新型黏彈性阻尼器性能試驗(yàn)研究

周 穎龔順明

（同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

新型黏彈性阻尼器性能試驗(yàn)研究

周 穎*龔順明

（同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

黏彈性阻尼器是一種典型的被動控制裝置，它是通過黏彈性材料的剪切滯回耗能起到提高結(jié)構(gòu)阻尼和減小結(jié)構(gòu)地震或風(fēng)振響應(yīng)的目的。根據(jù)2012年頒布的《建筑消能阻尼器》（JG／T 209—2012）對黏彈性阻尼器出廠檢驗(yàn)的要求，對將應(yīng)用在南京大報恩寺新塔項目上的3個某新型材料黏彈性阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)，評價的項目包括外觀質(zhì)量、尺寸偏差、最大阻尼力、表觀剪切模量、損耗因子、滯回曲線和表觀剪應(yīng)變極限值。試驗(yàn)結(jié)果表明，該種阻尼器具有良好的力學(xué)性能，滿足中國規(guī)程的相關(guān)要求，可以應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)設(shè)計。

黏彈性阻尼器，性能試驗(yàn)，中國規(guī)程，出廠檢驗(yàn)

1 引 言

近期世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，其具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的特點(diǎn)，與其他自然災(zāi)害如風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)等的顯著區(qū)別在于，幾乎所有的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失都與工程結(jié)構(gòu)的破壞密切相關(guān)，因而工程結(jié)構(gòu)的抗震減震設(shè)計顯得尤為重要。

黏彈性阻尼器是一種常見的被動消能減震裝置，它的減震原理是在地震作用下黏彈性阻尼器率先進(jìn)入耗能工作狀態(tài)并充分發(fā)揮其耗能作用，從而有效減少結(jié)構(gòu)本身需耗散的地震能量，起到提高結(jié)構(gòu)的阻尼和減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)的目的，因此能夠有效地改善結(jié)構(gòu)性能和減輕結(jié)構(gòu)震害。黏彈性材料滯回曲線飽滿，耗能減震能力非常強(qiáng)［1，2］。不同于金屬阻尼器和摩擦阻尼器，其在小震情況下也能耗能，同時可以用于風(fēng)振控制，并具有安裝簡單、造價低廉、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。除了可以應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)外它還可以應(yīng)用在橋梁、隧道、輸電塔等當(dāng)中，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

周云［3］、吳波［4］和周穎［5］等針對不同類型和材料的黏彈性阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究。為了研究某種新型材料的黏彈性阻尼器的力學(xué)性能和耗能特性，以及檢測要安裝阻尼器的性能是否達(dá)到設(shè)計值，本文根據(jù)《建筑消能阻尼器》（JG／T 209—2012）［6］（以下簡稱為“規(guī)程”）針對黏彈性阻尼器出廠檢驗(yàn)的要求，對將應(yīng)用在南京大報恩寺新塔項目上的3個新型材料黏彈性阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究，評價的項目包括外觀質(zhì)量、尺寸偏差、最大阻尼力、表觀剪切模量、損耗因子、滯回曲線和表觀剪應(yīng)變極限值。

2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)使用的黏彈性阻尼器是由兩塊約束鋼板和中間一塊鋼板，以及鋼板之間填充的兩層新型黏彈性材料組成，試驗(yàn)采用的是足尺試件，每層黏彈性材料剪切面積為400 mm×400 mm，厚度為15 mm，其尺寸和圖片如圖1所示。

圖1 黏彈性阻尼器尺寸及照片F(xiàn)ig.1 Dimension and photo of the viscoelastic damper

按照規(guī)程8.2.1條的要求，對建筑消能產(chǎn)品需要進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)以及力學(xué)性能檢驗(yàn)，黏彈性阻尼器產(chǎn)品抽檢數(shù)量為同一工程、同一類型、同一規(guī)格數(shù)量的3%。由于設(shè)計用于南京大報恩寺新塔項目中的黏彈性阻尼器共計112個，故抽檢數(shù)量為3個。根據(jù)規(guī)程6.1.1條進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項目包括外觀質(zhì)量和尺寸偏差；根據(jù)規(guī)程6.1.3條進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項目包括表觀剪應(yīng)變極限值、最大阻尼力、表觀剪切模量、損耗因子和滯回曲線。因此，3個黏彈性阻尼器均要進(jìn)行外觀質(zhì)量檢驗(yàn)和力學(xué)性能檢驗(yàn)，力學(xué)性能檢驗(yàn)部分的試驗(yàn)工況如表1所示。

本試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用SCHENCK作動器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對阻尼器進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置照片如圖2所示。

表1 黏彈性阻尼器試驗(yàn)工況Table 1 Testing cases of the viscoelastic dam pers

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Testing facility of the viscoelastic damper

3 試驗(yàn)結(jié)果

對3個黏彈性阻尼器（編號分別為VED1、VED2和VED3）按照規(guī)范要求分別進(jìn)行上述試驗(yàn)項目，試驗(yàn)過程及結(jié)果分析如下。

3.1 外觀質(zhì)量

用目視、放大鏡等進(jìn)行檢測表明，阻尼器鋼板平整、無銹蝕、無毛刺，標(biāo)記清晰，并涂刷防銹涂料；黏彈性阻尼材料表面密實(shí)，相對平整，滿足規(guī)程6.1.1條的要求。

3.2 尺寸偏差

規(guī)程6.1.1.3條規(guī)定：黏彈性阻尼器長度允許偏差±3 mm，黏彈性阻尼器截面有效尺寸允許偏差±2 mm。用游標(biāo)卡尺及卷尺等進(jìn)行檢測，3個黏彈性阻尼器長度和截面有效尺寸偏差符合規(guī)范要求。

圖3 位移幅值1.0 u0下第3次循環(huán)時滯回曲線Fig.3 Hysteretic loops of the third cycle under 1.0 u0

3.3 最大阻尼力

規(guī)程7.1.3.1條規(guī)定：控制位移u＝u0sin（ωt）；在工作頻率f1下，作5次具有穩(wěn)定滯回曲線的循環(huán)；取第3次循環(huán)時滯回曲線的最大阻尼力值作為最大阻尼力的實(shí)測值。

3個黏彈性阻尼器試件在環(huán)境溫度、工作頻率f1（0.3 Hz和0.4 Hz）、位移幅值1.0 u0下的單圈第3圈滯回曲線如圖3所示。圖中，力是指試驗(yàn)機(jī)加給阻尼器的力，位移是指阻尼器中間鋼板在水平向的剪切位移。3個黏彈性阻尼器試件的最大阻尼力實(shí)測值如表2所示。試驗(yàn)過程中黏彈性材料與約束鋼板間未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。

表2 黏彈性阻尼器最大阻尼力Table 2 M axim um dam ping forces of the viscoelastic dampers

3.4 表觀剪切模量

規(guī)程7.1.3.1條規(guī)定：控制位移u＝u0sin（ωt）；在工作頻率f1下，作5次具有穩(wěn)定滯回曲線的循環(huán)；取第3次循環(huán)時滯回曲線的值計算表觀剪切模量。

表觀剪切模量定義為阻尼器的剪應(yīng)力（τ＝Fmax／S）與剪應(yīng)變（γ＝Dmax／t）的比值，即：

3個黏彈性阻尼器試件在環(huán)境溫度、工作頻率f1（0.3 Hz和0.4 Hz）、位移幅值1.0u0下的表觀剪切模量計算如表3所示。黏彈性阻尼器表觀剪切模量在0.3 Hz和0.4 Hz下的設(shè)計值分別為0.60 MPa和0.60 MPa，滿足規(guī)程6.1.3.1要求實(shí)測值應(yīng)在設(shè)計值的±15%以內(nèi)的規(guī)定。

表3 黏彈性阻尼器表觀剪切模量Table 3 Pseudo-shear modulus of the viscoelastic dam pers

3.5 損耗因子

規(guī)程7.1.3.1條規(guī)定：控制位移u＝u0sin（ωt）；在工作頻率f1下，作5次具有穩(wěn)定滯回曲線的循環(huán)；取第3次循環(huán)時滯回曲線的最大位移對應(yīng)的恢復(fù)力與零位移對應(yīng)的恢復(fù)力的比值，作為損耗因子的實(shí)測值。

3個黏彈性阻尼器試件在環(huán)境溫度、工作頻率f1（0.3 Hz和0.4 Hz）、位移幅值1.0u0下的損耗因子計算如表4所示。黏彈性阻尼器損耗因子在0.3 Hz和0.4 Hz下的設(shè)計值分別為0.67和0.66，滿足規(guī)程6.1.3.1要求實(shí)測值應(yīng)在設(shè)計值的±15%以內(nèi)的規(guī)定。

表4 黏彈性阻尼器損耗因子Table 4 Loss factors of the viscoelastic dam pers

3.6 表觀剪應(yīng)變極限值

規(guī)程7.1.3.1條規(guī)定：在工作頻率下，控制位移1.1u0、1.2u0、1.3u0、1.4u0、1.5u0，作5次具有穩(wěn)定滯回曲線的循環(huán)。如黏彈性材料與約束鋼板間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，則試驗(yàn)停止，并取這時的位移值確定表觀剪應(yīng)變極限值，其值為黏彈性材料切向位移與黏彈性材料厚度之比的最大值，用百分率表示。

對3個黏彈性阻尼器試件在環(huán)境溫度、工作頻率f1下，實(shí)施控制位移1.1u0、1.2u0、1.3u0、1.4u0、1.5u0工況，試件未出現(xiàn)黏彈性材料與約束鋼板間剝離的現(xiàn)象。繼續(xù)實(shí)施1.8u0、2.0u0、2.5u0、3.0u0工況，試驗(yàn)結(jié)束。因此3個黏彈性阻尼器表觀剪應(yīng)變極限值可取為300%。3個黏彈性阻尼器試件在環(huán)境溫度、工作頻率f1（0.3 Hz）、位移幅值3.0u0下第3次循環(huán)時滯回曲線如圖4所示。

3.7 滯回曲線

規(guī)程6.1.3.1條規(guī)定：消能器在各種試驗(yàn)工況下，試驗(yàn)滯回曲線應(yīng)光滑，無異常。3個黏彈性阻尼器試件在各種試驗(yàn)工況下的典型試驗(yàn)滯回如圖5所示，由圖可知滯回曲線滿足規(guī)程要求。

圖4 位移幅值3.0 u0下第3次循環(huán)時滯回曲線Fig.4 Hysteretic loops of the third cycle under 3.0 u0

圖5 典型試驗(yàn)滯回曲線Fig.5 Typical hysteretic loops

4 結(jié) 論

本文根據(jù)《建筑消能阻尼器》（JG／T 209—2012）［6］針對黏彈性阻尼器出廠檢驗(yàn)的要求，對將應(yīng)用在南京大報恩寺新塔項目上的3個新型材料黏彈性阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）黏彈性阻尼器的外觀質(zhì)量和尺寸偏差符合規(guī)程要求，最大阻尼力、表觀剪切模量、損耗因子、滯回曲線和表觀剪應(yīng)變極限值等力學(xué)性能良好，實(shí)測值與設(shè)計值相差不超過±15%。外觀質(zhì)量和力學(xué)性能均符合規(guī)程要求。

（2）黏彈性阻尼器滯回曲線光滑飽滿，說明其在地震或風(fēng)荷載作用下可以耗散大量的能量，從而減少結(jié)構(gòu)響應(yīng)和破壞。

［1］ Samali B，Kwok K C S.Use of viscoelastic dampers in reducing wind-and earthquake-induced motion of building structures［J］.Engineering Structures，1995，17（9）：639-654.

［2］ Munshi JA.Effect of viscoelastic dampers on hysteretic response of reinforced concrete elements［J］.Engineering Structures，1997，19（11）：921-935.

［3］ 周云，趙鴻鐵.粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的性能，分析方法和工程應(yīng)用［J］.地震工程與工程振動，1998，18（3）：96-107.Zhou Yun，Zhao Hongtie.Performance，analysis method and engineering application of viscoelastically damped structures［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1998，18（3）：96-107.（in Chinese）

［4］ 吳波，郭安薪.粘彈性阻尼器的性能研究［J］.地震工程與工程振動，1998，18（2）：108-116.Wu Bo，Guo Anxin.Research on the performance of viscoelastic dampers［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1998，18（2）：108-116.（in Chinese）

［5］ 周穎，李銳，呂西林.黏彈性阻尼器性能試驗(yàn)研究及參數(shù)識別［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2013，29（1）：85-93.Zhou Ying，LiRui，Lu Xilin.Experimental study and parameter identification of viscoelastic dampers［J］.Structural Engineers，2013，29（1）：85-93.（in Chinese）

［6］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JG／T 209—2012 建筑消能阻尼器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JG／T 209—2012 Dampers for vibration energy dissipation of buildings［S］.Beijing：China Specification Press，2012.（in Chinese）

Experimental Study of Advanced Viscoelastic Dampers

ZHOU Ying*GONG Shunming
（State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Viscoelastic（VE）damper is a kind of typical passive damping devicewhich will produce hysteretic shearing deformation，so as to improve the structural damping ratio and reduce the structural responses during earthquake or wind-induced vibrations.In this paper，three viscoelastic damperswith advanced material，which will be used in the new tower projectof Nanjing Da Bao＇en Temple，are tested to evaluate their performance for sampling inspection according to Chinese standard Dampers for Vibration Energy Dissipation of Buildings（JG／T 209—2012）issued in 2012.The performance evaluation on VE dampers included appearance quality，dimension deviation，maximum damping force，pseudo-shearmodulus，loss factor，hysteresis curves and ultimate value of pseudo-shearmodulus.It is concluded that the VE dampers have good performances，meet the requirements of Chinese standard and could be used in engineering structures.

viscoelastic dampers，performance test，Chinese standard，sampling inspection

2013－12－10

國家自然科學(xué)基金項目（51322803，51261120377）、上海市青年科技啟明星計劃（13QA1403700）

*聯(lián)系作者，Email：yingzhou＠tongji.edu.cn