高效耗能阻尼器性能试验及理论研究

　　摘要： 研发一种高效耗能新型阻尼器，对其进行不同位移幅值和加载频率下的力学性能试验，研究阻尼器的滞回耗能性能和位移频率相关性。根据该新型阻尼器构造特点及工作原理，建立力学分析模型，并对附加该阻尼器的建筑结构在地震作用下的动力响应进行分析。研究结果表明：相对于普通黏滞阻尼器，新型阻尼器阻尼力有显著提升，滞回曲线更加饱满，表现出更强的耗能性能;力学性能的位移频率相关性明显，阻尼力随加载位移频率的增大而增大;速度-力、位移-力试验曲线均与理论曲线吻合较好，力学分析模型合理;可减小结构自身黏滞阻尼耗能和滞回耗能，降低结构动力响应。

　　关键词： 黏滞阻尼器; 性能试验; 滞回曲线; 恢复力模型; 地震响应

　　《振动.测试与诊断》是由国防科工委主管，全国高校机械工程测试技术研究会和南京航天大学联合主办，是反映振动、动态测试及故障诊断学科领域的科研成果及其应用情况的技术性刊物。

　　引 言

　　黏滞阻尼器自20世纪80年代引入土木工程领域以来，取得了快速发展。因具有滞回曲线饱满，耗能能力强、性能稳定可靠等诸多优势，目前已成为降低风、地震等荷载作用下结构动力响应的有效对策，在国内外新建工程设计和既有工程加固改造中得到广泛应用[1-3]。美国学者Taylor，Constantinou，Reinhorn及Makris等[4-7]对应用在工程结构中的黏滞阻尼器进行试验研究，提出了黏滞阻尼器力学分析模型，并对附加黏滞阻尼器的建筑结构在地震荷载作用下的动力响应进行了分析。

　　日本学者Miyazaki和Arima等[8]首次提出墙式黏滞阻尼器，通过对附加该阻尼器的5层缩尺模型进行振动台试验，验证了墙式黏滞阻尼器的减震性能。中国学者欧进萍等[9-10]分别对双出杆油缸间隙式和孔隙式黏滞阻尼器进行了性能试验和理论研究，探讨了不同类型黏滞流体的特性，并在幂律流体本构关系的基础上，建立了黏滞阻尼器的力学计算模型。贾洪等[11]发明了一种高耗能间隙式黏胶阻尼器，提出了阻尼器滞回模型、串联动态刚度计算公式和耗能性能评价指标。黄镇等[12]研制了一种实现阻尼器性能可控化的带压力调节阀的黏滞阻尼器，根据该阻尼器的构造特点和工作原理，建立阻尼器在调节阀开启前后的简化力学模型，并对其进行力学性能试验及仿真分析。

　　虽然黏滞阻尼器在工程结构中应用广泛[13-14]，但张恒晟等[15]通过试验发现阻尼器在较小输入位移下其阻尼力小于理论值，不足以充分发挥耗能作用。为解决这一问题，Constantinou等[16]提出了肘节型黏滞阻尼系统，利用肘节支撑机构使黏滞阻尼器产生较大的输入位移。Berton和Bolander[17]采用齿条齿轮加速器来放大结构振动传递给阻尼器的位移。Smith等[18]提出消能伸臂的概念，利用核心筒的弯曲变形和外框架的剪切变形之间较大的竖向变形差，放大黏滞阻尼器的输入位移。上述方法均通过增大阻尼器输入位移来放大阻尼器活动钢板的相对速度，从而实现提高阻尼器阻尼力的目的。在此基础上，本文针对黏滞阻尼器存在的问题，提出了一种高效耗能新型阻尼器，对其进行力学性能试验及相关理论研究，并与普通黏滞阻尼器对比分析。

　　1 高效耗能新型阻尼器简介

　　高效耗能新型阻尼器是一种在墙型普通黏滞阻尼器基础上附加位移放大机构的位移放大型黏滞阻尼器。位移放大机构与结构上部楼层和阻尼器活动钢板连接，通过把结构层间位移，特别是微小的结构层间位移放大后再传递给阻尼器的活动钢板，从而放大阻尼器活动钢板的相对速度，提高阻尼器的阻尼力，增加其耗能能力[19-20]。高效耗能新型阻尼器工作原理示意图如图1所示。

　　图2为高效耗能新型阻尼器简化力学模型。其中m，k，c分别表示原结构楼层的质量、刚度和阻尼;kd为普通黏滞阻尼器内部刚度，一般可忽略不计;cα为普通黏滞阻尼器的阻尼系数;L，ηL分别为位移放大机构上、下部分的长度，η为位移放大机构的放大倍率。当结构产生水平位移u时，经η倍位移放大机构放大后传递给活动钢板的位移为ηu。

　　高效耗能新型阻尼器性能试验〖2〗2.1 加载装置 本性能试验采用北京富力通达科技有限公司FTS伺服作动器进行加载。根据作动器和加载试件的特点设计了阻尼器的加载框架，包括加载梁、立柱和底梁。试验装置除有电液伺服作动器外，还包括动态位移传感器、力传感器和动态数据采集系统。同时为保证数据采集的可靠性，试验过程中增加了外采位移传感器采集位移数据。阻尼器性能试验加载图如图3所示。

　　2.2 试件设计

　　位移放大机构是高效耗能新型阻尼器的关键组成部分，因此该新型阻尼器的设计主要是位移放大机构的设计。图4为位移放大机构运动轨迹图。随着高效耗能新型阻尼器上连接板水平运动，支点轴发生竖向運动，为保证位移放大机构正常转动，要求支点轴不能触碰上连接板边缘，即需满足以下条件L>u2+d1+d22

　　(1)式中 L为孔1、孔2圆心距;d1为孔1圆心到上连接板边缘的距离;d2为孔2半径。同时，该机构受力分析需考虑以下两个方面：机构及连接构件受压，连接螺栓受剪。经设计，加工了普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器两组试件，均由Q345钢板焊接而成，连接螺栓采用12.9级高强螺栓。两组试件主要尺寸基本相同，活动钢板有效剪切面积为160 mm×200 mm，厚度为12 mm。黏滞阻尼材料阻尼系数为20 kN/(m0.45·s-0.45)，阻尼指数为0.45。高效耗能新型阻尼器位移放大机构放大倍率为3，厚度为24 mm。试件尺寸设计详图见图5。

　　2.3 试验工况

　　在环境温度为20 ℃的情况下，对两种阻尼器进行低周循环加载试验。试验按照正弦波规律变化的输入位移u(t)=Asinωt来控制试验系统加载，通过控制不同的加载频率和位移幅值，分别测得相应的阻尼力-位移关系曲线，进而研究高效耗能新型阻尼器的滞回性能以及阻尼器随加载频率、位移幅值变化的力学特性。阻尼器性能试验加载方案如表1所示。

　　3 高效耗能新型阻尼器性能试验结果及分析

　　3.1 试验现象 在试验加载过程中，加载梁滑动平稳，没有明显的转动，加载框架没有明显的变形及位移。高效耗能新型阻尼器由于附加了位移放大机构，某些工况下经过位移放大后的阻尼器活动钢板相对位移较大，偶尔可以听到气泡爆裂的声音，并且有少量硅油被挤出钢箱。

　　3.2 滞回耗能性能

　　图6为普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器滞回曲线对比，其中DAD为高效耗能新型阻尼器，VD为普通黏滞阻尼器。从图6可以看出，两种阻尼器的滞回曲线均非常饱满，具有较好的耗能能力。

　　但将两种阻尼器的滞回曲线进行比较，不难发现在相同加载位移情况下，高效耗能新型阻尼器的阻尼力相对于普通黏滞阻尼器有明显提高，滞回曲线更加饱满，耗能能力显著增强。

　　3.3 位移相关性

　　图7为普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器在不同加载位移下滞回曲线对比。由图7可以得出，在加载频率相同时，阻尼器出力随位移幅值的增大而增大，滞回曲线亦更加饱满。高效耗能新型阻尼器在加载位移幅值较小工况下，滞回曲线倾斜现象明显，其原因在于黏滞介质的可压缩性，使得阻尼器表现一定的弹性，形成动态刚度。在加载位移幅值较大工况下，高效耗能新型阻尼器滞回曲线呈小幅度“内缩”现象。这是因为阻尼器活动钢板相对位移较大，硅油有一定扰动，内部产生气泡，对阻尼力造成影响。在加载频率0.5 Hz条件下，加载位移幅值±5，±7.5，±10，±12.5，±15 mm对应的普通黏滞阻尼器阻尼力依次为2.84，3.44，3.98，4.45，5.21 kN;高效耗能新型阻尼器阻尼力依次为13.61，15.88，18.12，18.36，20.93 kN。

　　3.4 频率相关性

　　图8为普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器在不同加载频率下滞回曲线对比。从图8可以看出，在位移幅值相同时，而增大，滞回曲线也更加饱满。在位移幅值±10 mm条件下，加载频率0.1，0.3，0.5，0.7，1.0 Hz对应的普通黏滞阻尼器阻尼力依次为2.31，3.08，3.98，5.31，6.01 kN;高效耗能新型阻尼器阻尼力依次为9.95，14.16，18.12，23.44，24.97 kN。

　　4 高效耗能新型阻尼器理论研究及效果分析

　　由于结构的动能Ev和弹性应变能Ek随时间在零线附近上下摆动、相互转换，输入结构的总能量则通过阻尼耗能Ec，Ed和滞回耗能Eh的作用耗散掉。因为结构塑性变形的不可恢复性，所以通常将结构的滞回耗能视为结构的破坏能量。从能量平衡方程式(14)可以看出，若地震输入结构的能量一定，相对于普通黏滞阻尼器而言，高效耗能新型阻尼器可大幅度提高阻尼器消耗能量，因此可有效减小结构自身黏滞阻尼耗能和滞回耗能，从而降低结构动力响应，避免结构破坏。

　　4.2 效果分析

　　图10为普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器速度-阻尼力关系曲线对比，表2为普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器阻尼力对比。由图10可知，普通黏滞阻尼器阻尼力试验值与理论值吻合非常好，平均误差仅有1%，说明普通黏滞阻尼器恢复力模型可以用Maxwell模型表示。由于位移放大机构会进一步放大连接件存在间隙、硅油扰动等因素对阻尼力的影响，且阻尼器在运动过程中存在少量硅油被挤出钢箱的现象，高效耗能新型阻尼器阻尼力试验值略低于理论值，平均误差为11%，但新型阻尼器速度-阻尼力试验值关系曲线趋势与理论曲线基本一致，其力学分析模型合理。由表2可知，高效耗能新型阻尼器阻尼力放大系数试验最大值为4.79，最小值为4.02，平均值为4.40，与理论值平均误差为11%，说明高效耗能新型阻尼器较普通黏滞阻尼器而言可以显著提高阻尼器出力，其阻尼力放大系数可以用式(10)计算。

　　图11是0.5 Hz，15 mm和0.7 Hz，10 mm工况下普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器力-位移试验曲线与理论曲线对比。从图11中可以看出，普通黏滞阻尼器力-位移试验曲线与理论曲线非常吻合，高效耗能新型阻尼器试验曲线与理论曲线总体上吻合较好，因此验证了阻尼器力-位移理论模型的正确性。但由于位移放大机构与黏滞介质挤压回弹力和孔隙等因素的综合影响，高效耗能新型阻尼器试验曲线存在第一、三象限耸起，第二、四象限滞回环面积减小的现象。图12为普通黏滞阻尼器和高效耗能新型阻尼器耗散能量对比，具体数值如表3所示。

　　由图12、表3可知，新型阻尼器耗能能力较普通黏滞阻尼器而言有显著提升，其耗能放大系数试验最大值为4.41，最小值为3.98，平均值为4.30，与理论值平均误差为13%。这表明了位移放大机构的有效性，且新型阻尼器消耗能量放大系数计算公式准确可靠。

　　5 结构地震响应分析

　　5.1 工程概况 为了研究高效耗能新型阻尼器对结构地震响应的影响，以某剪力墙结构体系为例进行减震分析。该建筑地下1层，层高6.6 m，地上28层，层高2.8 m，所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.3g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为III类。结构前三阶自振周期：T1=1.68 s，T2=1.52 s，T3=1.25 s。圖13为建筑立面图。该结构在5条天然波Imperial Valley，Superstition，Erzican，TJ，Coalinga和2条人工波RH1，RH3作用下，第13-22层、第28层Y向层间位移角大于1/1000，超过《规范》[25]规定的多遇地震作用下层间位移角限值，如图14所示，需进行减震设计。图15为地震波加速度反应谱，由图14可知，7条地震波加速度反应谱与规范反应谱在统计意义上基本相符。且该结构振型分解反应谱法计算得到的基底剪力为14.035 MN，7条地震波作用下基底剪力均值为12.098 MN，最小值为9.372 MN，满足“每条时程曲线计算所得结构基底剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”规范要求，说明地震波选取合理。