胡 梅, 张耀庭, 孙江波, 潘 鹏

(1. 华中科技大学土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074; 2.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 100084; 3. 北京羿射旭科技有限公司, 北京 100023)

0 引言

黏弹性阻尼器是一种常见的被动消能减震装置,具有能同时提供刚度和阻尼、零位移时开始耗能、反应灵敏、布置灵活等优点,具有广泛的工程应用前景[1-3]。早在50年代黏弹性阻尼器就已用于军事、航空航天和机械工程的减振中,在建筑结构中的应用则始于1972年建成的美国纽约110层的世界贸易大厦,共安装了10 000个黏弹性阻尼器。根据对世界贸易大厦风振反应的观察可知,黏弹性阻尼器用于控制高层建筑和高耸结构风振反应的效果是极佳的[4]。黏弹性阻尼器应用于结构地震反应的控制则是在最近几年。在地震作用下结构的最大变形通常显著大于风荷载作用下的结构最大变形。因此,开发出适用于大变形的黏弹性阻尼器是其能够应用于工程结构抗震的关键。

1998年吴波,郭安薪针对ZN-1和ZN-2两种国产黏弹性材料制作了黏弹性阻尼器,在不同激振频率、变形幅值和环境温度下进行了阻尼器的基本力学性能试验,共计140余的工况,给出了激振频率、环境温度和应变幅值对黏弹性材料性能的影响情况[5]。1999年,欧进萍,邹向阳选用北京703所生产的ZN-1型、常州兰陵橡胶生产的 ZN-05和ZN-22型等黏弹性材料制作的黏弹性阻尼器进行了变频、变温、变应变、常温与低温疲劳以及极限变形等大量试验,研究表明,环境温度和加载频率两项因素对于试验所用阻尼器性能影响明显,故该种黏弹性阻尼器只能在一定的温度和频率范围内适用于实际工程[6]。2001年徐赵东等用一种常州橡胶厂生产的ZN22黏弹性材料制作的黏弹性阻尼器进行了性能试验,并提出了一种基于标准线性固体模型和温频等效原则的等效标准固体模型[7-8]。目前,我国研究人员对国产黏弹性阻尼器进行的实验研究主要针对小变形,而且实验结果表明国产黏弹性材料的力学性能受温度和频率影响显著。

同济大学周颖和龚顺明对5个日本生产的黏弹性阻尼器进行了动力荷载试验[9]。清华大学赵刚和潘鹏对日本生产的黏弹性阻尼器进行了温度依存性,频率依存性和幅值依存性实验[10]。实验结果表明,日本的黏弹性阻尼器耗能性能较好,且温度依存性较小。国产黏弹性阻尼器的性能与其相比尚有一定的差距。为此,课题组自主研发了损失系数不小于0.5的黏弹性材料,并基于此材料研发了国产黏弹性阻尼器。对国产黏弹性阻尼器的基本力学性能进行了足尺试验,研究了加载频率、应变幅值对黏弹性阻尼器性能的影响,研究了黏弹性阻尼器在不同应变幅值下的低周疲劳性能及极限变形能力。

1 试验设计

1.1 黏弹性阻尼器的性能指标

黏弹性阻尼器的动力学参数主要有:存储剪切弹性模量G′,定义为阻尼器峰值应变时的应力与应变的比值,体现了阻尼器在剪切变形中的弹性性能,用来度量每个循环加载存储的能量;剪切损失模量G″定义为加载循环中位移为零时,所对应的应力与峰值应变的比值,体现了阻尼器的黏滞特性,用来表征每个加载循环中,黏弹性材料剪切变形时转换成热能耗散的能量;损失系数η定义为剪切损失模量与剪切存储模量的比值,是衡量黏弹性阻尼器耗能能力的主要指标,在产生相同的弹性能的情况下,损失系数越大,阻尼器耗散的能量越多;等效剪切刚度Keq定义为变形幅值下的恢复力和位移之比,体现位移型阻尼器的特性;等效阻尼系数Ceq定义为阻尼器单圈的耗能与一个周期内总变形能的比值,体现阻尼器的耗能特性。根据黏弹性阻尼器在各工况下的滞回曲线,可分别计算出阻尼器的基本力学参数。本文重点考察G′、G″、η、Keq和Ceq这五项指标在不同温度、不同应变幅值以及不同加载频率下的变化规律。

1.2 试件设计

参照前期缩尺试验试件的参数,黏弹性阻尼器足尺试件的材料层取2层,每层10 mm厚,200%变形下(Umax=20 mm),设计20 t位下的足尺试件。足尺试件的设计尺寸见表1所列。阻尼器通过10.9级高强螺栓与连接板相连,连接板与上下梁再通过普通C级螺栓连接。足尺试件尺寸如图1所示。

为方便与加载设备连接,钢板两端伸出并开设螺栓孔。黏弹性材料与通过冷黏与钢板稳固黏结,加载过程中,通过作动器使钢板发生相对位移,带动黏弹性材料发生剪切变形。

表1 黏弹性阻尼器试件参数

图1 黏弹性阻尼器足尺试件Fig.1 Full-scale specimen of the viscoelastic damper

1.3 加载方案

加载装置见图2所示,在铰接钢框架中固定足尺试件,通过设计的连接件将试件内层钢板与外层钢板分别用螺栓固定于框架上下梁,通过一动态电液伺服FCS佛力系统作动器推拉上梁,使框架上下梁产生剪切错动,带动阻尼器内外层钢板产生水平相对位移。试件连接的底座可调节高度,以便于适用于不同规格的试件和试件更换。

此外,还设置温度计,以监测环境温度,试验在河北固安佛力系统工厂完成,室温为5 ℃左右,考虑缩尺试验所得的结果:该新型的黏弹性阻尼器与温度相关性较小。后期分析时不考虑温度对其结果的影响。

加载工况见表2所列。试验加载模式为:位移控制,动态加载。忽略温度相关性,考虑阻尼器在不同位移加载幅值和不同加载频率下的性能以及它的低周疲劳性。

图2 加载装置图Fig.2 Loading device

表2 黏弹性阻尼器试验试验方案Table 2 Test schemes of viscoelastic damper

TEST-1工况标准试验工况。加载中在应变幅值100%,加载频率0.5 Hz,常温(20 ℃)条件下得到3次稳定的滞回曲线循环,取第3次循环的滞回曲线测量标准工况下黏弹性阻尼器的力学性能。

为了研究阻尼器性能的应变幅值相关性,TEST-2工况在常温(20 ℃)、加载频率0.5 Hz条件下,进行不同应变幅值加载,研究试件在50%、100%、150%、200%四种加载幅值下的性能。

为了研究阻尼器性能的加载频率相关性,TEST-3工况是在常温下(20 ℃)、加载幅值100%条件下,进行不同频率加载,研究试件在0.3 Hz、0.5 Hz、0.7 Hz、1.0 Hz四种加载频率下的性能。

为了研究阻尼器低周疲劳性能,TEST-4工况是在常温(20 ℃)、加载频率0.5 Hz下,研究不同变形幅值下试件的疲劳性能。在研究低周疲劳性能时进行30次往复加载。

考虑到黏弹性阻尼器性能可随时间逐渐恢复的特性,以及阻尼器实际工作状态,可采用同一试件进行多种工况加载,每次加载前将试件在预定温度下放置 0.5 h。

2 基本力学性能

2.1 标准工况下力学参数

试验前后试件在外观上无明显变化。在应变幅值达到350%的大应变下,试件仍能正常工作,黏弹性体与钢板黏结完好,黏弹性体无明显撕裂、破坏,也无明显残余变形。试件有较强的变形能力。在多次往复加载过程中,黏弹性材料通过发热耗能,导致试验中钢板温度略有升高。试验结束后把试件推到1000%(100 mm)的大幅值下,试件黏弹性材料分片被拉开,材料的黏接性不太好。阻尼器在各种试验工况下试验滞回曲线光滑无异常,满足《建筑消能减震技术规程》[11]要求。

图3为黏弹性足尺阻尼器在标准工况下(TEST-1)试件的滞回曲线。由图可知,试件在标准工况下的滞回曲线较狭长,耗能一般。相比缩尺试件滞回耗能曲线,后期分析原因可能是加工试件时冷黏效果不好,导致阻尼力较小。表3给出了足尺试件在标准工况下的力学参数,试件的损失系数为0.33。

2.2 应变幅值相关性

为了研究阻尼器性能的应变幅值相关性,对足尺试件在常温下(20 ℃)、加载频率0.5 Hz时,进行了50%、100%、150%、200%四种应变幅值下的加载试验。阻尼器力学参数G′、G″、η、Keq和Ceq在不同幅值下的变化曲线如图4所示。

图3 标准工况下试件滞回曲线Fig.3 Hysteretic curve of specimen under standard working condition

表3 试件在标准工况下的力学指标值

如图4(a)～(e)所示,应变幅值对试件的力学参数影响较大。试件的存储剪切模量、损失剪切模量、等效刚度及等效阻尼系数这4个力学参数均随应变幅值增大而呈下降趋势;在各应变幅值下,损失系数均大于0.3,当试件的应变幅值小于100%时,损失系数随应变幅值增加而减小,当应变幅值为100%～350%时,损失系数随应变幅值增加变化很小。

2.3 频率相关性

为了研究阻尼器性能的加载频率相关性,对试件在常温下(20 ℃)、加载幅值100%时,进行了0.3 Hz、0.5 Hz、0.7 Hz、1.0 Hz四种频率下的加载试验。阻尼器力学参数G′、G″、η、Keq和Ceq在不同频率下的变化曲线如图5所示。

如图5(a)～(e)所示,随着加载频率的增加,试件存储剪切弹性模量、损失剪切弹性模量和等效剪切刚度都呈增大趋势,而等效阻尼系数呈减小趋势;损失系数在0.35左右波动,呈小幅的增加趋势。

3 低周疲劳性

对试件在0.5 Hz,20 ℃常温下,采用不同应变幅值下进行30圈低周疲劳加载。对比第2圈和29圈数据,分析不同幅值下阻尼器性能变化。

图4 黏弹性阻尼器力学性能与应变幅值的相关性Fig.4 Correlation between mechanical properties and strain amplitude of viscoelastic damper

图5 黏弹性阻尼器力学性能与频率的相关性Fig.5 Correlation between mechanical properties and loading frequency of viscoelastic damper

图6为不同幅值下低周疲劳加载的第2圈与第29圈滞回曲线的对比。可以看出在经过应变幅值为10 mm的低周疲劳试验,滞回曲线变化不大,表示阻尼器抗疲劳性能好;15 mm低周疲劳试验前后,滞回曲线峰值荷载降低,耗能衰减增大。

表4给出了低周疲劳试验前后试件的性能参数变化。数据显示,随着应变幅值增加,存储剪切弹性模量的衰减变化不大,均低于10%;损失剪切弹性模量的衰减变化较大,均为20%左右;损失系数的衰减变化不大,均为10%左右;等效刚度的衰减也保持20%以下。可见,足尺试件在小应变幅值表现出较好的低周疲劳性能。

图6 不同幅值下的低周疲劳试验结果Fig.6 Test results of low cycle fatigue behavior under different strain amplitudes

表4 试件不同幅值下力学性能指标的变化

4 结论

本文自主研发了损失系数不小于0.5的黏弹性材料,并基于此材料研发了新型黏弹性阻尼器。该新型阻尼器不管在外观、尺寸、力学参数性能方面均满足相关规范要求[11],且阻尼器的力学性能受频率、温度的影响较小,力学性能稳定。相比国内外大部分黏弹性阻尼器具有耗能能力良好、变形能力大等优点,具有一定的工程应用价值。主要研究结论如下:

(1) 在所有试验工况下,试验前后试件外观无明显变化。在应变幅值达到350%的大应变下,黏弹性阻尼器仍能正常工作,黏弹性体与钢板黏结完好,黏弹性体无明显撕裂、破坏,也无明显残余变形。黏弹性阻尼器有较强的变形能力。

(2) 应变幅值对试件的力学参数影响较大。当试件的应变幅值小于100%时,损失系数随应变幅值增加而减小,当应变幅值为100%～350%时,损失系数随应变幅值增加变化很小。

(3) 黏弹性阻尼器性能的频率相关性较小。随着加载频率的增加,试件存储剪切弹性模量、损失剪切弹性模量和等效剪切刚度都呈增大趋势,而等效阻尼系数呈减小趋势;损失系数在0.35上下波动,呈小幅的增加趋势。

(4) 在疲劳试验中,随着幅值的增加,黏弹性阻尼器各项力学指标的疲劳衰减基本都在15%左右,满足规范要求,表现出较好的抗疲劳性,少数参数衰减达到20%,后期需要继续研究。

(5) 和缩尺试验对比,足尺试件试验后计算的等效剪切刚度是理论预测等效剪切刚度的80%左右,相关性能也弱于缩尺试件。分析原因可能是冷黏时黏结效果不好,导致加载时的阻尼力减小,另外,黏弹性材料层面积大,不易散热,易软化,加载后放置时间不足,阻尼器损伤不容易恢复,从而导致试验结果不太理想,后期需要继续改善。