研究該阻尼器各力學性能隨加載頻率的變化規律。圖10為該阻尼器頻率相關性試驗的滯回曲線，可以發現其不同加載頻率工況下的滯回曲線飽滿穩定，隨加載頻率的提高滯回環面積增加，曲線更加光滑，耗能能力逐漸增強。

圖10 頻率相關性試驗滯回曲線Fig.10 Hysteretic curve of frequency dependency test

圖11給出了該阻尼器的主要力學性能指標隨加載頻率的變化規律曲線，包括最大阻尼力P、等效剪切剛度K、每循環耗能ΔW和等效粘滯阻尼比ξ。由圖11(a)可以看出當阻尼器旋轉角度較小時，最大阻尼力P隨加載頻率的提高變化很小，旋轉角度越大時P增大的越快，當旋轉角度為0.6°時，P的增幅為4.11%，而當旋轉角度為3.6°時，P的增幅達到30.48%。由圖11(b)可以看出等效剪切剛度K隨加載頻率的提高逐漸增大，但當旋轉角度為0.6°時，增加不明顯，當旋轉角度為3.0°和3.6°時，K增幅較接近。由圖11(c)可以看出當阻尼器旋轉角度小于1.2°時，每循環耗能ΔW隨加載頻率的提高幾乎保持不變，當旋轉角度大于1.8°時，ΔW持續增大，該阻尼器的耗能能力不斷増強；控制旋轉角度為3.6°、加載頻率為0.05 Hz 時，ΔW為122.773 kN·m·rad，加載頻率為1.5 Hz 時，ΔW為237.613 kN·m·rad，耗能增幅高達93.54%。由圖11(d)可以看出隨加載頻率的提高等效粘滯阻尼比ξ 急劇增長；當阻尼器旋轉角度為3.6°、加載頻率從0.05 Hz 增加到1.5 Hz時，ξ 提高1.54倍。

綜上說明，當阻尼器旋轉角度越大時，各力學性能的頻率相關性越顯著，加載頻率越高其耗能效果越好。

3.3 變形相關性

控制加載頻率為0.05 Hz、0.1 Hz、0.3 Hz、0.5 Hz、 1.0 Hz 和1.5 Hz， 加載幅值依次取2.190 mm、4.392 mm、6.605 mm、8.829 mm、11.064 mm 和13.310 mm 分別進行加載試驗，研究該阻尼器各力學性能隨加載幅值的變化規律。圖12為該阻尼器變形相關性試驗的滯回曲線，可以發現其不同旋轉角度的滯回曲線飽滿穩定，隨阻尼器旋轉角度的增大滯回環面積越大，耗能效果越好。

圖13給出了該阻尼器各力學性能指標隨其旋轉角度的變化規律曲線。由圖13(a)可以看出最大阻尼力P隨阻尼器旋轉角度的增加逐漸增大，但增長速度逐漸降低，當阻尼器旋轉角度從0.6°增大到3.6°時，不同加載頻率下P增幅均超過1110.64%。由圖13(b)可以看出當阻尼器旋轉角度小于1.8°時，等效剪切剛度K急劇增大；當大于1.8°時，K緩慢減小，表現出一定程度的剛度退化。由圖13(c)可以看出，隨阻尼器旋轉角度的增加每循環耗能ΔW逐漸增大，且增長速度越來越快；旋轉角度增加0.6°時，ΔW的最大增值為20.215 kN·mm·rad。由圖13(d)可以看出，等效粘滯阻尼比ξ 隨旋轉角度的增加呈現出先微弱減小后持續增大的趨勢，旋轉角度為1.2°時，ξ 達到最小值。

圖11 力學性能指標的頻率相關性變化規律曲線Fig.11 Frequency dependency variation law curve of mechanical properties index

上述結果表明，該阻尼器在不同加載頻率下，各力學性能的變形相關性顯著，阻尼器旋轉角度越大其耗能效果越好。

3.4 疲勞性能

為研究該阻尼器的疲勞性能，對試件進行頻率為0.05 Hz、幅值為4.392 mm 的30圈循環加載[21]，圖14為疲勞性能試驗的滯回曲線。由圖14可以發現，經過30圈循環加載后，該阻尼器滯回曲線依舊對稱穩定、變化微弱，仍然保持良好的耗能效果，耗能能力衰減很小。

圖12 變形相關性試驗滯回曲線Fig.12 Hysteretic curve of deformation dependency test

圖15給出了該阻尼器各力學性能指標隨加載圈數的變化規律曲線。由圖15(a)可以看出最大阻尼力P隨加載圈數的增加逐漸降低，但降低速度越來越小，前6圈的衰減量與后24圈的衰減量大致相等。由圖15(b)可以看出，等效剪切剛度K隨加載圈數的增加慢慢退化，由第2圈的98.132 kN·m/rad 下降到第29圈94.102 kN·m/rad，相對衰減率為4.11%。由圖15(c)可以看出，每循環耗能ΔW隨加載圈數的增加持續降低，但下降速度越來越慢，前10圈ΔW的衰減量占總衰減量的59.51%。由圖15(d)可以看出，等效粘滯阻尼比ξ 隨加載圈數的增加存在一定的波動性，但總體呈現逐漸降低的趨勢。

圖13 力學性能指標的變形相關性變化規律曲線Fig.13 Deformation dependency variation law curve of mechanical properties index

表4給出了疲勞性能試驗第2圈～第29 圈的各力學性能指標的衰減率，可以發現衡量黏彈性阻尼器疲勞性能的各力學性能指標均呈下降趨勢，但衰減率低于《建筑消能阻尼器》(JG/T 209-2012)規范中±15%的規定。因此表明：該阻尼器具有良好的疲勞穩定性，疲勞工況加載對其力學性能和耗能效果影響較小。

4 與傳統無放大功能轉角阻尼器對比研究

為研究RMVD的實際耗能放大效果，現將阻尼器中起杠桿式放大效果的高強螺桿取出，其他構件尺寸保持不變，重新加工組裝成傳統無放大功能的黏彈性阻尼器。并按照表2所示的試驗加載方案，對其進行相同加載工況下力學性能試驗。RMVD和傳統無放大功能轉角阻尼器對比圖如圖16所示。

傳統無放大功能轉角阻尼器試驗滯回曲線如圖17所示，可以看出所有工況的滯回曲線穩定、飽滿。通過對比圖12和圖17發現該RMVD的滯回曲線在平衡位置附近存在一定的捏縮現象，這是因為在循環加載試驗過程中，高強螺桿在圓角矩形滑槽內運動，造成其與扇形旋轉剪切板之間存在相對滑移的情況，致使接觸傳力滯后造成的。

圖14 疲勞性能試驗滯回曲線Fig.14 Hysteretic curve of fatigue test

圖15 疲勞性能指標試驗的力學性能變化規律曲線Fig.15 Variation law curve of mechanical properties index in fatigue test

表4 疲勞性能試驗的力學性能指標衰減率Table 4 Decay rate of mechanical properties index in fatiguetest

圖16 新型旋轉放大式阻尼器和傳統無放大功能轉角阻尼器對比圖Fig.16 Comparison diagram of the RMVD and the traditional angle damper without amplification function

圖17 傳統無放大功能轉角阻尼器試驗滯回曲線Fig.17 Hysteretic curve of the traditional angle damper without amplification function

圖18 力學性能指標放大倍數的變化規律曲線Fig.18 Variation law curve of mechanical properties index magnification

為進一步對比RMVD與傳統無放大功能轉角阻尼器耗能效果的差異，圖18給出了各力學性能指標放大倍數(RMVD與傳統無放大功能轉角阻尼器相對應工況下力學性能指標的比值)的變化規律曲線。由圖18可知，加載頻率對阻尼器各力學性能指標的放大倍數影響較小，旋轉角度對其影響較大。由圖18(a)、圖18(b)可以發現，最大阻尼力P、等效剪切剛度K隨加載頻率的提高逐漸降低，但下降不明顯，最大阻尼力P的放大倍數在3.79～8.51，等效剪切剛度K的放大倍數在3.96～8.58；隨著阻尼器旋轉角度的增大，最大阻尼力P和等效剪切剛度K的放大倍數均呈先急劇增大后緩慢減小的趨勢。由圖18(c)可以發現，每循環耗能ΔW的放大倍數均大于1，其隨加載頻率的提高波動性較小；每循環耗能ΔW的放大倍數隨著阻尼器旋轉角度的增大持續增大，但增大速度逐漸降低，當加載角度為3.6°、加載頻率為0.5 Hz時，ΔW的放大倍數達到最大值4.42。

綜上所述：與傳統無放大功能轉角阻尼器相比，該RMVD的耗能放大效果顯著，能在結構發生小變形的情況下充分發揮阻尼器中黏彈性材料的滯回變形耗能能力，達到更理想的耗能效果。

5 結論

本文設計制作了一種新型旋轉放大式黏彈性阻尼器，通過不同工況下的循環加載試驗，研究了其各項力學性能指標隨加載頻率和轉角變形幅值的變化規律以及抗疲勞能力。并與傳統無放大功能轉角阻尼器進行了相同加載工況下的耗能對比，驗證了該阻尼器的耗能放大效果。具體結論如下：

(1)該新型旋轉放大式黏彈性阻尼器的滯回曲線飽滿，滯回性能穩定，表現出良好的耗能能力。

(2)隨加載頻率的提高，滯回曲線越發飽滿，耗能能力持續增強。最大阻尼力、等效剪切剛度、每循環耗能、等效粘滯阻尼比隨加載頻率的提高均逐漸增大，但增長率逐漸減小，每循環耗能最大增幅達93.54%。

(3)隨轉角變形幅值的增加，最大阻尼力、每循環耗能逐漸增大；等效剪切剛度先增大后減小，當阻尼器旋轉角度為1.8°時達到最大值；等效粘滯阻尼比先減小后增大，當旋轉角度為1.2°時達到最小值。

(4)疲勞試驗加載中滯回曲線形狀基本保持不變，各力學性能指標衰減率均小于5.51%，滿足規范的要求[15]。

(5)該旋轉放大式黏彈性阻尼器耗能放大效果顯著。隨阻尼器旋轉角度的增大，最大阻尼力和等效剪切剛度的放大倍數呈先增大后減小的趨勢，最大放大倍數均達到8.5倍；每循環耗能的放大倍數持續增大，放大倍數最大值為4.42。