黏滯阻尼墻工程應用及研究現狀

潘全勝

(上海中晨工程設計有限公司，上海 200122)

1 引 言

黏滯阻尼墻(Viscous Damping Wall或Viscous Wall Damper，簡稱VDW)由日本學者Miyazaki和Arima等在1986年提出[1]，由Sumitono Contruction公司研制成功的一種可作為墻體安裝在結構層間的消能部件，它主要由內部鋼板、外部鋼板及位于內外鋼板之間的黏滯液體(高分子聚合物)三部分構成，如圖1所示[2]。內部鋼板固定于上層樓面，兩塊外鋼板固定在下層樓面，而且內鋼板能在其中沿平面運動，內鋼板和外鋼板之間填充高黏滯阻尼材料。根據內部鋼板的張數，一張鋼板的稱為單板型,兩張鋼板的稱為雙板型。工程實踐中常在阻尼墻外部設鋼筋混凝土或防火材料的保護墻，以防止VDW受到撞擊、腐蝕、火災等因素影響。地震時，樓層間發生相對位移，內鋼板在黏滯材料中滑動，內外鋼板之間的速度梯度使黏滯材料產生阻尼，從而使結構的阻尼增大，通過黏滯阻尼消耗地震能量，從而減小結構的地震反應。圖2給出了阻尼墻在層間發生變形時的工作原理示意圖[2]。

2 VDW的力學特性

日本Sumitomo公司的Arima等最早進行了VDW縮尺(W60 cm×H50 cm)與足尺(W2.0 m×H1.5 m)的模型試驗[3]。隨后，美國的Reinhorn和Li及日本的OILES工業株式會社都分別進行了VDW的性能試驗[2,4]。圖3表示在頻率0.98 Hz、正弦簡諧波激勵下的力-位移滯回曲線，從圖中飽滿的滯回環可知其具有較強的耗能能力[5]。

日本的OILES工業株式會社對VDW進行了大量的動力性能試驗，得到了各種振動頻率、位移幅值條件下的滯回曲線，通過回歸及擬合分析，給出了OILES的VDW阻尼力計算公式[2]：

F=Ae-0.043ts(v/d)B

(1)

圖2 VDW的工作原理示意圖Fig.2 Working principle of viscous damping wall

圖3 黏滯阻尼墻的時程曲線Fig.3 Time-history curve of VDW

式中，F為黏滯阻尼力(N);t為溫度(℃);s為阻抗板與黏滯體接觸的有效剪切面積(mm2)；v為相對速度(mm/s)；d為剪切間隙(mm)；B為阻尼指數。

通過試驗回歸得到阻尼力計算公式中參數取值見表1。

表1系數A及阻尼指數B

Table1CoefficientAanddampingindexB

v/dABv/d<14.12×10-211≤v/d<104.12×10-20.5910≤v/d<1006.38×10-20.4

根據阻尼墻的試驗數據可以提出其相應的力學模型，阻尼墻通常采用圖4所示的力學模型，基本數學式如下：

(2)

(3)

d=dd+db

(4)

式中，fd為阻尼力；cd為阻尼墻的阻尼系數；dd為VDW的變形；f為阻尼墻單元的非線性力；kd為VDW的剛度；kb為連接構件的剛度；db為連接構件的變形；d為黏滯性單元兩節點的變形，sign(·)表示符號函數。

當kd為0、kb很大時，就可以用該模型來模擬VDW的力學性能，fd等于阻尼墻的阻尼力F，即有：

fd=f=F

(5)

圖4 VDW的通常力學模型圖Fig.4 Mechanical model of VDW

3 VDW的國內外研究現狀

黏滯阻尼墻的科學研究始于日本。1986年， Miyazaki等提出了利用VDW進行結構減震的思想[1]。同年Miyazaki等對5層縮尺鋼框架模型振動臺試驗研究。1988年，Arima等進行了4層足尺鋼框架進行了振動臺試驗[3]，鋼框架的層高除底層為2.4 m外其余3層均為2.3 m，跨度為5 m，總重量為102.8 t。此次足尺模型試驗考察了純框架、安裝偏心支撐框架、安裝阻尼墻框架、安裝鉛橡膠隔振器框架等多種工況下進行了同一條地震波輸入的對比研究。同時他們還對黏滯阻尼墻單元在各種溫度條件下進行了試驗研究。從這次試驗和1986年Miyazaki的模型振動臺試驗可得到以下結論:①VDW是很有效的消能器，和基礎隔震裝置一樣能夠顯著降低結構的地震反應；②VDW在小震下也能起到明顯作用，為結構提供較大阻尼；③隨著地震激勵的增大，VDW對結構的減震效果愈加有效；④與純框架結構相比，安裝VDW的鋼框架結構的加速度反應和位移能夠降低30%～50%；⑤VDW吸收地震能量的效果是溫度梯度、位移、溫度、頻率等變量的函數。

1995年Reinhorn和Li對兩塊不同的平板(1.0 m×1.0 m和1.0 m×0.8 m)及兩塊相同平板(1.0 m×1.0 m)間阻尼墻的性能進行了試驗研究[4]，結果表明VDW的性能具有頻率依賴性。同年，Reinhorn等對1∶3比例的3層鋼筋混凝土框架模型進行了振動臺試驗研究[4]。該結構模型為3層3跨1開間，分別對每層安裝2片阻尼墻、在第一和第二層安裝2片阻尼墻、僅在第一層安裝2片阻尼墻、純框架四種情況進行了振動臺試驗研究。試驗結果表明，安裝有VDW的結構模型能大大降低結構彈塑性變形(最大降低了85%)。結構模型的阻尼和剛度都能有很大的提高(阻尼比能提高到50%)。加設VDW后能有效降低結構的層間側移和柱剪力。通過這次試驗，Reinhorn等人在平面彈塑性分析程序IDARC2D中加入了VDW單元。

1996年，清華大學譚在樹等利用日本住友建設會社提供的VDW，進行了1∶10安裝有VDW的鋼筋混凝土框架結構的振動臺試驗[6]，試驗研究了VDW對結構剛度、動力特性、共振特性及地震反應的影響。通過試驗和理論分析得出：VDW能提高結構的阻尼和剛度，能夠有效降低鋼筋混凝土框架的地震反應； VDW用于鋼筋混凝土框架的減震作用主要由VDW的阻尼提供。

1998年，香港大學土木系的Yeung等對設置VDW模型結構進行了風洞試驗[7]，結果表明設置VDW不僅可以減少結構在順風向的風振作用，而且可以減小橫風向的風振作用。同時也考察了阻尼墻處于平面內扭轉、平面外扭轉等狀態下的動力性能。

2005年，同濟大學的閆峰和呂西林對附加和不附加VDW的RC框架進行了振動臺試驗研究[8]該RC框架模型為1跨2開間3層，跨度為2.4 m，2開間均為1.8 m，層高2.0 m。本試驗的目的是研究不同波形、不同峰值加速度的地震波作用下，VDW推遲RC框架模型破壞、減小框架模型地震反應以及耗散地震輸入能量的效果。通過振動臺對比試驗，得到如下結論：①附加VDW后，鋼筋混凝土框架模型的自振頻率提高約17%，阻尼比上升約7.7倍，VDW明顯減小了框架模型的位移和加速度反應，起到耗能減震的效果；②在不同波形、不同峰值的地震波作用下，耗能框架模型的層間位移反應峰值比普通框架減小35%～75%。隨激勵地震波的不同，位移減小效果有差異；③阻尼系數過小或過大都不能取得最佳的減震效果，選取合適的阻尼墻參數才能達到最優的耗能減震效果。可以對結構中位移較小處阻尼墻的阻尼參數進行減小，對結構動力反應影響較小，且可以節省投資。

同年，閆峰等還進行了VDW加固震損RC框架的振動臺試驗研究[9]。試驗首先對VDW進行力學性能試驗，認識其耗能能力；然后對普通RC框架進行一系列地震波激勵，框架模型受到一定程度的破壞；隨之采用VDW對震損框架進行抗震加固，再對加固后的震損框架進行一系列的地震波激勵，比較普通框架和震損加固后的框架的動力特性與變化。試驗研究的主要結論包括：①設置VDW加固后，震損框架模型的自振頻率顯著增大，阻尼比大幅增加；②在不同波形、不同峰值的地震波作用下，加固框架模型的層間位移反應峰值比普通框架減小20%～75%。隨激勵地震波的不同，位移減小效果有所差異；③在峰值0.05 g和0.10 g的較小和中等地震作用下，VDW使加固框架模型的樓層加速度反應峰值減小45%～70%，使得層間剪力峰值減小45%～60%；在峰值0.20 g的強烈地震作用下，VDW使加固框架模型的樓層加速度反應峰值減小20%～60%，使得層間剪力峰值減小10%～55%；④VDW抵抗力與位移曲線飽滿，說明VDW吸收和耗散了大量的地震輸入能量。

2005年，南京工業大學的歐謹等進行了黏滯材料物理化學性能和動態力學性能的試驗研究[10]，研制成功了價格較低、耗能能量強、性能穩定、便于工程應用、有自主知識產權的黏滯阻尼材料；隨后歐謹用自己研發的阻尼材料制作了VDW模型，對其分別進行了常溫(20 ℃)和低溫(-5 ℃)下的動力性能試驗[11]，研究了VDW滯回特性與溫度、頻率、振幅之間的相關關系；之后制作了三榀鋼框架試驗模型，對設置VDW框架結構與未設置VDW框架結構的滯回特性、耗能性能、破壞形態、受力特點進行了研究分析，對VDW不同布置方式下的框架結構性能進行了比較。探討了阻尼墻數量、布置樓層、結構層數及地震烈度對鋼框架結構減震效果的影響。主要結論有：①VDW的滯回特性與溫度、位移幅值和頻率有關，VDW在低溫時耗能能力較強，可提供較大阻尼力且具有較大剛度。VDW在位移幅值較大時耗能能力較大，阻尼力增加，但剛度略小；加載頻率較低時，VDW的黏性阻尼特征明顯，為結構提供較大的阻尼。隨著頻率增加，阻尼力和剛度增加；②VDW具有穩定的動力性能，曲線形狀受循環加載次數影響不明顯；③設置VDW使結構抗剪剛度增加。阻尼墻在增加結構阻尼的同時，使得結構的水平剛度明顯增加。相同位移下，設置VDW的結構可承受較大的水平剪力；④設置VDW可以明顯減小結構的地震反應，對控制結構的薄弱層的地震反應尤為有效。設防烈度為7～9度時，可使底層層間位移減小33%以上，頂層位移減小50%以上，頂層加速度減小35%以上；⑤設置VDW結構的減震效果與阻尼墻數量密切相關，阻尼墻數量愈多，減震效果愈好。阻尼墻比例達到20%(即阻尼墻水平剛度占結構水平剛度20%)時，可達到比較理想的減震效果。當阻尼墻比例超過40%后減震效果增加不明顯。通過調整阻尼墻的比例，可使結構基本處于彈性狀態，顯著提高結構的抗震性能。

2010年，南京工業大學的杜東升等根據江蘇宿遷金柏年財富廣場項目[12]，結合文獻[2]對VDW應用于實際工程中減震體系的設防目標進行明確，給出了減震設計的流程及阻尼墻布置的基本原則，并將阻尼墻成功應用于高烈度區(基本地震加速度0.3g)的雙塔高層建筑。

2013年，東南大學的夏冬平等進行了新型黏滯阻尼墻動力性能的試驗研究[13]，設計了一種新型的VDW，與傳統阻尼墻相比，細節和內部構造有所區別。主要區別包括：①內鋼板形式不同；②填充的黏滯阻尼材料不同，采用硅油作為黏滯阻尼介質；③密封要求不同。新型黏滯阻尼墻的密封要求較高，傳統的阻尼墻頂部一般采用開口式。

4 工程應用

1992年，日本的Miyazaki和Mitsusaka在靜岡(Shizuoka)市設計了世界上第一棟用VDW減震耗能的建筑SUT-Building[14]，又名為Media-City Shizuoka，于1994年10月建成。該建筑具有音樂廳、多媒體影劇院及大型宴會廳等多種功能，地下2層，地上14層，建筑總高78 m，總建筑面積11 521 m2，鋼框架結構。地上14層一共安裝了170片VDW，其中X方向80片，Y方向90片，地下2層沒有安裝VDW。該結構在20 ℃時的設計阻尼比為0.27，全年的阻尼比隨溫度在0.20～0.35范圍內變化。動力時程反應分析的結果顯示，該VDW體系能將結構的地震反應有效減少70%～80%。

1995年，阪神地震中，由于1994年竣工的SUT-Building在這次地震中的良好表現，VDW在日本受到了業主和工程師的推崇。從1995年至今，日本已有數十幢安裝阻尼墻的建筑竣工，表2列出了部分工程信息[5,15]。目前，在日本的消能減震建筑中安裝VDW的數量超過了安裝其他類型的消能部件。

日本鹿兒島機場候機樓抗震加固工程也采用了VDW作為減震消能器[16]。鹿兒島機場候機樓建于1972年，為局部有地下室的3層鋼筋混凝土框架結構。靜力彈塑性分析表明，該結構的抗震能力不足日本建筑標準抗震規范(JBSSC)大震時抗震要求的一半。抗震加固在Y方向第3層設置了9片VDW，在第2層設置了8片。X方向僅在第2層設置了11片。每一片VDW具有2 000 kN抗剪能力，其所承受的等效剪力公式為F=cvn，其中，n=0.59,c=300 kN·s/cm。設置阻尼墻后，減小了譜加速度和譜位移，三維彈塑性時程分析表明，大震作用下候機樓的大部分結構構件能保持在彈性范圍。候機樓用VDW加固工程已于2001年6月竣工。2002年6月，美國北加州工程師協會授予候機樓加固工程2002年杰出結構工程獎。

表2VDW在日本的部分工程應用

Table2PartofVDWwithapplicationsinJapan

建筑物名稱竣工時間地點阻尼墻數量(片)建筑概要結構材料結構層數建筑面積(m2)SUT-Building1994靜岡170S地下2層,地上14層11521新宿NTT大廈1995東京60S,SRC地下5層,地上30層84 832橫濱MM大廈1999橫濱180S,SRC地下2層,地上23層53 085關東郵政局辦公樓2000大宮469S,SRC地下2層,地上28層82 555關東通信醫院改建工程2000東京208S,SRC地下4層,地上12層75 317千葉國立學校教工宿舍1999千葉30S,SRC地下1層,地上11層13 282九段郵局辦公樓和宿舍抗震加固工程1999東京18RC,SRC地上10層76 90北野醫院1999大阪70S,SR,SRC地下3層,地上15層57 507琦玉NTT大廈2001琦玉119S,SR,SRC地下3層,地上18層25 783六本木丁目C街區B住宅樓2002東京232S,SR,SRC地下2層,地上43層58 398堂島第二大樓一期改建工程2002大阪56S地下3層,地上21層75 317新宿御苑住宅樓2003東京114S,SRC地下2層,地上25層11 862日建設計公司東京大樓2003東京39S,SRC地下1層,地上14層20 275虎之門—六本木區域項目2012東京380S,RC,地下4層,地上47層14 3550

注：結構材料中，S為鋼結構；RC為鋼筋混凝土結構；SRC為鋼骨混凝土結構。

2009年，宿遷金柏年財富廣場結構封頂，當時此建筑是國內采用VDW進行消能減震的最高建筑[17]。主樓有A、B兩個塔樓組成，地下3層，地上25層，高度為94.95 m。A塔樓阻尼墻布置為沿X、Y向均為30片。本項目實現了結構阻尼比由5%到7.5%的提高，通過時程分析表明該消能減震結構在8度多遇地震作用下的層間位移角均滿足規范要求，在8度罕遇地震作用下X、Y向最大層間位移角為1/173，表明該消能結構在罕遇地震作用下仍有一定安全可靠性，取得了較好的減震效果。

2013年竣工的唐山萬科金域華府項目，擁有“河北省首個抗震安全示范社區”稱號。本工程為高層住宅，總建筑面積約6萬m2，主體建筑主要屋面標高為99 m，平面呈凸字形。地下3層，地上32層，標準層層高2.95 m，屋頂層層高5.05 m，采用設置VDW減震裝置的鋼筋混凝土剪力墻結構。本工程共安裝阻尼墻66片，通過阻尼墻數量、位置的多次時程分析，確定最后減震方案，X向布置26片，Y向布置40片阻尼墻，給結構X向附加2.08%的阻尼比、Y向附加2.35%的阻尼比。設置VDW后，在8度多遇地震作用下，X、Y向主體結構最大層間位移角分別為1/2 201和1/1 453；在8度罕遇地震作用下，X、Y向結構最大層間位移角分別為1/279和1/226，設計實現了預設的多遇、罕遇地震下結構目標位移角1/1 300和1/200，達到了比抗震設計規范[18]更高的設防目標。

目前在建的宿遷恒力水木清華三期項目，1棟26層的辦公樓，采用64片170 t阻尼墻，3棟公寓式酒店，每棟采用61片170 t阻尼墻。2012年9月開工的廈門國際中心項目建筑面積18.56萬m2，地下4層，地上81層，建筑高度339.88 m，為在建海西第一高樓，此工程采用了90片170 t阻尼墻。

5 VDW耗能減震結構設計方法

日本關于設置VDW多質點減震結構設計方法如下[2]：根據給定的輸入地震動下由等效單質點體系選定的黏滯單元損失剛度和等效支撐構件剛度與主體結構的剛度比，然后依據減震性能曲線確定單質點體系的減震設計參數，繼而根據主結構層剛度成比例原則將其分配至多質點體系。

國內設計工作者對于阻尼墻減震結構基本采用迭代方法進行結構分析。設計工作流程如下：①確定減震結構設防目標，確定各項控制指標限值；②對未加入VDW的結構進行建模分析，確定結構自振周期、振型、層剛度和層間位移角等參數；③估算結構附加阻尼比ζd(小于0.2)；④計算所需阻尼參數和數量，根據待定阻尼系數Ci、最大阻尼出力Fi,max等參數，初步選擇阻尼墻型號；⑤進行VDW布置和數量的優化分析；⑥進行減震結構地震反應的分析，判斷是否達到抗震設防目標，若不滿足，則重復③～⑥步；⑦阻尼墻與主體結構連接節點設計。

現行的抗震設計規范[18]要求使用時程分析法計算評估消能減震結構在大震下的抗震性能，時程分析要對消能部件和主體結構進行非線性物理特性模擬，這是一項費時費力的工作，而且選用的地震動輸入也不一定能代表建筑物所在場地的地震動特性。因此對設計人員來說，迫切需要一種簡便可靠的分析方法來估算結構的消能減震效果，許多學者對此進行了研究[19-21]，并發展了基于性能的抗震設計方法，如延性系數設計法、能力譜方法和直接基于位移的方法等。

VDW減震結構設計的核心是阻尼墻布置方案和阻尼墻數量及力學參數確定問題。根據文獻[18]，當主體結構基本處于彈性工作階段時，可采用線性分析方法作簡化估算。在初步設計階段，為方便估算結構減震控制所需的附加阻尼比，通常假定VDW所提供的附加剛度可忽略不計，即通過調整附加阻尼比的大小來控制結構的地震響應，并以此來計算阻尼墻減震結構的設計期望阻尼力。

李波等提出附加黏滯阻尼器結構線性靜力分析方法[22]。該方法根據抗震規范地震反應譜，指出速度相關型消能部件提供的附加阻尼效應可通過抗震規范反應譜中的η2和γ來減小設定的擬側向力。該方法能較快、有效地評估附加VDW結構在大震作用下的抗震性能。

翁大根等提出附加黏滯阻尼器結構實用設計方法[23]。該方法以附加阻尼比作為黏滯消能減震設計的切入點，通過反應譜法(或能量方法)預估初始結構為滿足既定減震控制目標所需要的附加阻尼比，并由此計算結構各樓層的設計期望阻尼力。該方法對于多質點體系附加黏滯阻尼減震結構的配置原則是：首先基于樓層剪力進行阻尼力初步設計計算分析，隨后依據樓層相對位移進行二次優化分配。這個設計方法的實質是設計阻尼力與樓層剪力及層位移的乘積成正比(即與結構樓層應變能有關)。該方法契合我國抗震設計規范，使整個設計流程更簡單直接，避免了傳統設計方法反復迭代帶來的大量循環工作。

6 結 論

綜上所述，VDW是一種性能良好的消能減震部件，用于建筑結構減震具有以下優點：

(1) 制作安裝方便，施工誤差對耗能減震效果影響小。且能有效地提高結構的阻尼，墻體與高黏滯材料的作用面積大、結構的阻尼比可以提高到20%以上，吸收大量的地震能量，明顯降低地震引起的結構反應，并且對降低結構風振作用也效果明顯。

(2) 無需復雜的裝置和特殊材料。維修方便，保養費用低，材料耐久性能良好。

(3) VDW設置在建筑物的墻體位置，既不影響建筑物的整體美觀，又可依據抗震要求合理選擇位置。

(4) 適用范圍廣，VDW能夠安裝在一般的多層房屋結構，同時也適用于高層和超高層建筑，且結構越高、越柔，消能減震效果越顯著。

(5) 阻尼墻還能用于抗震加固和震后修復，與傳統的加固方法相比，可節約造價的30%～60%。

隨著超高層建筑在我國的迅猛發展，可以預見VDW將會作為一種主要的消能減震部件，在未來的消能減震領域占據重要席位。但要在工程實踐中得到大面積的推廣應用，筆者認為存在以下問題，亟待解決：① VDW的成熟產品，在日本已經規模化批量生產，而我國能看到有自主知識產權產品的研究報告，但還沒能滿足商業化生產的要求；②國外生產的VDW產品價格較高，阻礙了阻尼墻在工程中的推廣；③高性能穩定的黏滯阻尼材料研發滯后；④通用的有限元軟件缺少與之對應的模擬計算單元，使得阻尼墻在結構設計中難以開展。需解決阻尼墻分析模型的簡化，設計參數選取，布置數量、布置位置的優化等工程設計問題；⑤VDW未編入現行的《建筑結構消能減震(振)設計》(09SG610—2)圖集，阻尼墻與主體結構節點連接構造做法需明確，以方便設計工作者選用。

致謝本文撰寫過程中得到同濟大學周穎教授的幫助，在此表示感謝。

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