適用于木結(jié)構(gòu)加固的黏彈性阻尼器擬靜力試驗(yàn)研究*

趙 聰，陶 忠，戴必輝，高永林

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650031； 2.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

0 引言

黏彈性阻尼器是由位移控制的耗能減震器，在外部激勵(lì)作用下，黏彈性阻尼器內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)位移，此時(shí)存在于阻尼器中的黏彈性材料因發(fā)生塑性變形而吸收消耗大量能量，以起耗能減震作用，即該裝置依靠?jī)?nèi)部黏彈性材料的剪切滯回耗能特性，為建筑結(jié)構(gòu)提供自身剛度以外的剛度和附加阻尼，以減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，如為減小風(fēng)振作用，建于1969年的紐約世貿(mào)中心雙塔安裝了多個(gè)黏彈性阻尼器。同時(shí)，研究人員對(duì)改進(jìn)的黏彈性阻尼器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括(扇形)鉛黏彈性阻尼器等。為保證阻尼器的合理使用，制定了相關(guān)規(guī)范。

1 試驗(yàn)概況

課題組初步設(shè)計(jì)了用于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)加固的剪切式橡膠阻尼器，并通過節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了其對(duì)木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的增強(qiáng)效果，已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。本研究對(duì)改進(jìn)的第二代阻尼器——櫛固阻尼器開展擬靜力試驗(yàn)，以得到阻尼器彎矩-轉(zhuǎn)角滯回特性、剛度退化及耗能能力、恢復(fù)力等力學(xué)特性，并對(duì)阻尼器變形、頻率和低周疲勞性能進(jìn)行評(píng)估。采用MTS電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，通過加載架將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為繞軸的剪切運(yùn)動(dòng)。

2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)加載裝置根據(jù)試驗(yàn)要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)制作(見圖1)，櫛固阻尼器中A，B-1，B-2鋼板鉸接連接，節(jié)點(diǎn)處可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以使能耗完全由阻尼器承擔(dān)(見圖2)。B-1，B-2鋼板與基座固定，以達(dá)到剛接效果。測(cè)試時(shí)采用MTS 810型材料試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為100kN，行程為±75mm，最大頻率為75Hz。

圖2 櫛固阻尼器示意

3 材料屬性

阻尼器由Q235鋼和具有較好阻尼性能的丁基橡膠制成，設(shè)計(jì)2種阻尼膠，分別制作1，2號(hào)阻尼器，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

4 加載與測(cè)試

4.1 加載方案

本試驗(yàn)采用位移控制梁端加載，由電液伺服作動(dòng)器施加豎向反復(fù)荷載，規(guī)定作動(dòng)器向下推為正向加載，向上拉為負(fù)向加載。根據(jù)阻尼器構(gòu)造，弧形邊最大允許豎向位移為25mm，根據(jù)阻尼器在加載架上的安裝位置，阻尼器允許最大轉(zhuǎn)角為0.131rad(7.50°)，加載點(diǎn)與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的距離L0=550mm，最終確定最大加載幅值為65mm。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)記錄到的節(jié)點(diǎn)最大轉(zhuǎn)角達(dá)0.064rad(3.68°)，根據(jù)加載架尺寸換算得到的線位移為35mm。試件a測(cè)試變形相關(guān)性，試件b測(cè)試頻率相關(guān)性，試件c測(cè)試低周疲勞相關(guān)性。加載模式如表2所示，加載制度如圖3所示。

表2 加載模式

圖3 加載制度

4.2 測(cè)試內(nèi)容與方案

測(cè)試內(nèi)容包括阻尼器所受彎矩及相應(yīng)的轉(zhuǎn)角、加載過程中阻尼器表面不同位置應(yīng)力及應(yīng)變等。在橫梁及立柱距轉(zhuǎn)動(dòng)鉸400mm處布置拉線式位移計(jì)，通過橫梁及立柱相對(duì)位移換算阻尼器轉(zhuǎn)角，同時(shí)在橫梁尾部距轉(zhuǎn)動(dòng)鉸700mm處布置位移計(jì)，測(cè)定橫梁尾部豎向位移，驗(yàn)證橫梁剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。阻尼器所受彎矩由作動(dòng)器施加的豎向力乘以加載點(diǎn)距轉(zhuǎn)動(dòng)鉸的距離(550mm)得到。

在阻尼器兩側(cè)鋼板上布置電阻應(yīng)變片，以測(cè)試阻尼器發(fā)生剪切變形時(shí)不同位置鋼板與橡膠拉拔應(yīng)力、應(yīng)變變化，在B-1鋼板上以轉(zhuǎn)動(dòng)鉸為圓心布置1～6號(hào)應(yīng)變片，在B-2鋼板上布置7，8號(hào)應(yīng)變片，如圖4所示。此外，在工況Ⅲ中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)阻尼器表面溫度并記錄。

圖4 應(yīng)變片布置

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，可發(fā)現(xiàn)阻尼器中橡膠和鋼板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越來越明顯，2種阻尼器在不同工況下的試驗(yàn)現(xiàn)象差別較小。在變形相關(guān)性測(cè)試中，隨著加載位移的增大，阻尼器中橡膠變形越來越明顯，橡膠發(fā)出撕裂聲，且鋼板與加載架摩擦聲越來越尖銳，最終以阻尼器最外側(cè)固定螺釘被剪斷結(jié)束試驗(yàn)，如圖5a所示。在頻率相關(guān)性測(cè)試中，試驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯，阻尼器未破壞。在低周疲勞相關(guān)性測(cè)試中，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，阻尼器鋼板表面溫度在一定程度上有所提高，試驗(yàn)后期橡膠裂紋越來越多，且表面越來越粗糙，如圖5b所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)象

5.2 變形相關(guān)性

為研究阻尼器在不同加載位移下的力學(xué)性能參數(shù)變化規(guī)律，在環(huán)境溫度為室溫20℃、加載頻率為0.1Hz的條件下，對(duì)阻尼器分別進(jìn)行10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60mm位移下的循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 阻尼器變形相關(guān)性

由圖6a～6d可知，1，2號(hào)阻尼器存儲(chǔ)剪切模量、損耗剪切模量、損失系數(shù)和等效剪切剛度基本隨著加載位移的增大而減小。對(duì)比分析可知，1號(hào)阻尼器在10～20mm位移段等效剪切剛度減小趨勢(shì)大于20～60mm位移段，2號(hào)阻尼器在10～25mm位移段等效剪切剛度減小趨勢(shì)大于25～60mm位移段。1號(hào)阻尼器等效剪切剛度減小約40%，2號(hào)阻尼器等效剪切剛度減小約56%，這是由阻尼器內(nèi)部橡膠材料與鋼板的連接受損導(dǎo)致的。

由圖6e，6f可知，在不同的加載位移下，2種阻尼器滯回曲線均呈典型的梭形形狀，滯回曲線飽滿，表明2種阻尼器塑性耗能能力較好，可起抗震作用。2種阻尼器滯回環(huán)形狀大致相同，表明在加載位移不斷增加的趨勢(shì)下，阻尼器內(nèi)部橡膠材料未發(fā)生破壞，可繼續(xù)發(fā)揮減震耗能作用，這與試驗(yàn)過程中觀察到的阻尼器破壞現(xiàn)象相符，即阻尼器破壞表現(xiàn)為螺釘被剪斷，而非阻尼器內(nèi)部橡膠材料破壞。同時(shí)2號(hào)阻尼器滯回環(huán)面積略大于1號(hào)阻尼器，說明不同加載位移下2號(hào)阻尼器耗能能力略大于1號(hào)阻尼器。

5.3 頻率相關(guān)性

為研究阻尼器在不同加載頻率下的力學(xué)性能參數(shù)變化規(guī)律，在環(huán)境溫度為室溫20℃、加載位移為35mm的條件下，對(duì)阻尼器分別進(jìn)行0.01，0.02，0.03，0.04，0.05Hz頻率下的循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 阻尼器頻率相關(guān)性

由圖7a可知，1號(hào)阻尼器在加載頻率增至0.02Hz時(shí)，存儲(chǔ)剪切模量增幅較大，在0.02～0.05Hz頻率段，存儲(chǔ)剪切模量不斷減小；隨著加載頻率的增加，2號(hào)阻尼器存儲(chǔ)剪切模量呈波動(dòng)變化，當(dāng)頻率為0.02Hz時(shí)達(dá)最大值，當(dāng)頻率為0.03Hz時(shí)達(dá)最小值，頻率>0.03Hz后存儲(chǔ)剪切模量逐漸增大；1號(hào)阻尼器存儲(chǔ)剪切模量大于2號(hào)阻尼器，且1號(hào)阻尼器性能隨頻率的變化更穩(wěn)定。

由圖7b可知，隨著加載頻率的增加，1號(hào)阻尼器損耗剪切模量逐漸減小，共減小37%，而2號(hào)阻尼器損耗剪切模量呈大幅度減小、略微增加、略微減小的趨勢(shì)。

由圖7c，7d可知，1，2號(hào)阻尼器損失系數(shù)、等效剪切剛度均在頻率達(dá)0.02Hz前迅速減小，然后趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)阻尼器等效剪切剛度最終趨于低值的原因可能是隨著加載頻率的增加，橡膠某些變形未恢復(fù)，導(dǎo)致其無法進(jìn)入后面的受力過程。

由于7e可知，2種阻尼器最大阻尼力隨著加載頻率的增大而減小；當(dāng)加載頻率<0.03Hz時(shí)，隨著頻率的增大，2種阻尼器最大阻尼力減小較快；當(dāng)加載頻率達(dá)0.03Hz后，2種阻尼器最大阻尼力變化趨于穩(wěn)定，且處于較低水平；整個(gè)試驗(yàn)過程中，1號(hào)阻尼器最大阻尼力始終大于2號(hào)阻尼器。

由圖7f，7g可知，2號(hào)阻尼器滯回曲線較1號(hào)阻尼器更飽滿，滯回環(huán)面積更大，說明不同加載頻率下2號(hào)阻尼器耗能能力更強(qiáng)，且其對(duì)加載頻率的影響更敏感，即隨著頻率的增加，滯回環(huán)衰減更明顯。

5.4 低周疲勞相關(guān)性

為研究阻尼器低周疲勞相關(guān)性，在環(huán)境溫度為室溫20℃、加載位移為35mm、加載頻率為0.10Hz的條件下，對(duì)阻尼器進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 阻尼器低周疲勞相關(guān)性

由圖8a可知，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，1，2號(hào)阻尼器存儲(chǔ)剪切模量基本呈減小趨勢(shì)，1號(hào)阻尼器在循環(huán)2～8次時(shí)存儲(chǔ)剪切模量減小速率較快，此后至試驗(yàn)結(jié)束存儲(chǔ)剪切模量保持緩慢的速率減小；2號(hào)阻尼器在循環(huán)2～5次時(shí)存儲(chǔ)剪切模量減小速率較快，此后除循環(huán)23～29次減小速率略快外，至試驗(yàn)結(jié)束存儲(chǔ)剪切模量保持緩慢的速率減小。

由圖8b可知，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，1，2號(hào)阻尼器損耗剪切模量基本呈減小趨勢(shì)，1號(hào)阻尼器損耗剪切模量減小幅度達(dá)61%，循環(huán)8～23次時(shí)的減小趨勢(shì)較平緩，循環(huán)2～8，23～29次時(shí)的減小速率較快；2號(hào)阻尼器損耗剪切模量除循環(huán)第23次時(shí)略有增加外，其他階段均減小，且在試驗(yàn)早期和末期階段減小速率較快。

由圖8c，8d可知，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，1，2號(hào)阻尼器損失系數(shù)和等效剪切剛度基本呈減小趨勢(shì)，不同循環(huán)次數(shù)下2號(hào)阻尼器損失系數(shù)均大于1號(hào)阻尼器，等效剪切剛度均小于1號(hào)阻尼器。

由圖8e，8f可知，1號(hào)阻尼器滯回曲線更飽滿，滯回環(huán)面積更大，但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，滯回環(huán)面積減小較快，表明疲勞荷載作用下1號(hào)阻尼器耗能能力更強(qiáng)，但耗能能力受疲勞荷載的持續(xù)作用不斷降低。2號(hào)阻尼器耗能能力雖較1號(hào)阻尼器差，但較穩(wěn)定，受疲勞荷載的影響較小，較適用于抵抗多次循環(huán)荷載的建筑或局部結(jié)構(gòu)中。

6 結(jié)語

1)隨著加載位移的不斷增大，2種阻尼器存儲(chǔ)剪切模量、損耗剪切模量和等效剪切剛度均有所減小，損失系數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)加載位移達(dá)30mm時(shí)，阻尼器等效剪切剛度減小明顯，當(dāng)加載位移達(dá)60mm時(shí)，阻尼器仍可正常工作，說明2種阻尼器均有較強(qiáng)的變形能力。

2)加載頻率對(duì)2種阻尼器的影響并不顯著，阻尼器損耗剪切模量、損失系數(shù)、等效剪切剛度、最大阻尼力均隨著加載頻率的增加總體呈減小趨勢(shì)。

3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2種阻尼器存儲(chǔ)剪切模量、損耗剪切模量、損失系數(shù)和等效剪切剛度均有所減小，存儲(chǔ)剪切模量和等效剪切剛度均在循環(huán)次數(shù)達(dá)15次時(shí)趨于穩(wěn)定。

4)在3種測(cè)試情況下，2種阻尼器滯回曲線形狀變化較小，均可實(shí)現(xiàn)有效耗能，總體而言，2號(hào)阻尼器耗能能力穩(wěn)定且良好，較適用于抵抗多次循環(huán)荷載作用的建筑或局部結(jié)構(gòu)中。