新型黏彈性阻尼器足尺性能試驗研究

胡 梅, 張耀庭, 孫江波, 潘 鵬

(1. 華中科技大學土木工程與力學學院, 湖北 武漢 430074; 2.清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室, 北京 100084; 3. 北京羿射旭科技有限公司, 北京 100023)

0 引言

黏彈性阻尼器是一種常見的被動消能減震裝置,具有能同時提供剛度和阻尼、零位移時開始耗能、反應靈敏、布置靈活等優點,具有廣泛的工程應用前景[1-3]。早在50年代黏彈性阻尼器就已用于軍事、航空航天和機械工程的減振中,在建筑結構中的應用則始于1972年建成的美國紐約110層的世界貿易大廈,共安裝了10 000個黏彈性阻尼器。根據對世界貿易大廈風振反應的觀察可知,黏彈性阻尼器用于控制高層建筑和高聳結構風振反應的效果是極佳的[4]。黏彈性阻尼器應用于結構地震反應的控制則是在最近幾年。在地震作用下結構的最大變形通常顯著大于風荷載作用下的結構最大變形。因此,開發出適用于大變形的黏彈性阻尼器是其能夠應用于工程結構抗震的關鍵。

1998年吳波,郭安薪針對ZN-1和ZN-2兩種國產黏彈性材料制作了黏彈性阻尼器,在不同激振頻率、變形幅值和環境溫度下進行了阻尼器的基本力學性能試驗,共計140余的工況,給出了激振頻率、環境溫度和應變幅值對黏彈性材料性能的影響情況[5]。1999年,歐進萍,鄒向陽選用北京703所生產的ZN-1型、常州蘭陵橡膠生產的 ZN-05和ZN-22型等黏彈性材料制作的黏彈性阻尼器進行了變頻、變溫、變應變、常溫與低溫疲勞以及極限變形等大量試驗,研究表明,環境溫度和加載頻率兩項因素對于試驗所用阻尼器性能影響明顯,故該種黏彈性阻尼器只能在一定的溫度和頻率范圍內適用于實際工程[6]。2001年徐趙東等用一種常州橡膠廠生產的ZN22黏彈性材料制作的黏彈性阻尼器進行了性能試驗,并提出了一種基于標準線性固體模型和溫頻等效原則的等效標準固體模型[7-8]。目前,我國研究人員對國產黏彈性阻尼器進行的實驗研究主要針對小變形,而且實驗結果表明國產黏彈性材料的力學性能受溫度和頻率影響顯著。

同濟大學周穎和龔順明對5個日本生產的黏彈性阻尼器進行了動力荷載試驗[9]。清華大學趙剛和潘鵬對日本生產的黏彈性阻尼器進行了溫度依存性,頻率依存性和幅值依存性實驗[10]。實驗結果表明,日本的黏彈性阻尼器耗能性能較好,且溫度依存性較小。國產黏彈性阻尼器的性能與其相比尚有一定的差距。為此,課題組自主研發了損失系數不小于0.5的黏彈性材料,并基于此材料研發了國產黏彈性阻尼器。對國產黏彈性阻尼器的基本力學性能進行了足尺試驗,研究了加載頻率、應變幅值對黏彈性阻尼器性能的影響,研究了黏彈性阻尼器在不同應變幅值下的低周疲勞性能及極限變形能力。

1 試驗設計

1.1 黏彈性阻尼器的性能指標

黏彈性阻尼器的動力學參數主要有:存儲剪切彈性模量G′,定義為阻尼器峰值應變時的應力與應變的比值,體現了阻尼器在剪切變形中的彈性性能,用來度量每個循環加載存儲的能量;剪切損失模量G″定義為加載循環中位移為零時,所對應的應力與峰值應變的比值,體現了阻尼器的黏滯特性,用來表征每個加載循環中,黏彈性材料剪切變形時轉換成熱能耗散的能量;損失系數η定義為剪切損失模量與剪切存儲模量的比值,是衡量黏彈性阻尼器耗能能力的主要指標,在產生相同的彈性能的情況下,損失系數越大,阻尼器耗散的能量越多;等效剪切剛度Keq定義為變形幅值下的恢復力和位移之比,體現位移型阻尼器的特性;等效阻尼系數Ceq定義為阻尼器單圈的耗能與一個周期內總變形能的比值,體現阻尼器的耗能特性。根據黏彈性阻尼器在各工況下的滯回曲線,可分別計算出阻尼器的基本力學參數。本文重點考察G′、G″、η、Keq和Ceq這五項指標在不同溫度、不同應變幅值以及不同加載頻率下的變化規律。

1.2 試件設計

參照前期縮尺試驗試件的參數,黏彈性阻尼器足尺試件的材料層取2層,每層10 mm厚,200%變形下(Umax=20 mm),設計20 t位下的足尺試件。足尺試件的設計尺寸見表1所列。阻尼器通過10.9級高強螺栓與連接板相連,連接板與上下梁再通過普通C級螺栓連接。足尺試件尺寸如圖1所示。

為方便與加載設備連接,鋼板兩端伸出并開設螺栓孔。黏彈性材料與通過冷黏與鋼板穩固黏結,加載過程中,通過作動器使鋼板發生相對位移,帶動黏彈性材料發生剪切變形。

表1 黏彈性阻尼器試件參數

圖1 黏彈性阻尼器足尺試件Fig.1 Full-scale specimen of the viscoelastic damper

1.3 加載方案

加載裝置見圖2所示,在鉸接鋼框架中固定足尺試件,通過設計的連接件將試件內層鋼板與外層鋼板分別用螺栓固定于框架上下梁,通過一動態電液伺服FCS佛力系統作動器推拉上梁,使框架上下梁產生剪切錯動,帶動阻尼器內外層鋼板產生水平相對位移。試件連接的底座可調節高度,以便于適用于不同規格的試件和試件更換。

此外,還設置溫度計,以監測環境溫度,試驗在河北固安佛力系統工廠完成,室溫為5 ℃左右,考慮縮尺試驗所得的結果:該新型的黏彈性阻尼器與溫度相關性較小。后期分析時不考慮溫度對其結果的影響。

加載工況見表2所列。試驗加載模式為:位移控制,動態加載。忽略溫度相關性,考慮阻尼器在不同位移加載幅值和不同加載頻率下的性能以及它的低周疲勞性。

圖2 加載裝置圖Fig.2 Loading device

表2 黏彈性阻尼器試驗試驗方案Table 2 Test schemes of viscoelastic damper

TEST-1工況標準試驗工況。加載中在應變幅值100%,加載頻率0.5 Hz,常溫(20 ℃)條件下得到3次穩定的滯回曲線循環,取第3次循環的滯回曲線測量標準工況下黏彈性阻尼器的力學性能。

為了研究阻尼器性能的應變幅值相關性,TEST-2工況在常溫(20 ℃)、加載頻率0.5 Hz條件下,進行不同應變幅值加載,研究試件在50%、100%、150%、200%四種加載幅值下的性能。

為了研究阻尼器性能的加載頻率相關性,TEST-3工況是在常溫下(20 ℃)、加載幅值100%條件下,進行不同頻率加載,研究試件在0.3 Hz、0.5 Hz、0.7 Hz、1.0 Hz四種加載頻率下的性能。

為了研究阻尼器低周疲勞性能,TEST-4工況是在常溫(20 ℃)、加載頻率0.5 Hz下,研究不同變形幅值下試件的疲勞性能。在研究低周疲勞性能時進行30次往復加載。

考慮到黏彈性阻尼器性能可隨時間逐漸恢復的特性,以及阻尼器實際工作狀態,可采用同一試件進行多種工況加載,每次加載前將試件在預定溫度下放置 0.5 h。

2 基本力學性能

2.1 標準工況下力學參數

試驗前后試件在外觀上無明顯變化。在應變幅值達到350%的大應變下,試件仍能正常工作,黏彈性體與鋼板黏結完好,黏彈性體無明顯撕裂、破壞,也無明顯殘余變形。試件有較強的變形能力。在多次往復加載過程中,黏彈性材料通過發熱耗能,導致試驗中鋼板溫度略有升高。試驗結束后把試件推到1000%(100 mm)的大幅值下,試件黏彈性材料分片被拉開,材料的黏接性不太好。阻尼器在各種試驗工況下試驗滯回曲線光滑無異常,滿足《建筑消能減震技術規程》[11]要求。

圖3為黏彈性足尺阻尼器在標準工況下(TEST-1)試件的滯回曲線。由圖可知,試件在標準工況下的滯回曲線較狹長,耗能一般。相比縮尺試件滯回耗能曲線,后期分析原因可能是加工試件時冷黏效果不好,導致阻尼力較小。表3給出了足尺試件在標準工況下的力學參數,試件的損失系數為0.33。

2.2 應變幅值相關性

為了研究阻尼器性能的應變幅值相關性,對足尺試件在常溫下(20 ℃)、加載頻率0.5 Hz時,進行了50%、100%、150%、200%四種應變幅值下的加載試驗。阻尼器力學參數G′、G″、η、Keq和Ceq在不同幅值下的變化曲線如圖4所示。

圖3 標準工況下試件滯回曲線Fig.3 Hysteretic curve of specimen under standard working condition

表3 試件在標準工況下的力學指標值

如圖4(a)～(e)所示,應變幅值對試件的力學參數影響較大。試件的存儲剪切模量、損失剪切模量、等效剛度及等效阻尼系數這4個力學參數均隨應變幅值增大而呈下降趨勢;在各應變幅值下,損失系數均大于0.3,當試件的應變幅值小于100%時,損失系數隨應變幅值增加而減小,當應變幅值為100%～350%時,損失系數隨應變幅值增加變化很小。

2.3 頻率相關性

為了研究阻尼器性能的加載頻率相關性,對試件在常溫下(20 ℃)、加載幅值100%時,進行了0.3 Hz、0.5 Hz、0.7 Hz、1.0 Hz四種頻率下的加載試驗。阻尼器力學參數G′、G″、η、Keq和Ceq在不同頻率下的變化曲線如圖5所示。

如圖5(a)～(e)所示,隨著加載頻率的增加,試件存儲剪切彈性模量、損失剪切彈性模量和等效剪切剛度都呈增大趨勢,而等效阻尼系數呈減小趨勢;損失系數在0.35左右波動,呈小幅的增加趨勢。

3 低周疲勞性

對試件在0.5 Hz,20 ℃常溫下,采用不同應變幅值下進行30圈低周疲勞加載。對比第2圈和29圈數據,分析不同幅值下阻尼器性能變化。

圖4 黏彈性阻尼器力學性能與應變幅值的相關性Fig.4 Correlation between mechanical properties and strain amplitude of viscoelastic damper

圖5 黏彈性阻尼器力學性能與頻率的相關性Fig.5 Correlation between mechanical properties and loading frequency of viscoelastic damper

圖6為不同幅值下低周疲勞加載的第2圈與第29圈滯回曲線的對比?？梢钥闯鲈诮涍^應變幅值為10 mm的低周疲勞試驗,滯回曲線變化不大,表示阻尼器抗疲勞性能好;15 mm低周疲勞試驗前后,滯回曲線峰值荷載降低,耗能衰減增大。

表4給出了低周疲勞試驗前后試件的性能參數變化。數據顯示,隨著應變幅值增加,存儲剪切彈性模量的衰減變化不大,均低于10%;損失剪切彈性模量的衰減變化較大,均為20%左右;損失系數的衰減變化不大,均為10%左右;等效剛度的衰減也保持20%以下?？梢?足尺試件在小應變幅值表現出較好的低周疲勞性能。

圖6 不同幅值下的低周疲勞試驗結果Fig.6 Test results of low cycle fatigue behavior under different strain amplitudes

表4 試件不同幅值下力學性能指標的變化

4 結論

本文自主研發了損失系數不小于0.5的黏彈性材料,并基于此材料研發了新型黏彈性阻尼器。該新型阻尼器不管在外觀、尺寸、力學參數性能方面均滿足相關規范要求[11],且阻尼器的力學性能受頻率、溫度的影響較小,力學性能穩定。相比國內外大部分黏彈性阻尼器具有耗能能力良好、變形能力大等優點,具有一定的工程應用價值。主要研究結論如下:

(1) 在所有試驗工況下,試驗前后試件外觀無明顯變化。在應變幅值達到350%的大應變下,黏彈性阻尼器仍能正常工作,黏彈性體與鋼板黏結完好,黏彈性體無明顯撕裂、破壞,也無明顯殘余變形。黏彈性阻尼器有較強的變形能力。

(2) 應變幅值對試件的力學參數影響較大。當試件的應變幅值小于100%時,損失系數隨應變幅值增加而減小,當應變幅值為100%～350%時,損失系數隨應變幅值增加變化很小。

(3) 黏彈性阻尼器性能的頻率相關性較小。隨著加載頻率的增加,試件存儲剪切彈性模量、損失剪切彈性模量和等效剪切剛度都呈增大趨勢,而等效阻尼系數呈減小趨勢;損失系數在0.35上下波動,呈小幅的增加趨勢。

(4) 在疲勞試驗中,隨著幅值的增加,黏彈性阻尼器各項力學指標的疲勞衰減基本都在15%左右,滿足規范要求,表現出較好的抗疲勞性,少數參數衰減達到20%,后期需要繼續研究。

(5) 和縮尺試驗對比,足尺試件試驗后計算的等效剪切剛度是理論預測等效剪切剛度的80%左右,相關性能也弱于縮尺試件。分析原因可能是冷黏時黏結效果不好,導致加載時的阻尼力減小,另外,黏彈性材料層面積大,不易散熱,易軟化,加載后放置時間不足,阻尼器損傷不容易恢復,從而導致試驗結果不太理想,后期需要繼續改善。