高效耗能阻尼器性能試驗及理論研究

　　摘要： 研發一種高效耗能新型阻尼器，對其進行不同位移幅值和加載頻率下的力學性能試驗，研究阻尼器的滯回耗能性能和位移頻率相關性。根據該新型阻尼器構造特點及工作原理，建立力學分析模型，并對附加該阻尼器的建筑結構在地震作用下的動力響應進行分析。研究結果表明：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，表現出更強的耗能性能;力學性能的位移頻率相關性明顯，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，力學分析模型合理;可減小結構自身黏滯阻尼耗能和滯回耗能，降低結構動力響應。

　　關鍵詞： 黏滯阻尼器; 性能試驗; 滯回曲線; 恢復力模型; 地震響應

　　《振動.測試與診斷》是由國防科工委主管，全國高校機械工程測試技術研究會和南京航天大學聯合主辦，是反映振動、動態測試及故障診斷學科領域的科研成果及其應用情況的技術性刊物。

　　引 言

　　黏滯阻尼器自20世紀80年代引入土木工程領域以來，取得了快速發展。因具有滯回曲線飽滿，耗能能力強、性能穩定可靠等諸多優勢，目前已成為降低風、地震等荷載作用下結構動力響應的有效對策，在國內外新建工程設計和既有工程加固改造中得到廣泛應用[1-3]。美國學者Taylor，Constantinou，Reinhorn及Makris等[4-7]對應用在工程結構中的黏滯阻尼器進行試驗研究，提出了黏滯阻尼器力學分析模型，并對附加黏滯阻尼器的建筑結構在地震荷載作用下的動力響應進行了分析。

　　日本學者Miyazaki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層縮尺模型進行振動臺試驗，驗證了墻式黏滯阻尼器的減震性能。中國學者歐進萍等[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，并在冪律流體本構關系的基礎上，建立了黏滯阻尼器的力學計算模型。賈洪等[11]發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、串聯動態剛度計算公式和耗能性能評價指標。黃鎮等[12]研制了一種實現阻尼器性能可控化的帶壓力調節閥的黏滯阻尼器，根據該阻尼器的構造特點和工作原理，建立阻尼器在調節閥開啟前后的簡化力學模型，并對其進行力學性能試驗及仿真分析。

　　雖然黏滯阻尼器在工程結構中應用廣泛[13-14]，但張恒晟等[15]通過試驗發現阻尼器在較小輸入位移下其阻尼力小于理論值，不足以充分發揮耗能作用。為解決這一問題，Constantinou等[16]提出了肘節型黏滯阻尼系統，利用肘節支撐機構使黏滯阻尼器產生較大的輸入位移。Berton和Bolander[17]采用齒條齒輪加速器來放大結構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，從而實現提高阻尼器阻尼力的目的。在此基礎上，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，對其進行力學性能試驗及相關理論研究，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上附加位移放大機構的位移放大型黏滯阻尼器。位移放大機構與結構上部樓層和阻尼器活動鋼板連接，通過把結構層間位移，特別是微小的結構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模型。其中m，k，c分別表示原結構樓層的質量、剛度和阻尼;kd為普通黏滯阻尼器內部剛度，一般可忽略不計;cα為普通黏滯阻尼器的阻尼系數;L，ηL分別為位移放大機構上、下部分的長度，η為位移放大機構的放大倍率。當結構產生水平位移u時，經η倍位移放大機構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科技有限公司FTS伺服作動器進行加載。根據作動器和加載試件的特點設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，還包括動態位移傳感器、力傳感器和動態數據采集系統。同時為保證數據采集的可靠性，試驗過程中增加了外采位移傳感器采集位移數據。阻尼器性能試驗加載圖如圖3所示。

　　2.2 試件設計

　　位移放大機構是高效耗能新型阻尼器的關鍵組成部分，因此該新型阻尼器的設計主要是位移放大機構的設計。圖4為位移放大機構運動軌跡圖。隨著高效耗能新型阻尼器上連接板水平運動，支點軸發生豎向運動，為保證位移放大機構正常轉動，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，該機構受力分析需考慮以下兩個方面：機構及連接構件受壓，連接螺栓受剪。經設計，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為20 kN/(m0.45·s-0.45)，阻尼指數為0.45。高效耗能新型阻尼器位移放大機構放大倍率為3，厚度為24 mm。試件尺寸設計詳圖見圖5。

　　2.3 試驗工況

　　在環境溫度為20 ℃的情況下，對兩種阻尼器進行低周循環加載試驗。試驗按照正弦波規律變化的輸入位移u(t)=Asinωt來控制試驗系統加載，通過控制不同的加載頻率和位移幅值，分別測得相應的阻尼力-位移關系曲線，進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果及分析

　　3.1 試驗現象 在試驗加載過程中，加載梁滑動平穩，沒有明顯的轉動，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構，某些工況下經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行比較，不難發現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，滯回曲線傾斜現象明顯，其原因在于黏滯介質的可壓縮性，使得阻尼器表現一定的彈性，形成動態剛度。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“內縮”現象。這是因為阻尼器活動鋼板相對位移較大，硅油有一定擾動，內部產生氣泡，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

　　由于結構的動能Ev和彈性應變能Ek隨時間在零線附近上下擺動、相互轉換，輸入結構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。因為結構塑性變形的不可恢復性，所以通常將結構的滯回耗能視為結構的破壞能量。從能量平衡方程式(14)可以看出，若地震輸入結構的能量一定，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，因此可有效減小結構自身黏滯阻尼耗能和滯回耗能，從而降低結構動力響應，避免結構破壞。

　　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力模型可以用Maxwell模型表示。由于位移放大機構會進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-阻尼力試驗值關系曲線趨勢與理論曲線基本一致，其力學分析模型合理。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。但由于位移放大機構與黏滯介質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、四象限滯回環面積減小的現象。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構的有效性，且新型阻尼器消耗能量放大系數計算公式準確可靠。

　　5 結構地震響應分析

　　5.1 工程概況 為了研究高效耗能新型阻尼器對結構地震響應的影響，以某剪力墻結構體系為例進行減震分析。該建筑地下1層，層高6.6 m，地上28層，層高2.8 m，所在地區抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.3g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為III類。結構前三階自振周期：T1=1.68 s，T2=1.52 s，T3=1.25 s。圖13為建筑立面圖。該結構在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向層間位移角大于1/1000，超過《規范》[25]規定的多遇地震作用下層間位移角限值，如圖14所示，需進行減震設計。圖15為地震波加速度反應譜，由圖14可知，7條地震波加速度反應譜與規范反應譜在統計意義上基本相符。且該結構振型分解反應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構基底剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構基底剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%”規范要求，說明地震波選取合理。