黏弹性阻尼器抗震疲劳试验加载制度试验研究

周 颖 刘晓芳 汪 盟

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

0 引 言

黏弹性阻尼器作为一种被动控制装置，已广泛应用于建筑结构的消能减振。它主要通过黏弹性材料剪切变形时，剪应力和剪应变之间的相位差来耗散能量，增加结构的附加阻尼，减小结构在风振作用或地震作用下的动力响应。

黏弹性阻尼器在国外应用得比较早［1］。20世纪70 年代，黏弹性阻尼器首次应用于纽约世贸中心双塔结构中，每个塔结构上安装了10 000 余个黏弹性阻尼器以减小结构的风振反应，经过多次台风检验，减震效果良好。20世纪80年代西雅图的哥伦比亚海员大楼和联合广场二期大楼也安装了黏弹性阻尼器来减小结构的风振响应。20 世纪90 年代，黏弹性阻尼器开始用于建筑结构的抗震加固。2008 年汶川地震后，黏弹性阻尼器在我国的应用也逐渐增多。南京报恩寺新塔中安装了112 个黏弹性阻尼器，以提高其抗震性能。目前国内外已有众多研究学者对黏弹性阻尼器的基本力学性能以及耗能减震性能进行了研究，结果表明黏弹性阻尼器可以有效增加结构的阻尼，提高结构的耗能减震能力［2-3］。

为了规范黏弹性阻尼器在消能减震工程中的应用，我国制定了黏弹性阻尼器相关的规程规范［4-6］。目前主要有三部——《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）以及《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012），对黏弹性阻尼器的技术性能以及设计要点等做出了相关规定。

1 改进的抗震疲劳试验加载制度的提出

为了保证地震下的抗震疲劳性能，我国现有规范对黏弹性阻尼器疲劳性能的规定如下：在设计位移和设计频率下加载30 圈后，各项力学性能的衰减量不超过15%。目前研究表明，许多性能优良的黏弹性阻尼器的抗震疲劳性能，均难以满足现有规范限值的要求。赵刚等试验中某黏弹性阻尼器的储能剪切模量和耗能剪切模量分别下降了26%和24%［7］；周云等试验中某黏弹性阻尼器的最大阻尼力衰减量为38%，储能剪切模量衰减量为35%，耗能剪切模量衰减量为47%［8］；周颖等试验中某黏弹性阻尼器的表观剪切模量降低了31%，耗能剪切模量降低了40%［9］。以上抗震疲劳试验中，黏弹性阻尼器的部分力学性能指标的衰减量均与现行规范限值15%存在一定差距。

由于黏弹性材料的力学特性，搁置一段时间后，其力学性能会得到较好的恢复。基于此，笔者提出了一种改进的抗震疲劳试验加载制度，即先以100%应变幅值预加载5 圈以剔除初始刚度的影响，再按照“5 圈100%应变幅值→20 圈50%应变幅值→5圈100%应变幅值”的加载制度进行30圈加载，其合理性已从能量角度进行了验证，结果表明虽然改进的加载制度降低了部分应变幅值，但是该疲劳制度下黏弹性阻尼器的疲劳耗能大于绝大部分天然地震动下的耗能［10］。本文基于现行的和改进的抗震疲劳试验加载制度，对两个相同黏弹性阻尼器进行试验研究，检验改进的抗震疲劳试验加载制度的合理性。

2 试验概况

2.1 试件设计

本次实验采用了两个相同的黏弹性阻尼器试件，Z1、Z2，均由日本住友理工株式会社提供。每个阻尼器由3 块钢板与2 层黏弹性材料层叠加而成，黏弹性材料层尺寸为70 mm×40 mm×5 mm，试件具体尺寸及照片如图1所示。

图1 黏弹性阻尼器试件Fig.1 Viscoelastic damper specimen

2.2 试验加载

试验加载装置采用MTS 拉压试验机（图2），其最大出力为250 kN，空载时最大加载位移约为800 mm。试验加载采用位移控制方式，位移为正弦波输入。加载时的力和位移数据均由该装置采集，试验室的环境温度以及黏弹性材料层的温度分别由电子测温计和测温仪测得并记录。

图2 试验加载装置Fig.2 Loading setup of the test

为研究黏弹性阻尼器在现行疲劳试验加载制度下的性能，在100%应变幅值和0.1 Hz加载频率下，对试件Z1 连续正弦加载30 圈次。为研究黏弹性阻尼器在改进抗震疲劳试验加载制度下的疲劳性能，在0.1 Hz 的加载频率下，对试件Z2 加载：100%应变幅值下预加载5 圈→100%应变幅值加载5 圈→50%应变幅值加载20 圈→100%应变幅值加载5 圈。两试件的具体加载制度如表1所示。

表1 黏弹性阻尼器试验加载制度Table 1 Test scheme of viscoelastic dampers

3 试验结果

3.1 试验现象

试验加载前后，试件Z1、Z2 无明显变化。黏弹性材料与钢板黏结完好，黏弹性材料无明显撕裂破坏，也无明显残余变形。试验加载过程中，试验室温度保持在（21±2）℃。加载过程中两试件均未出现明显升温现象。

3.2 试验分析

3.2.1 基本力学性能

根据现行规范中关于黏弹性阻尼器基本力学性能的规定：控制黏弹性阻尼器位移μ=μ0sin（ωt），在工作频率f1下，做5 次具有稳定滞回曲线的循环；取第3 次循环的滞回曲线，其最大阻尼力值作为最大阻尼力的实测值，并计算其基本力学性能参数。本次试验中，该黏弹性阻尼器的位移幅值μ0为5 mm，基本工作频率f1为0.1 Hz。根据试验数据，绘制该黏弹性阻尼器的典型滞回曲线如图3 所示。该黏弹性阻尼器的滞回曲线比较饱满，呈现混合非线性特征。两试件各基本力学性能参数值如表2 所示。其中，损耗因子均值为0.66，等效阻尼比均值为0.36，表明该黏弹性阻尼器的耗能能力优越。

表2 基本力学性能Table 2 Basic mechanical properties

图3 典型滞回曲线Fig.3 Basic mechanical properties

3.2.2 现行加载制度下的疲劳性能

基于现行抗震疲劳试验加载制度，取试件Z1连续加载30圈的试验数据进行分析。

试件Z1 各加载圈次的滞回曲线以及各力学性能如图4 所示。由图4（a）可知，疲劳加载过程中，该黏弹性阻尼器的滞回曲线比较饱满，初始刚度略大。前2 圈加载后，滞回曲线形状以及各项力学性能基本稳定下来。如图4（b）-（f）所示，随着加载圈次的增加，最大阻尼力、等效刚度、表观剪切模量、储能剪切模量、耗能剪切模量均呈明显下降趋势。损耗因子和等效阻尼比的下降趋势不明显，前3 圈加载后，基本处于比较稳定的状态，略有波动。对第3圈与第30圈的基本力学性能进行比较，结果见表3。其中最大阻尼力、等效刚度、表观剪切模量、耗能剪切模量的衰减量分别为16.8%、16.7%、16.7%、15.7%，超过了规范15%的限值要求。

表3 两种疲劳试验加载制度下的力学性能参数比较Table 3 Mechanical property comparison under two fatigue loading protocols

图4 现行疲劳试验加载制度下的力学性能Fig.4 Mechanical properties under the current fatigue loading protocol

3.2.3 改进加载制度下的疲劳性能

基于改进加载制度，取试件Z2 正式加载30圈的试验数据进行研究分析。由于该试验前已进行频率相关性试验，结果表明加载频率对该黏弹性阻尼器性能影响比较小，因此可以忽略由于加载幅值变化引起的加载速率对试验结果的影响。如图5（a）所示，改进的加载制度下所有加载圈次的滞回曲线均比较饱满。前后两段应变幅值为100%的加载，得到的最大阻尼力、等效刚度、表观剪切模量和储能剪切模量，均随加载周次的增加而略减小，且后一段的初始圈次（总第26 圈）值，要大于前一段末尾圈次（总第5 圈）的值；损耗因子则呈现相反的规律，两段应变幅值100%加载中，均呈现增大的趋势，且后一段初始圈次（总第26 圈）值，要小于前一段末尾圈次（总第5 圈）的值；耗能剪切模量和等效阻尼比在前后两段加载中并未表现出一致的变化规律。在应变幅值为50%的20 圈中，随加载周次的增加，最大阻尼力、等效刚度和表观剪切模量比较稳定，储能剪切模量呈增大趋势，耗能剪切模量小幅波动，损耗因子和等效阻尼比整体呈下降趋势。比较正式加载的第3 圈和第30 圈，最大阻尼力、等效刚度、表观剪切模量、储能剪切模量、耗能剪切模量和等效阻尼比的衰减量分别为5.0%、5.2%、5.2%、7.0%、2.6%和1.8%，损耗因子增加了4.8%。改进的加载制度下，各力学性能指标的衰减量均不大于8%（大幅小于15%）。

图5 改进疲劳试验加载制度下的力学性能Fig.5 Mechanical properties under the improved fatigue loading protocol

4 结 论

本文基于现行黏弹性阻尼器抗震疲劳试验加载制度和提出的改进抗震疲劳试验加载制度，对两个相同的黏弹性阻尼器试件进行了抗震疲劳试验研究，得到的主要结论如下：

（1）该黏弹性阻尼器在100%应变幅值、0.1 Hz 加载频率下，等效阻尼比达0.36，具有良好的滞回耗能性能。

（2）在现行抗震疲劳试验加载制度下，疲劳加载后该黏弹性阻尼器的最大阻尼力、等效刚度、表观剪切模量、耗能剪切模量的衰减量分别为16.8%、16.7%、16.7%、15.7%，超过了现行规范15%的限值要求。

（3）在改进抗震疲劳试验加载制度下，疲劳试验加载后该黏弹性阻尼器的各力学性能参数的衰减量均不大于8%。

（4）与现行的抗震疲劳试验加载制度相比，采用改进的抗震疲劳试验加载制度后，黏弹性阻尼器大部分力学性能参数的计算衰减量减小。采用改进的疲劳试验加载制度，能够更好地体现黏弹性阻尼器良好的抗震疲劳试验性能，有利于更多性能优良的黏弹性阻尼器的推广应用。