周 穎 劉曉芳 汪 盟

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

0 引 言

黏彈性阻尼器作為一種被動(dòng)控制裝置，已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的消能減振。它主要通過(guò)黏彈性材料剪切變形時(shí)，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變之間的相位差來(lái)耗散能量，增加結(jié)構(gòu)的附加阻尼，減小結(jié)構(gòu)在風(fēng)振作用或地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

黏彈性阻尼器在國(guó)外應(yīng)用得比較早［1］。20世紀(jì)70 年代，黏彈性阻尼器首次應(yīng)用于紐約世貿(mào)中心雙塔結(jié)構(gòu)中，每個(gè)塔結(jié)構(gòu)上安裝了10 000 余個(gè)黏彈性阻尼器以減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)，經(jīng)過(guò)多次臺(tái)風(fēng)檢驗(yàn)，減震效果良好。20世紀(jì)80年代西雅圖的哥倫比亞海員大樓和聯(lián)合廣場(chǎng)二期大樓也安裝了黏彈性阻尼器來(lái)減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。20 世紀(jì)90 年代，黏彈性阻尼器開(kāi)始用于建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固。2008 年汶川地震后，黏彈性阻尼器在我國(guó)的應(yīng)用也逐漸增多。南京報(bào)恩寺新塔中安裝了112 個(gè)黏彈性阻尼器，以提高其抗震性能。目前國(guó)內(nèi)外已有眾多研究學(xué)者對(duì)黏彈性阻尼器的基本力學(xué)性能以及耗能減震性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明黏彈性阻尼器可以有效增加結(jié)構(gòu)的阻尼，提高結(jié)構(gòu)的耗能減震能力［2-3］。

為了規(guī)范黏彈性阻尼器在消能減震工程中的應(yīng)用，我國(guó)制定了黏彈性阻尼器相關(guān)的規(guī)程規(guī)范［4-6］。目前主要有三部——《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）、《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）以及《建筑消能阻尼器》（JG/T 209—2012），對(duì)黏彈性阻尼器的技術(shù)性能以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)等做出了相關(guān)規(guī)定。

1 改進(jìn)的抗震疲勞試驗(yàn)加載制度的提出

為了保證地震下的抗震疲勞性能，我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)黏彈性阻尼器疲勞性能的規(guī)定如下：在設(shè)計(jì)位移和設(shè)計(jì)頻率下加載30 圈后，各項(xiàng)力學(xué)性能的衰減量不超過(guò)15%。目前研究表明，許多性能優(yōu)良的黏彈性阻尼器的抗震疲勞性能，均難以滿足現(xiàn)有規(guī)范限值的要求。趙剛等試驗(yàn)中某黏彈性阻尼器的儲(chǔ)能剪切模量和耗能剪切模量分別下降了26%和24%［7］；周云等試驗(yàn)中某黏彈性阻尼器的最大阻尼力衰減量為38%，儲(chǔ)能剪切模量衰減量為35%，耗能剪切模量衰減量為47%［8］；周穎等試驗(yàn)中某黏彈性阻尼器的表觀剪切模量降低了31%，耗能剪切模量降低了40%［9］。以上抗震疲勞試驗(yàn)中，黏彈性阻尼器的部分力學(xué)性能指標(biāo)的衰減量均與現(xiàn)行規(guī)范限值15%存在一定差距。

由于黏彈性材料的力學(xué)特性，擱置一段時(shí)間后，其力學(xué)性能會(huì)得到較好的恢復(fù)?；诖耍P者提出了一種改進(jìn)的抗震疲勞試驗(yàn)加載制度，即先以100%應(yīng)變幅值預(yù)加載5 圈以剔除初始剛度的影響，再按照“5 圈100%應(yīng)變幅值→20 圈50%應(yīng)變幅值→5圈100%應(yīng)變幅值”的加載制度進(jìn)行30圈加載，其合理性已從能量角度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明雖然改進(jìn)的加載制度降低了部分應(yīng)變幅值，但是該疲勞制度下黏彈性阻尼器的疲勞耗能大于絕大部分天然地震動(dòng)下的耗能［10］。本文基于現(xiàn)行的和改進(jìn)的抗震疲勞試驗(yàn)加載制度，對(duì)兩個(gè)相同黏彈性阻尼器進(jìn)行試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)改進(jìn)的抗震疲勞試驗(yàn)加載制度的合理性。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用了兩個(gè)相同的黏彈性阻尼器試件，Z1、Z2，均由日本住友理工株式會(huì)社提供。每個(gè)阻尼器由3 塊鋼板與2 層黏彈性材料層疊加而成，黏彈性材料層尺寸為70 mm×40 mm×5 mm，試件具體尺寸及照片如圖1所示。

圖1 黏彈性阻尼器試件Fig.1 Viscoelastic damper specimen

2.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載裝置采用MTS 拉壓試驗(yàn)機(jī)（圖2），其最大出力為250 kN，空載時(shí)最大加載位移約為800 mm。試驗(yàn)加載采用位移控制方式，位移為正弦波輸入。加載時(shí)的力和位移數(shù)據(jù)均由該裝置采集，試驗(yàn)室的環(huán)境溫度以及黏彈性材料層的溫度分別由電子測(cè)溫計(jì)和測(cè)溫儀測(cè)得并記錄。

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Loading setup of the test

為研究黏彈性阻尼器在現(xiàn)行疲勞試驗(yàn)加載制度下的性能，在100%應(yīng)變幅值和0.1 Hz加載頻率下，對(duì)試件Z1 連續(xù)正弦加載30 圈次。為研究黏彈性阻尼器在改進(jìn)抗震疲勞試驗(yàn)加載制度下的疲勞性能，在0.1 Hz 的加載頻率下，對(duì)試件Z2 加載：100%應(yīng)變幅值下預(yù)加載5 圈→100%應(yīng)變幅值加載5 圈→50%應(yīng)變幅值加載20 圈→100%應(yīng)變幅值加載5 圈。兩試件的具體加載制度如表1所示。

表1 黏彈性阻尼器試驗(yàn)加載制度Table 1 Test scheme of viscoelastic dampers

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)加載前后，試件Z1、Z2 無(wú)明顯變化。黏彈性材料與鋼板黏結(jié)完好，黏彈性材料無(wú)明顯撕裂破壞，也無(wú)明顯殘余變形。試驗(yàn)加載過(guò)程中，試驗(yàn)室溫度保持在（21±2）℃。加載過(guò)程中兩試件均未出現(xiàn)明顯升溫現(xiàn)象。

3.2 試驗(yàn)分析

3.2.1 基本力學(xué)性能

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于黏彈性阻尼器基本力學(xué)性能的規(guī)定：控制黏彈性阻尼器位移μ=μ0sin（ωt），在工作頻率f1下，做5 次具有穩(wěn)定滯回曲線的循環(huán)；取第3 次循環(huán)的滯回曲線，其最大阻尼力值作為最大阻尼力的實(shí)測(cè)值，并計(jì)算其基本力學(xué)性能參數(shù)。本次試驗(yàn)中，該黏彈性阻尼器的位移幅值μ0為5 mm，基本工作頻率f1為0.1 Hz。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制該黏彈性阻尼器的典型滯回曲線如圖3 所示。該黏彈性阻尼器的滯回曲線比較飽滿，呈現(xiàn)混合非線性特征。兩試件各基本力學(xué)性能參數(shù)值如表2 所示。其中，損耗因子均值為0.66，等效阻尼比均值為0.36，表明該黏彈性阻尼器的耗能能力優(yōu)越。

表2 基本力學(xué)性能Table 2 Basic mechanical properties

圖3 典型滯回曲線Fig.3 Basic mechanical properties

3.2.2 現(xiàn)行加載制度下的疲勞性能

基于現(xiàn)行抗震疲勞試驗(yàn)加載制度，取試件Z1連續(xù)加載30圈的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

試件Z1 各加載圈次的滯回曲線以及各力學(xué)性能如圖4 所示。由圖4（a）可知，疲勞加載過(guò)程中，該黏彈性阻尼器的滯回曲線比較飽滿，初始剛度略大。前2 圈加載后，滯回曲線形狀以及各項(xiàng)力學(xué)性能基本穩(wěn)定下來(lái)。如圖4（b）-（f）所示，隨著加載圈次的增加，最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、儲(chǔ)能剪切模量、耗能剪切模量均呈明顯下降趨勢(shì)。損耗因子和等效阻尼比的下降趨勢(shì)不明顯，前3 圈加載后，基本處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，略有波動(dòng)。對(duì)第3圈與第30圈的基本力學(xué)性能進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。其中最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、耗能剪切模量的衰減量分別為16.8%、16.7%、16.7%、15.7%，超過(guò)了規(guī)范15%的限值要求。

表3 兩種疲勞試驗(yàn)加載制度下的力學(xué)性能參數(shù)比較Table 3 Mechanical property comparison under two fatigue loading protocols

圖4 現(xiàn)行疲勞試驗(yàn)加載制度下的力學(xué)性能Fig.4 Mechanical properties under the current fatigue loading protocol

3.2.3 改進(jìn)加載制度下的疲勞性能

基于改進(jìn)加載制度，取試件Z2 正式加載30圈的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。由于該試驗(yàn)前已進(jìn)行頻率相關(guān)性試驗(yàn)，結(jié)果表明加載頻率對(duì)該黏彈性阻尼器性能影響比較小，因此可以忽略由于加載幅值變化引起的加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。如圖5（a）所示，改進(jìn)的加載制度下所有加載圈次的滯回曲線均比較飽滿。前后兩段應(yīng)變幅值為100%的加載，得到的最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量和儲(chǔ)能剪切模量，均隨加載周次的增加而略減小，且后一段的初始圈次（總第26 圈）值，要大于前一段末尾圈次（總第5 圈）的值；損耗因子則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，兩段應(yīng)變幅值100%加載中，均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且后一段初始圈次（總第26 圈）值，要小于前一段末尾圈次（總第5 圈）的值；耗能剪切模量和等效阻尼比在前后兩段加載中并未表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。在應(yīng)變幅值為50%的20 圈中，隨加載周次的增加，最大阻尼力、等效剛度和表觀剪切模量比較穩(wěn)定，儲(chǔ)能剪切模量呈增大趨勢(shì)，耗能剪切模量小幅波動(dòng)，損耗因子和等效阻尼比整體呈下降趨勢(shì)。比較正式加載的第3 圈和第30 圈，最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、儲(chǔ)能剪切模量、耗能剪切模量和等效阻尼比的衰減量分別為5.0%、5.2%、5.2%、7.0%、2.6%和1.8%，損耗因子增加了4.8%。改進(jìn)的加載制度下，各力學(xué)性能指標(biāo)的衰減量均不大于8%（大幅小于15%）。

圖5 改進(jìn)疲勞試驗(yàn)加載制度下的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties under the improved fatigue loading protocol

4 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)行黏彈性阻尼器抗震疲勞試驗(yàn)加載制度和提出的改進(jìn)抗震疲勞試驗(yàn)加載制度，對(duì)兩個(gè)相同的黏彈性阻尼器試件進(jìn)行了抗震疲勞試驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論如下：

（1）該黏彈性阻尼器在100%應(yīng)變幅值、0.1 Hz 加載頻率下，等效阻尼比達(dá)0.36，具有良好的滯回耗能性能。

（2）在現(xiàn)行抗震疲勞試驗(yàn)加載制度下，疲勞加載后該黏彈性阻尼器的最大阻尼力、等效剛度、表觀剪切模量、耗能剪切模量的衰減量分別為16.8%、16.7%、16.7%、15.7%，超過(guò)了現(xiàn)行規(guī)范15%的限值要求。

（3）在改進(jìn)抗震疲勞試驗(yàn)加載制度下，疲勞試驗(yàn)加載后該黏彈性阻尼器的各力學(xué)性能參數(shù)的衰減量均不大于8%。

（4）與現(xiàn)行的抗震疲勞試驗(yàn)加載制度相比，采用改進(jìn)的抗震疲勞試驗(yàn)加載制度后，黏彈性阻尼器大部分力學(xué)性能參數(shù)的計(jì)算衰減量減小。采用改進(jìn)的疲勞試驗(yàn)加載制度，能夠更好地體現(xiàn)黏彈性阻尼器良好的抗震疲勞試驗(yàn)性能，有利于更多性能優(yōu)良的黏彈性阻尼器的推廣應(yīng)用。