國內消能減震產品檢測標準及方法差異性分析

孫茹茹,王義川,周永峰

(常州市建筑科學研究院集團股份有限公司,江蘇 常州 213363)

0 引言

為提高建筑物的抗震性能,滿足國家對建筑物的抗震設防要求,阻尼器在國內得到了廣泛的應用。作為建筑抗震的第一道防線,阻尼器必須達到設計的耗能性能且在大變形條件下承載力仍能滿足使用條件。阻尼器的主要類型分為速度相關型阻尼器如黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等和位移相關型阻尼器如金屬阻尼器、摩擦阻尼器、屈曲約束支撐等,目前國內涉及阻尼器檢測方法及要求的標準主要有國標《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[1]、行業標準《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012)[2]、《橋梁用黏滯流體阻尼器》(JT /T 926—2014)[3]及地方規范云南省地方標準《建筑消能減震應用技術規程》(DBJ 53/T—125—2021)[4]、上海市地方標準《建筑消能減震及隔震技術標準》(DG/TJ 08-2326—2020)[5]等。阻尼器產品質量的把控必須依靠規范的約束、合理檢測方法和高性能的檢測設備的保證。只有檢測規范標準制定的清晰合理,才能確保檢測結果的準確性,才能更好的服務于行業的高質量發展。

阻尼器檢測方法的確立,是阻尼器性能評價的基礎[6-7]。國外相關方面的研究起步較早,特別是美國、歐盟和日本等在消能減震領域進行了長期的探索,并確立了一系列阻尼器的檢測方法,如美國土木工程師學會主編的 ASCE 系列規范、歐洲標準化委員會編制的EN15129-2009和日本社團法人隔震結構協會出版的《被動減震結構：設計·施工手冊》等都對阻尼器的檢測方法做出了規定[8-10]。

在消能減震產品檢測規范化和標準化方面,國內外研究者進行了諸多研究。TAYLOR等[11]和MAKRIS等[12-13]首次對工程結構中的黏滯阻尼器的性能進行研究,提出了黏滯阻尼器的力學計算模型(Maxwell 模型和Kelvin 模型等)。日本的屈曲約束支撐認證規程BCJ-16中規定了確定屈曲約束支撐穩定性和累計耗能能力的三種試驗分別為遞增循環加載試驗、帶有初始面外位移角的遞增循環加載試驗和常幅循環加載試驗[14]。周穎[15-16]等提出了一種改進的黏彈性阻尼器抗震疲勞性能試驗加載制度,從能量的角度驗證了所提改進加載制度的合理性;同時,基于中國和日本相關規范中屈曲約束支撐試驗加載制度以及在兩種不同加載方式下屈曲約束支撐循環試驗數值模擬的結果,提出用于屈曲約束支撐性能檢驗試驗的新加載制度;李玉順等[17]將骨架曲線進行平移,其卸載曲線用 Ramberg-Osgood 函數來描述極低屈服點恢復力模型,并通過試驗和理論分析驗證了該恢復力模型的精度;陸飛等[18]等提出了阻尼器耗能能力的綜合評價方法—耗散功率譜法,對于不規則波形的加載情況,如模擬地震波和風振時程曲線等也可以得到阻尼器的耗能能力情況,既綜合考慮到了頻率、振幅和速度的影響,又與阻尼器的實際振動情況相符;魯亮等[19-20]對比分析了中國與歐盟標準的異同點,對現有標準的改進給出建議,并對影響試驗精度的因素如液壓系統能力、試驗間隙和臺架剛度進行分析,提出改進措施。研究者多是先通過數值模擬分析再通過試驗驗證的方法來研究阻尼器的力學性能,較少給出檢測參數的明確定義、計算方法和檢測數據分析方法,給阻尼器的標準化應用帶來不便[21-23]。本文通過對國內有代表性的阻尼器檢測標準進行對比分析和試驗驗證,嘗試給出合理的、切實可行的阻尼器檢測加載制度和參數定義,為阻尼器的應用、設計和相關標準的制定提供參考。

1 阻尼器檢測加載制度與參數定義

阻尼器按照耗能能力與其兩端相對位移和相對速度的相關性分為位移相關型阻尼器(金屬阻尼器、摩擦消能器和屈曲約束支撐等)和速度相關型阻尼器(黏滯阻尼器等)。各類阻尼器通常在實驗室中進行擬靜力或擬動力試驗,采用循環加載的方式模擬阻尼器在地震中經歷的荷載和變形過程。針對不同類型的阻尼器,各標準中通過規定目標變形幅值,幅值的增長規律,各幅值的加載圈數,變形速率等來明確試驗加載制度,并對檢測參數加以定義。本文選取位移型阻尼器-金屬阻尼器,速度型阻尼器-黏滯阻尼器為代表,詳細介紹行業標準《建筑消能阻尼器》(JG/T 209)新修訂版征求意見稿、云南省地方標準《建筑消能減震應用技術規程》(DBJ 53/T-125—2021)和上海市地方標準《建筑消能減震及隔震技術標準》(DG/TJ 08-2326—2020)在加載制度和參數定義方面的差異性,并進行對比分析。本文為方便描述將《建筑消能阻尼器》簡寫為“標準A”,云南省地方標準《建筑消能減震應用技術規程》簡寫為“標準B”,上海市地方標準《建筑消能減震及隔震技術標準》簡寫為“標準C”。

1.1 金屬阻尼器

1.1.1 加載制度

金屬阻尼器利用低屈服點、高延性鋼材屈服后的塑性變形和滯回耗能來耗散地震能量,是一種典型的位移相關型阻尼器。各檢測單位依據相關標準通過靜力反復加載試驗、低周疲勞試驗來檢驗金屬阻尼器的滯回特性和疲勞性能。表1中分別列出了標準A、B和C在金屬阻尼器加載制度方面的規定。

由表1可知：僅標準A給出了試驗加載頻率的限值,其他兩本標準未對頻率做出明確的規定,位移相關型阻尼器的抗力一般認為僅與阻尼器兩端的相對位移有關,與激振速度、頻率等無關;標準A中給出明確的頻率限制有助于進一步規范檢測單位的操作;標準B區別于其他標準采用力—位移混合控制,在試件屈服前采用力控制并分級加載,試件屈服后采用位移控制,此種加載制度可從屈服前的彈性階段直接獲得彈性剛度,也便于更加準確找到屈服點;在疲勞性能檢測方面,標準A和標準B均給出了60次循環加載的要求,標準A更詳細的給出了加載間隔的時間要求,而標準C僅要求在基本力學性能檢測完成后再以設計位移繼續加載27周。相較于現行行業標準《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012)疲勞循環加載次數不低于30圈的要求,標準A和標準B均將疲勞循環次數提高到了60圈,本文認為金屬阻尼器進行60圈疲勞試驗的要求較難執行：一方面金屬阻尼器焊縫處較難經受60圈的反復加載;另一方面實際地震也少有如此多圈的大幅值變形,這樣規定可能將能在實際工程中正常發揮作用的阻尼器判定為不合格產品,導致不必要的浪費。

表1 金屬阻尼器加載制度Table 1 Metal damper loading protocols

1.1.2 試驗參數

金屬阻尼器的常規力學性能參數主要有屈服承載力、最大承載力、屈服位移、彈性剛度和第2剛度,《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2012)中并沒有明確規定力學性能參數的定義和計算方法,而在標準A、B和C中做了不同程度的明確和細化,值得一提的是標準A和標準C中確定屈服點的方法均為在滯回曲線的卸載段用作圖法做一割線或擬合曲線,把該線平移至原點,該線與最先表現出屈服的滯回環的相交點,即為初始屈服點。由于阻尼器檢測時加載位移的控制精度受制于試件安裝連接間隙、試驗臺架剛度和阻尼器力值大小等,傳統的確定初始屈服點的方法精度不好把控,而利用卸載段來確定彈性剛度進而確定屈服點的方法能有效提高初始屈服點的確認精度。

標準C中新增的檢測參數有計算屈服點(計算屈服位移和計算屈服力)和設計延性系數等。計算屈服點為設計位移下試驗滯回曲線與通過原點的初始剛度斜線的相交點位移坐標,該點也叫金屬阻尼器的完全屈服點。該標準認為初始屈服點描述的是局部屈服狀態,存在較多不確定性,后續循環加載過程還會出現強度硬化,屈服面繼續增加直至完全屈服,對于用于耗散地震能量的阻尼器,計算屈服點(完全屈服點)的確認對掌控金屬阻尼器的力學特征至關重要。另外,金屬阻尼器達到彈塑性滯回曲線飽滿的要求并不困難,但其耐疲勞的延性特征往往不令人滿意,該標準增加設計延性系數(設計位移與計算屈服位移之比)并通過設計延性系數的大小將金屬阻尼器分為A、B、C、D和E級,來進一步判斷金屬阻尼器的疲勞性能和適用狀態,見表2。

表2 金屬阻尼器性能等級劃分Table2 Classificationofmetaldamperperformance性能等級設計延性系數使用狀態A15≤μd小、中和大震下均可耗能B12≤μd<15小震少量耗能,中和大震下可耗能C9≤μd<12小震可屈服,中和大震下可耗能D6≤μd<9中震可屈服,大震下可耗能,消能構件E3≤μd<6消能構件圖1 金屬阻尼器試驗過程Fig.1 Testprocessofmetaldamper

標準A和標準C中對檢測參數的定義有兩處明顯的不同。一處為彈性剛度,標準A中彈性剛度是加載幅值為0.6u0工況兩個卸載段線性擬合系數的平均值,標準C中則是加載幅值為1.0u0工況兩個卸載段的斜率的較小值;另一處為第二剛度,標準A中第二剛度為初始屈服點和最大承載力點連線的斜率,標準C中為則為計算屈服點和最大承載力點連線的斜率。本文選取某廠家生產的金屬阻尼器進行試驗,試驗過程如圖1所示,該阻尼器檢測參數的設計值見表3,試驗后所得滯回曲線圖如圖2所示。分別按照標準A和標準C對所得數據進行處理,將所得檢測參數結果列于表3中。由表3可知：按照標準A和標準C處理數據得到的彈性剛度和第二剛度存在明顯的不同,彈性剛度的不同又導致了屈服位移和屈服承載力也存在偏差,具體表現為：標準C所得的彈性剛度的實測值要小于標準A;標準A所得的第二剛度的實測值要遠大于標準C。金屬阻尼器主要給結構提供剛度和附加阻尼,標準C所得彈性剛度偏小,設計過程中以此作為依據能給結構提供更大的安全余量;另外,金屬阻尼器可采用雙線性模型進行模擬,圖3分別以標準A和標準C定義的參數畫出了對應的雙線性滯回曲線模型,由圖3可知：按照標準C得到的金屬阻尼器滯回曲線面積要大于標準A,圖中陰影部分即為多出的滯回曲線面積區域,由于阻尼器滯回面積的大小代表耗能大小,直接影響阻尼器附加到結構上的阻尼比,所以標準C較標準A高估了阻尼器附加到結構上的阻尼比。綜上分析建議采用加載幅值為1.0u0工況兩個卸載段的斜率的較小值作為彈性剛度,初始屈服點和最大承載力點連線的斜率作為第二剛度。

表3 金屬阻尼器力學參數定義Table 3 Mechanical property parameter definition of Metal damper

圖2 金屬阻尼器滯回曲線圖 圖3 雙線性模型Fig. 2 Hysteresis curve of metal damper Fig. 3 Bilinear model

1.2 黏滯阻尼器

1.2.1 加載制度

黏滯阻尼器的加載制度見表4。在測試極限位移參數時標準A給出了明確的加載速度要求,而其他標準僅要求勻速緩慢,未能給出可量化的試驗指標;在進行阻尼指數和阻尼系數參數測定時,標準A和標準C起始工況的幅值由0.1u0增加到0.2u0,這避免了0.1u0工況時由于安裝間隙和摩擦力的影響導致的阻尼力偏差過大的問題,更能反應阻尼器的真實性能。三本標準在地震疲勞測試時對循環次數的要求差異較大,其中標準C僅要求在設計速度下循環加載10次,該標準認為設計速度基本上是罕遇地震下阻尼器發揮作用的最大速度,在這種速度下連續加載30圈,阻尼器的溫度有很大的上升,黏滯介質的物理化學性能可能已經發生了較大變化,密封圈也會出現較大磨損,不宜繼續應用到建筑中,同時考慮到黏滯阻尼器在機械加工制造中生產質量易于控制,在設計速度下進行10圈疲勞試驗基本能反映阻尼器的質量情況;標準A和標準B按設計位移幅值的大小分區段規定了疲勞試驗的循環次數,且相同設計位移幅值下,標準A所要求的循環加載次數更高。疲勞試驗屬于型檢參數,但在實際工程抽檢中常要求檢測阻尼器的疲勞性能,過高的疲勞循環加載次數會導致部分可正常使用的產品被判定為不合格產品,因此本文認為循環加載10圈已能夠判斷黏滯阻尼器的疲勞性能是否達標。黏滯阻尼器的密封性能是影響其性能的關鍵,一旦出現漏油或密封問題,會對結構的安全性造成較大的影響,在密封性能測試過程中,標準A要求對黏滯阻尼器內部的阻尼孔和間隙進行密封處理后采用力控制加載,這種密封性能檢驗方法需要對試驗件進行特別的密封處理,未做到完全密封將直接影響試驗效果,試驗難度較大且不易控制,因此不建議采用;標準B要求在位移控制下進行10 000次的循環試驗;標準C采用給阻尼器腔體加壓的方法,需使用專用加壓設備向阻尼器腔體中充入阻尼介質,該種方法執行簡單,操作時間短,目標壓力和保壓時間可控,因此建議采用該方法進行黏滯阻尼器的密封性能檢驗。

表4 黏滯阻尼器加載制度Table 4 Viscous damper loading protocols

1.2.2 試驗參數與性能要求

黏滯流體阻尼器是一種典型的速度相關性阻尼器,其理論阻尼力和運動速度的關系如公式(1)所示[3-5],式中：C為阻尼系數,α為阻尼指數。阻尼指數和阻尼系數兩個檢測參數的加載工況為0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.0和1.2u0,共進行6個工況的加載。阻尼指數和阻尼系數的計算方法具體表述如下：以每個加載工況第3個試驗循環中對應的最大力值為縱坐標,以對應循環的最大加載速度(實測加載幅值與2πf1的乘積,如公式(2)所示)為縱坐標,繪制表示黏滯阻尼器最大阻尼力與加載速度相關性的散點圖(共含6個點),并對曲線按指數函數進行回歸擬合,所得回歸擬合公式中的系數即為阻尼系數,指數即為阻尼指數。

F=sign(υ) ×C× |υ|α

(1)

υ=2πf1u0

(2)

式中：F為阻尼力,υ為加載速度,C為阻尼系數,α為阻尼指數,f1為結構基頻,u0為設計位移。

目前標準A和標準B采用阻尼指數和阻尼系數兩個參數來反映黏滯阻尼器的阻尼力規律性,要求阻尼系數和阻尼指數的實測值與設計值偏差在±15%以內;而標準C在對黏滯阻尼器阻尼力規律性試驗方法進行闡述時并未提及阻尼系數和阻尼器指數,僅要求每個工況下第三個循環對應最大阻尼力和滯回曲線面積實測值與設計值的偏差不超過± 15%。黏滯阻尼器的主要參數有最大阻尼力和滯回曲線面積,最大阻尼力影響非消能元件材料強度的選擇,滯回曲線面積直接影響黏滯阻尼器給主體結構提供附加阻尼比的大小,在設計位移和結構基頻確定的情況下,阻尼指數和阻尼系數也可間接反映最大阻尼力和滯回曲線面積的大小。相比而言,標準C直接對最大阻尼力和滯回曲線面積與設計值的偏差加以限制,更加明確和直觀,本文建議采用該種方法來檢測黏滯阻尼器的阻尼力規律性。

黏滯阻尼器疲勞性能要求見表5,由表5可知：標準A對疲勞性能的判定要求進行了簡化,僅需判定最大阻尼力的變化率;標準C除最大阻尼力外仍需判定阻尼系數和阻尼指數的偏差;標準B對最大阻尼力、滯回曲線和滯回曲線面積合格的判定涉及到60圈中的任一循環。雖然標準B中規定的最詳細,但在數據處理時,計算量大,數據結果多,執行起來較為困難。相比而言,標準C通過對阻尼系數和阻尼指數的要求,兼顧了對疲勞后滯回曲線面積的判定,更加全面。

表5 黏滯阻尼器的疲勞性能要求Table 5 Fatigue performance requirements of viscous dampers

2 結論與建議

1) 對于金屬阻尼器,建議采用加載幅值為1.0u0工況兩個卸載段的斜率的較小值作為彈性剛度,初始屈服點和最大承載力點連線的斜率作為第二剛度。增加設計延性系數來評價金屬阻尼器的延性特征,并進行30圈的疲勞循環加載。

2) 對于黏滯阻尼器,建議將阻尼力規律性檢測時的起始工況幅值由0.1u0增加到0.2u0;建議疲勞循環次數為10圈;采用向阻尼器腔體充入阻尼介質加壓的方法來檢測黏滯阻尼器的密封性能;直接使用不同工況下最大阻尼力和滯回曲線面積與設計值的偏差來對阻尼器規律性進行合格判定。

3) 增強行業標準的引領作用,地方標準一般會在行業標準規定的基礎上結合地方情況給出更嚴格的規定,目前地方標準與行業標準存在分歧。未來應著重研究更能反映阻尼器真實性能、切實可行和一致高效的檢測方法,推進各類性能良好消能器的標準化和產業化建設,確保產品質量,發揮行業標準的引領作用。