黏彈性阻尼器抗震疲勞試驗加載制度試驗研究

周 穎 劉曉芳 汪 盟

（同濟大學土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092）

0 引 言

黏彈性阻尼器作為一種被動控制裝置，已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的消能減振。它主要通過黏彈性材料剪切變形時，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變之間的相位差來耗散能量，增加結(jié)構(gòu)的附加阻尼，減小結(jié)構(gòu)在風振作用或地震作用下的動力響應(yīng)。

黏彈性阻尼器在國外應(yīng)用得比較早［1］。20世紀70 年代，黏彈性阻尼器首次應(yīng)用于紐約世貿(mào)中心雙塔結(jié)構(gòu)中，每個塔結(jié)構(gòu)上安裝了10 000 余個黏彈性阻尼器以減小結(jié)構(gòu)的風振反應(yīng)，經(jīng)過多次臺風檢驗，減震效果良好。20世紀80年代西雅圖的哥倫比亞海員大樓和聯(lián)合廣場二期大樓也安裝了黏彈性阻尼器來減小結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)。20 世紀90 年代，黏彈性阻尼器開始用于建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固。2008 年汶川地震后，黏彈性阻尼器在我國的應(yīng)用也逐漸增多。南京報恩寺新塔中安裝了112 個黏彈性阻尼器，以提高其抗震性能。目前國內(nèi)外已有眾多研究學者對黏彈性阻尼器的基本力學性能以及耗能減震性能進行了研究，結(jié)果表明黏彈性阻尼器可以有效增加結(jié)構(gòu)的阻尼，提高結(jié)構(gòu)的耗能減震能力［2-3］。

為了規(guī)范黏彈性阻尼器在消能減震工程中的應(yīng)用，我國制定了黏彈性阻尼器相關(guān)的規(guī)程規(guī)范［4-6］。目前主要有三部——《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）、《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）以及《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012），對黏彈性阻尼器的技術(shù)性能以及設(shè)計要點等做出了相關(guān)規(guī)定。

1 改進的抗震疲勞試驗加載制度的提出

為了保證地震下的抗震疲勞性能，我國現(xiàn)有規(guī)范對黏彈性阻尼器疲勞性能的規(guī)定如下：在設(shè)計位移和設(shè)計頻率下加載30 圈后，各項力學性能的衰減量不超過15%。目前研究表明，許多性能優(yōu)良的黏彈性阻尼器的抗震疲勞性能，均難以滿足現(xiàn)有規(guī)范限值的要求。趙剛等試驗中某黏彈性阻尼器的儲能剪切模量和耗能剪切模量分別下降了26%和24%［7］；周云等試驗中某黏彈性阻尼器的最大阻尼力衰減量為38%，儲能剪切模量衰減量為35%，耗能剪切模量衰減量為47%［8］；周穎等試驗中某黏彈性阻尼器的表觀剪切模量降低了31%，耗能剪切模量降低了40%［9］。以上抗震疲勞試驗中，黏彈性阻尼器的部分力學性能指標的衰減量均與現(xiàn)行規(guī)范限值15%存在一定差距。

由于黏彈性材料的力學特性，擱置一段時間后，其力學性能會得到較好的恢復(fù)。基于此，筆者提出了一種改進的抗震疲勞試驗加載制度，即先以100%應(yīng)變幅值預(yù)加載5 圈以剔除初始剛度的影響，再按照“5 圈100%應(yīng)變幅值→20 圈50%應(yīng)變幅值→5圈100%應(yīng)變幅值”的加載制度進行30圈加載，其合理性已從能量角度進行了驗證，結(jié)果表明雖然改進的加載制度降低了部分應(yīng)變幅值，但是該疲勞制度下黏彈性阻尼器的疲勞耗能大于絕大部分天然地震動下的耗能［10］。本文基于現(xiàn)行的和改進的抗震疲勞試驗加載制度，對兩個相同黏彈性阻尼器進行試驗研究，檢驗改進的抗震疲勞試驗加載制度的合理性。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

本次實驗采用了兩個相同的黏彈性阻尼器試件，Z1、Z2，均由日本住友理工株式會社提供。每個阻尼器由3 塊鋼板與2 層黏彈性材料層疊加而成，黏彈性材料層尺寸為70 mm×40 mm×5 mm，試件具體尺寸及照片如圖1所示。

圖1 黏彈性阻尼器試件Fig.1 Viscoelastic damper specimen

2.2 試驗加載

試驗加載裝置采用MTS 拉壓試驗機（圖2），其最大出力為250 kN，空載時最大加載位移約為800 mm。試驗加載采用位移控制方式，位移為正弦波輸入。加載時的力和位移數(shù)據(jù)均由該裝置采集，試驗室的環(huán)境溫度以及黏彈性材料層的溫度分別由電子測溫計和測溫儀測得并記錄。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Loading setup of the test

為研究黏彈性阻尼器在現(xiàn)行疲勞試驗加載制度下的性能，在100%應(yīng)變幅值和0.1 Hz加載頻率下，對試件Z1 連續(xù)正弦加載30 圈次。為研究黏彈性阻尼器在改進抗震疲勞試驗加載制度下的疲勞性能，在0.1 Hz 的加載頻率下，對試件Z2 加載：100%應(yīng)變幅值下預(yù)加載5 圈→100%應(yīng)變幅值加載5 圈→50%應(yīng)變幅值加載20 圈→100%應(yīng)變幅值加載5 圈。兩試件的具體加載制度如表1所示。

表1 黏彈性阻尼器試驗加載制度Table 1 Test scheme of viscoelastic dampers

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗現(xiàn)象

試驗加載前后，試件Z1、Z2 無明顯變化。黏彈性材料與鋼板黏結(jié)完好，黏彈性材料無明顯撕裂破壞，也無明顯殘余變形。試驗加載過程中，試驗室溫度保持在（21±2）℃。加載過程中兩試件均未出現(xiàn)明顯升溫現(xiàn)象。

3.2 試驗分析

3.2.1 基本力學性能

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于黏彈性阻尼器基本力學性能的規(guī)定：控制黏彈性阻尼器位移μ=μ0sin（ωt），在工作頻率f1下，做5 次具有穩(wěn)定滯回曲線的循環(huán)；取第3 次循環(huán)的滯回曲線，其最大阻尼力值作為最大阻尼力的實測值，并計算其基本力學性能參數(shù)。本次試驗中，該黏彈性阻尼器的位移幅值μ0為5 mm，基本工作頻率f1為0.1 Hz。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制該黏彈性阻尼器的典型滯回曲線如圖3 所示。該黏彈性阻尼器的滯回曲線比較飽滿，呈現(xiàn)混合非線性特征。兩試件各基本力學性能參數(shù)值如表2 所示。其中，損耗因子均值為0.66，等效阻尼比均值為0.36，表明該黏彈性阻尼器的耗能能力優(yōu)越。

表2 基本力學性能Table 2 Basic mechanical properties

圖3 典型滯回曲線Fig.3 Basic mechanical properties

3.2.2 現(xiàn)行加載制度下的疲勞性能

基于現(xiàn)行抗震疲勞試驗加載制度，取試件Z1連續(xù)加載30圈的試驗數(shù)據(jù)進行分析。

試件Z1 各加載圈次的滯回曲線以及各力學性能如圖4 所示。由圖4（a）可知，疲勞加載過程中，該黏彈性阻尼器的滯回曲線比較飽滿，初始剛度略大。前2 圈加載后，滯回曲線形狀以及各項力學性能基本穩(wěn)定下來。如圖4（b）-（f）所示，隨著加載圈次的增加，最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、儲能剪切模量、耗能剪切模量均呈明顯下降趨勢。損耗因子和等效阻尼比的下降趨勢不明顯，前3 圈加載后，基本處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，略有波動。對第3圈與第30圈的基本力學性能進行比較，結(jié)果見表3。其中最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、耗能剪切模量的衰減量分別為16.8%、16.7%、16.7%、15.7%，超過了規(guī)范15%的限值要求。

表3 兩種疲勞試驗加載制度下的力學性能參數(shù)比較Table 3 Mechanical property comparison under two fatigue loading protocols

圖4 現(xiàn)行疲勞試驗加載制度下的力學性能Fig.4 Mechanical properties under the current fatigue loading protocol

3.2.3 改進加載制度下的疲勞性能

基于改進加載制度，取試件Z2 正式加載30圈的試驗數(shù)據(jù)進行研究分析。由于該試驗前已進行頻率相關(guān)性試驗，結(jié)果表明加載頻率對該黏彈性阻尼器性能影響比較小，因此可以忽略由于加載幅值變化引起的加載速率對試驗結(jié)果的影響。如圖5（a）所示，改進的加載制度下所有加載圈次的滯回曲線均比較飽滿。前后兩段應(yīng)變幅值為100%的加載，得到的最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量和儲能剪切模量，均隨加載周次的增加而略減小，且后一段的初始圈次（總第26 圈）值，要大于前一段末尾圈次（總第5 圈）的值；損耗因子則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，兩段應(yīng)變幅值100%加載中，均呈現(xiàn)增大的趨勢，且后一段初始圈次（總第26 圈）值，要小于前一段末尾圈次（總第5 圈）的值；耗能剪切模量和等效阻尼比在前后兩段加載中并未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。在應(yīng)變幅值為50%的20 圈中，隨加載周次的增加，最大阻尼力、等效剛度和表觀剪切模量比較穩(wěn)定，儲能剪切模量呈增大趨勢，耗能剪切模量小幅波動，損耗因子和等效阻尼比整體呈下降趨勢。比較正式加載的第3 圈和第30 圈，最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、儲能剪切模量、耗能剪切模量和等效阻尼比的衰減量分別為5.0%、5.2%、5.2%、7.0%、2.6%和1.8%，損耗因子增加了4.8%。改進的加載制度下，各力學性能指標的衰減量均不大于8%（大幅小于15%）。

圖5 改進疲勞試驗加載制度下的力學性能Fig.5 Mechanical properties under the improved fatigue loading protocol

4 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)行黏彈性阻尼器抗震疲勞試驗加載制度和提出的改進抗震疲勞試驗加載制度，對兩個相同的黏彈性阻尼器試件進行了抗震疲勞試驗研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）該黏彈性阻尼器在100%應(yīng)變幅值、0.1 Hz 加載頻率下，等效阻尼比達0.36，具有良好的滯回耗能性能。

（2）在現(xiàn)行抗震疲勞試驗加載制度下，疲勞加載后該黏彈性阻尼器的最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、耗能剪切模量的衰減量分別為16.8%、16.7%、16.7%、15.7%，超過了現(xiàn)行規(guī)范15%的限值要求。

（3）在改進抗震疲勞試驗加載制度下，疲勞試驗加載后該黏彈性阻尼器的各力學性能參數(shù)的衰減量均不大于8%。

（4）與現(xiàn)行的抗震疲勞試驗加載制度相比，采用改進的抗震疲勞試驗加載制度后，黏彈性阻尼器大部分力學性能參數(shù)的計算衰減量減小。采用改進的疲勞試驗加載制度，能夠更好地體現(xiàn)黏彈性阻尼器良好的抗震疲勞試驗性能，有利于更多性能優(yōu)良的黏彈性阻尼器的推廣應(yīng)用。