高效耗能阻尼器性能試驗及理論研究

郭彥 楊巧榮 何文福

摘要： 研發(fā)一種高效耗能新型阻尼器，對其進(jìn)行不同位移幅值和加載頻率下的力學(xué)性能試驗，研究阻尼器的滯回耗能性能和位移頻率相關(guān)性。根據(jù)該新型阻尼器構(gòu)造特點及工作原理，建立力學(xué)分析模型，并對附加該阻尼器的建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：相對于普通黏滯阻尼器，新型阻尼器阻尼力有顯著提升，滯回曲線更加飽滿，表現(xiàn)出更強的耗能性能;力學(xué)性能的位移頻率相關(guān)性明顯，阻尼力隨加載位移頻率的增大而增大;速度-力、位移-力試驗曲線均與理論曲線吻合較好，力學(xué)分析模型合理;可減小結(jié)構(gòu)自身黏滯阻尼耗能和滯回耗能，降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 黏滯阻尼器; 性能試驗; 滯回曲線; 恢復(fù)力模型; 地震響應(yīng)

中圖分類號： TH703.62; TU398+.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號： 1004-4523（2019）05-0757-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.05.003

引 言

黏滯阻尼器自20世紀(jì)80年代引入土木工程領(lǐng)域以來，取得了快速發(fā)展。因具有滯回曲線飽滿，耗能能力強、性能穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)勢，目前已成為降低風(fēng)、地震等荷載作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的有效對策，在國內(nèi)外新建工程設(shè)計和既有工程加固改造中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。美國學(xué)者Taylor，Constantinou，Reinhorn及Makris等[4-7]對應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)中的黏滯阻尼器進(jìn)行試驗研究，提出了黏滯阻尼器力學(xué)分析模型，并對附加黏滯阻尼器的建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了分析。日本學(xué)者M(jìn)iyazaki和Arima等[8]首次提出墻式黏滯阻尼器，通過對附加該阻尼器的5層縮尺模型進(jìn)行振動臺試驗，驗證了墻式黏滯阻尼器的減震性能。中國學(xué)者歐進(jìn)萍等[9-10]分別對雙出桿油缸間隙式和孔隙式黏滯阻尼器進(jìn)行了性能試驗和理論研究，探討了不同類型黏滯流體的特性，并在冪律流體本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了黏滯阻尼器的力學(xué)計算模型。賈洪等[11]發(fā)明了一種高耗能間隙式黏膠阻尼器，提出了阻尼器滯回模型、串聯(lián)動態(tài)剛度計算公式和耗能性能評價指標(biāo)。黃鎮(zhèn)等[12]研制了一種實現(xiàn)阻尼器性能可控化的帶壓力調(diào)節(jié)閥的黏滯阻尼器，根據(jù)該阻尼器的構(gòu)造特點和工作原理，建立阻尼器在調(diào)節(jié)閥開啟前后的簡化力學(xué)模型，并對其進(jìn)行力學(xué)性能試驗及仿真分析。

雖然黏滯阻尼器在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛[13-14]，但張恒晟等[15]通過試驗發(fā)現(xiàn)阻尼器在較小輸入位移下其阻尼力小于理論值，不足以充分發(fā)揮耗能作用。為解決這一問題，Constantinou等[16]提出了肘節(jié)型黏滯阻尼系統(tǒng)，利用肘節(jié)支撐機(jī)構(gòu)使黏滯阻尼器產(chǎn)生較大的輸入位移。Berton和Bolander[17]采用齒條齒輪加速器來放大結(jié)構(gòu)振動傳遞給阻尼器的位移。Smith等[18]提出消能伸臂的概念，利用核心筒的彎曲變形和外框架的剪切變形之間較大的豎向變形差，放大黏滯阻尼器的輸入位移。上述方法均通過增大阻尼器輸入位移來放大阻尼器活動鋼板的相對速度，從而實現(xiàn)提高阻尼器阻尼力的目的。在此基礎(chǔ)上，本文針對黏滯阻尼器存在的問題，提出了一種高效耗能新型阻尼器，對其進(jìn)行力學(xué)性能試驗及相關(guān)理論研究，并與普通黏滯阻尼器對比分析。

1 高效耗能新型阻尼器簡介

高效耗能新型阻尼器是一種在墻型普通黏滯阻尼器基礎(chǔ)上附加位移放大機(jī)構(gòu)的位移放大型黏滯阻尼器。位移放大機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)上部樓層和阻尼器活動鋼板連接，通過把結(jié)構(gòu)層間位移，特別是微小的結(jié)構(gòu)層間位移放大后再傳遞給阻尼器的活動鋼板，從而放大阻尼器活動鋼板的相對速度，提高阻尼器的阻尼力，增加其耗能能力[19-20]。高效耗能新型阻尼器工作原理示意圖如圖1所示。

圖2為高效耗能新型阻尼器簡化力學(xué)模型。其中m，k，c分別表示原結(jié)構(gòu)樓層的質(zhì)量、剛度和阻尼;kd為普通黏滯阻尼器內(nèi)部剛度，一般可忽略不計;cα為普通黏滯阻尼器的阻尼系數(shù);L，ηL分別為位移放大機(jī)構(gòu)上、下部分的長度，η為位移放大機(jī)構(gòu)的放大倍率。當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移u時，經(jīng)η倍位移放大機(jī)構(gòu)放大后傳遞給活動鋼板的位移為ηu。

?高效耗能新型阻尼器性能試驗〖2〗2.1 加載裝置 ?本性能試驗采用北京富力通達(dá)科技有限公司FTS伺服作動器進(jìn)行加載。根據(jù)作動器和加載試件的特點設(shè)計了阻尼器的加載框架，包括加載梁、立柱和底梁。試驗裝置除有電液伺服作動器外，還包括動態(tài)位移傳感器、力傳感器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時為保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，試驗過程中增加了外采位移傳感器采集位移數(shù)據(jù)。阻尼器性能試驗加載圖如圖3所示。

2.2 試件設(shè)計

位移放大機(jī)構(gòu)是高效耗能新型阻尼器的關(guān)鍵組成部分，因此該新型阻尼器的設(shè)計主要是位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計。圖4為位移放大機(jī)構(gòu)運動軌跡圖。隨著高效耗能新型阻尼器上連接板水平運動，支點軸發(fā)生豎向運動，為保證位移放大機(jī)構(gòu)正常轉(zhuǎn)動，要求支點軸不能觸碰上連接板邊緣，即需滿足以下條件L>u2+d1+d22

（1）式中 L為孔1、孔2圓心距;d1為孔1圓心到上連接板邊緣的距離;d2為孔2半徑。同時，該機(jī)構(gòu)受力分析需考慮以下兩個方面：機(jī)構(gòu)及連接構(gòu)件受壓，連接螺栓受剪。經(jīng)設(shè)計，加工了普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器兩組試件，均由Q345鋼板焊接而成，連接螺栓采用12.9級高強螺栓。兩組試件主要尺寸基本相同，活動鋼板有效剪切面積為160 mm×200 mm，厚度為12 mm。黏滯阻尼材料阻尼系數(shù)為20 kN/（m0.45·s-0.45），阻尼指數(shù)為0.45。高效耗能新型阻尼器位移放大機(jī)構(gòu)放大倍率為3，厚度為24 mm。試件尺寸設(shè)計詳圖見圖5。

2.3 試驗工況

在環(huán)境溫度為20 ℃的情況下，對兩種阻尼器進(jìn)行低周循環(huán)加載試驗。試驗按照正弦波規(guī)律變化的輸入位移u（t）=Asinωt來控制試驗系統(tǒng)加載，通過控制不同的加載頻率和位移幅值，分別測得相應(yīng)的阻尼力-位移關(guān)系曲線，進(jìn)而研究高效耗能新型阻尼器的滯回性能以及阻尼器隨加載頻率、位移幅值變化的力學(xué)特性。阻尼器性能試驗加載方案如表1所示。

3 高效耗能新型阻尼器性能試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象 ?在試驗加載過程中，加載梁滑動平穩(wěn)，沒有明顯的轉(zhuǎn)動，加載框架沒有明顯的變形及位移。高效耗能新型阻尼器由于附加了位移放大機(jī)構(gòu)，某些工況下經(jīng)過位移放大后的阻尼器活動鋼板相對位移較大，偶爾可以聽到氣泡爆裂的聲音，并且有少量硅油被擠出鋼箱。

3.2 滯回耗能性能

圖6為普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器滯回曲線對比，其中DAD為高效耗能新型阻尼器，VD為普通黏滯阻尼器。從圖6可以看出，兩種阻尼器的滯回曲線均非常飽滿，具有較好的耗能能力。

但將兩種阻尼器的滯回曲線進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)在相同加載位移情況下，高效耗能新型阻尼器的阻尼力相對于普通黏滯阻尼器有明顯提高，滯回曲線更加飽滿，耗能能力顯著增強。

3.3 位移相關(guān)性

圖7為普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器在不同加載位移下滯回曲線對比。由圖7可以得出，在加載頻率相同時，阻尼器出力隨位移幅值的增大而增大，滯回曲線亦更加飽滿。高效耗能新型阻尼器在加載位移幅值較小工況下，滯回曲線傾斜現(xiàn)象明顯，其原因在于黏滯介質(zhì)的可壓縮性，使得阻尼器表現(xiàn)一定的彈性，形成動態(tài)剛度。在加載位移幅值較大工況下，高效耗能新型阻尼器滯回曲線呈小幅度“內(nèi)縮”現(xiàn)象。這是因為阻尼器活動鋼板相對位移較大，硅油有一定擾動，內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，對阻尼力造成影響。在加載頻率0.5 Hz條件下，加載位移幅值±5，±7.5，±10，±12.5，±15 mm對應(yīng)的普通黏滯阻尼器阻尼力依次為2.84，3.44，3.98，4.45，5.21 kN;高效耗能新型阻尼器阻尼力依次為13.61，15.88，18.12，18.36，20.93 kN。

3.4 頻率相關(guān)性

圖8為普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器在不同加載頻率下滯回曲線對比。從圖8可以看出，在位移幅值相同時，而增大，滯回曲線也更加飽滿。在位移幅值±10 mm條件下，加載頻率0.1，0.3，0.5，0.7，1.0 Hz對應(yīng)的普通黏滯阻尼器阻尼力依次為2.31，3.08，3.98，5.31，6.01 kN;高效耗能新型阻尼器阻尼力依次為9.95，14.16，18.12，23.44，24.97 kN。

4 高效耗能新型阻尼器理論研究及效果分析

由于結(jié)構(gòu)的動能Ev和彈性應(yīng)變能Ek隨時間在零線附近上下擺動、相互轉(zhuǎn)換，輸入結(jié)構(gòu)的總能量則通過阻尼耗能Ec，Ed和滯回耗能Eh的作用耗散掉。因為結(jié)構(gòu)塑性變形的不可恢復(fù)性，所以通常將結(jié)構(gòu)的滯回耗能視為結(jié)構(gòu)的破壞能量。從能量平衡方程式（14）可以看出，若地震輸入結(jié)構(gòu)的能量一定，相對于普通黏滯阻尼器而言，高效耗能新型阻尼器可大幅度提高阻尼器消耗能量，因此可有效減小結(jié)構(gòu)自身黏滯阻尼耗能和滯回耗能，從而降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)破壞。

4.2 效果分析

圖10為普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器速度-阻尼力關(guān)系曲線對比，表2為普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器阻尼力對比。由圖10可知，普通黏滯阻尼器阻尼力試驗值與理論值吻合非常好，平均誤差僅有1%，說明普通黏滯阻尼器恢復(fù)力模型可以用Maxwell模型表示。由于位移放大機(jī)構(gòu)會進(jìn)一步放大連接件存在間隙、硅油擾動等因素對阻尼力的影響，且阻尼器在運動過程中存在少量硅油被擠出鋼箱的現(xiàn)象，高效耗能新型阻尼器阻尼力試驗值略低于理論值，平均誤差為11%，但新型阻尼器速度-阻尼力試驗值關(guān)系曲線趨勢與理論曲線基本一致，其力學(xué)分析模型合理。由表2可知，高效耗能新型阻尼器阻尼力放大系數(shù)試驗最大值為4.79，最小值為4.02，平均值為4.40，與理論值平均誤差為11%，說明高效耗能新型阻尼器較普通黏滯阻尼器而言可以顯著提高阻尼器出力，其阻尼力放大系數(shù)可以用式（10）計算。

圖11是0.5 Hz，15 mm和0.7 Hz，10 mm工況下普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器力-位移試驗曲線與理論曲線對比。從圖11中可以看出，普通黏滯阻尼器力-位移試驗曲線與理論曲線非常吻合，高效耗能新型阻尼器試驗曲線與理論曲線總體上吻合較好，因此驗證了阻尼器力-位移理論模型的正確性。但由于位移放大機(jī)構(gòu)與黏滯介質(zhì)擠壓回彈力和孔隙等因素的綜合影響，高效耗能新型阻尼器試驗曲線存在第一、三象限聳起，第二、四象限滯回環(huán)面積減小的現(xiàn)象。圖12為普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器耗散能量對比，具體數(shù)值如表3所示。

? 由圖12、表3可知，新型阻尼器耗能能力較普通黏滯阻尼器而言有顯著提升，其耗能放大系數(shù)試驗最大值為4.41，最小值為3.98，平均值為4.30，與理論值平均誤差為13%。這表明了位移放大機(jī)構(gòu)的有效性，且新型阻尼器消耗能量放大系數(shù)計算公式準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

5.1 工程概況 ?為了研究高效耗能新型阻尼器對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，以某剪力墻結(jié)構(gòu)體系為例進(jìn)行減震分析。該建筑地下1層，層高6.6 m，地上28層，層高2.8 m，所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.3g，設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為III類。結(jié)構(gòu)前三階自振周期：T1=1.68 s，T2=1.52 s，T3=1.25 s。圖13為建筑立面圖。該結(jié)構(gòu)在5條天然波Imperial Valley，Superstition，Erzican，TJ，Coalinga和2條人工波RH1，RH3作用下，第13-22層、第28層Y向?qū)娱g位移角大于1/1000，超過《規(guī)范》[25]規(guī)定的多遇地震作用下層間位移角限值，如圖14所示，需進(jìn)行減震設(shè)計。圖15為地震波加速度反應(yīng)譜，由圖14可知，7條地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上基本相符。且該結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜法計算得到的基底剪力為14.035 MN，7條地震波作用下基底剪力均值為12.098 MN，最小值為9.372 MN，滿足“每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%”規(guī)范要求，說明地震波選取合理。

采用普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器（位移放大倍率為3）兩種方案對結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計，阻尼系數(shù)為500 kN/（m0.45 ·s-0.45）。阻尼器布置在結(jié)構(gòu)第15-25層，其中第15，25層各布置2個、第16層布置5個、第17-24層各布置4個，共41個。

5.2 地震響應(yīng)對比分析

圖16為不同結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)對比分析。由圖16可知，高效耗能新型阻尼器減震效果明顯優(yōu)于普通黏滯阻尼器，可有效降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。相對于無阻尼器結(jié)構(gòu)，附加普通黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)層間位移角、層加速度、層剪力分別平均減小7.77%，9.88%，7.94%。附加高效耗能新型阻尼器結(jié)構(gòu)層間位移角、層加速度、層剪力分別平均減小24.36%，20.69%，24.49%，結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角均小于1/1000，滿足規(guī)范要求。圖17是TJ波作用下普通黏滯阻尼器和高效耗能新型阻尼器滯回曲線對比。圖18為附加上述兩種阻尼器結(jié)構(gòu)對應(yīng)的能量曲線對比。從圖18中可以看出，高效耗能新型阻尼器在輸入位移遠(yuǎn)小于普通黏滯阻尼器情況下，附加高效耗能新型阻尼器結(jié)構(gòu)在TJ波作用下的阻尼器耗能能力依然比普通黏滯阻尼器強，是普通黏滯阻尼器的2.74倍，同時振型阻尼能量下降17.75%。因此，高效耗能新型阻尼器可顯著提高阻尼器消耗能量，有效減小結(jié)構(gòu)自身黏滯阻尼耗能和滯回耗能，從而降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)破壞。

6 結(jié) 論

本文提出一種高效耗能新型阻尼器，通過對該阻尼器進(jìn)行力學(xué)性能試驗研究和理論分析，并與普通黏滯阻尼器進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）高效耗能新型阻尼器通過在普通黏滯阻尼器基礎(chǔ)上附加位移放大機(jī)構(gòu)來放大傳遞給阻尼器活動鋼板的位移和速度，從而實現(xiàn)提高阻尼力，增強耗能能力，減小結(jié)構(gòu)自身黏滯阻尼耗能和滯回耗能，降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的目的。附加位移放大機(jī)構(gòu)（放大倍率為η）的高效耗能新型阻尼器的阻尼力和耗能能力是普通黏滯阻尼器的η1+α倍。

（2）高效耗能新型阻尼器速度-阻尼力、位移-阻尼力試驗值關(guān)系曲線均與理論曲線吻合良好，阻尼力試驗值略低于理論值，平均誤差為11%，表明基于Maxwell模型提出的新型阻尼器力學(xué)計算模型合理準(zhǔn)確。

（3）在力學(xué)性能試驗中，當(dāng)新型阻尼器附加放大倍率為3的位移放大機(jī)構(gòu)時，相對于普通黏滯阻尼器，阻尼力平均放大4.4倍，耗散能量平均放大4.3倍。

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Abstract： This paper mainly presents a comparative experiment on a novel high damping viscous damper and a conventional viscous damper. The hysteretic behavior and the dependency of mechanical properties of dampers under various loading displacement amplitudes and frequencies are investigated. The restoring force model of the novel viscous damper is established according to viscous mechanics. The results show that the damping force and the energy dissipation capacity of the novel viscous damper are significantly greater than that of the conventional viscous damper. The dependency of damper's mechanical properties on displacement amplitudes and frequencies are obvious， and the damping force increases as the loading displacement amplitudes and frequencies increase. The restoring force models of dampers are correct with good agreement on the hysteretic curves between experimental and theoretical results. Due to increasing the energy dissipated by the novel viscous damper， it decreases the energy absorbed by structural yielding which results in damage to structures.

Key words： viscous damper; performance experiment; hysteretic curves; restoring force model; seismic responses

作者簡介： 郭 彥（1989-），女，博士研究生。E-mail：guoyanyy@foxmail.com