趙 聰，陶 忠，戴必輝，高永林

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650031； 2.西南林業(yè)大學土木工程學院，云南 昆明 650224)

0 引言

黏彈性阻尼器是由位移控制的耗能減震器，在外部激勵作用下，黏彈性阻尼器內(nèi)部產(chǎn)生相對位移，此時存在于阻尼器中的黏彈性材料因發(fā)生塑性變形而吸收消耗大量能量，以起耗能減震作用，即該裝置依靠內(nèi)部黏彈性材料的剪切滯回耗能特性，為建筑結構提供自身剛度以外的剛度和附加阻尼，以減小結構的動力響應，如為減小風振作用，建于1969年的紐約世貿(mào)中心雙塔安裝了多個黏彈性阻尼器。同時，研究人員對改進的黏彈性阻尼器進行了試驗研究，包括(扇形)鉛黏彈性阻尼器等。為保證阻尼器的合理使用，制定了相關規(guī)范。

1 試驗概況

課題組初步設計了用于傳統(tǒng)木結構加固的剪切式橡膠阻尼器，并通過節(jié)點試驗和振動臺試驗驗證了其對木結構力學性能的增強效果，已在實際工程中得到應用。本研究對改進的第二代阻尼器——櫛固阻尼器開展擬靜力試驗，以得到阻尼器彎矩-轉角滯回特性、剛度退化及耗能能力、恢復力等力學特性，并對阻尼器變形、頻率和低周疲勞性能進行評估。采用MTS電液伺服材料試驗機進行加載，通過加載架將直線往復運動轉化為繞軸的剪切運動。

2 試驗裝置

本試驗加載裝置根據(jù)試驗要求現(xiàn)場設計制作(見圖1)，櫛固阻尼器中A，B-1，B-2鋼板鉸接連接，節(jié)點處可實現(xiàn)自由轉動，以使能耗完全由阻尼器承擔(見圖2)。B-1，B-2鋼板與基座固定，以達到剛接效果。測試時采用MTS 810型材料試驗機，最大試驗力為100kN，行程為±75mm，最大頻率為75Hz。

圖2 櫛固阻尼器示意

3 材料屬性

阻尼器由Q235鋼和具有較好阻尼性能的丁基橡膠制成，設計2種阻尼膠，分別制作1，2號阻尼器，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

4 加載與測試

4.1 加載方案

本試驗采用位移控制梁端加載，由電液伺服作動器施加豎向反復荷載，規(guī)定作動器向下推為正向加載，向上拉為負向加載。根據(jù)阻尼器構造，弧形邊最大允許豎向位移為25mm，根據(jù)阻尼器在加載架上的安裝位置，阻尼器允許最大轉角為0.131rad(7.50°)，加載點與轉動鉸的距離L0=550mm，最終確定最大加載幅值為65mm。振動臺試驗記錄到的節(jié)點最大轉角達0.064rad(3.68°)，根據(jù)加載架尺寸換算得到的線位移為35mm。試件a測試變形相關性，試件b測試頻率相關性，試件c測試低周疲勞相關性。加載模式如表2所示，加載制度如圖3所示。

表2 加載模式

圖3 加載制度

4.2 測試內(nèi)容與方案

測試內(nèi)容包括阻尼器所受彎矩及相應的轉角、加載過程中阻尼器表面不同位置應力及應變等。在橫梁及立柱距轉動鉸400mm處布置拉線式位移計，通過橫梁及立柱相對位移換算阻尼器轉角，同時在橫梁尾部距轉動鉸700mm處布置位移計，測定橫梁尾部豎向位移，驗證橫梁剛體轉動。阻尼器所受彎矩由作動器施加的豎向力乘以加載點距轉動鉸的距離(550mm)得到。

在阻尼器兩側鋼板上布置電阻應變片，以測試阻尼器發(fā)生剪切變形時不同位置鋼板與橡膠拉拔應力、應變變化，在B-1鋼板上以轉動鉸為圓心布置1～6號應變片，在B-2鋼板上布置7，8號應變片，如圖4所示。此外，在工況Ⅲ中，實時監(jiān)測阻尼器表面溫度并記錄。

圖4 應變片布置

5 試驗結果與分析

5.1 試驗現(xiàn)象

隨著試驗的進行，可發(fā)現(xiàn)阻尼器中橡膠和鋼板的相對運動越來越明顯，2種阻尼器在不同工況下的試驗現(xiàn)象差別較小。在變形相關性測試中，隨著加載位移的增大，阻尼器中橡膠變形越來越明顯，橡膠發(fā)出撕裂聲，且鋼板與加載架摩擦聲越來越尖銳，最終以阻尼器最外側固定螺釘被剪斷結束試驗，如圖5a所示。在頻率相關性測試中，試驗現(xiàn)象并不明顯，阻尼器未破壞。在低周疲勞相關性測試中，隨著試驗的進行，阻尼器鋼板表面溫度在一定程度上有所提高，試驗后期橡膠裂紋越來越多，且表面越來越粗糙，如圖5b所示。

圖5 試驗現(xiàn)象

5.2 變形相關性

為研究阻尼器在不同加載位移下的力學性能參數(shù)變化規(guī)律，在環(huán)境溫度為室溫20℃、加載頻率為0.1Hz的條件下，對阻尼器分別進行10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60mm位移下的循環(huán)加載試驗，結果如圖6所示。

圖6 阻尼器變形相關性

由圖6a～6d可知，1，2號阻尼器存儲剪切模量、損耗剪切模量、損失系數(shù)和等效剪切剛度基本隨著加載位移的增大而減小。對比分析可知，1號阻尼器在10～20mm位移段等效剪切剛度減小趨勢大于20～60mm位移段，2號阻尼器在10～25mm位移段等效剪切剛度減小趨勢大于25～60mm位移段。1號阻尼器等效剪切剛度減小約40%，2號阻尼器等效剪切剛度減小約56%，這是由阻尼器內(nèi)部橡膠材料與鋼板的連接受損導致的。

由圖6e，6f可知，在不同的加載位移下，2種阻尼器滯回曲線均呈典型的梭形形狀，滯回曲線飽滿，表明2種阻尼器塑性耗能能力較好，可起抗震作用。2種阻尼器滯回環(huán)形狀大致相同，表明在加載位移不斷增加的趨勢下，阻尼器內(nèi)部橡膠材料未發(fā)生破壞，可繼續(xù)發(fā)揮減震耗能作用，這與試驗過程中觀察到的阻尼器破壞現(xiàn)象相符，即阻尼器破壞表現(xiàn)為螺釘被剪斷，而非阻尼器內(nèi)部橡膠材料破壞。同時2號阻尼器滯回環(huán)面積略大于1號阻尼器，說明不同加載位移下2號阻尼器耗能能力略大于1號阻尼器。

5.3 頻率相關性

為研究阻尼器在不同加載頻率下的力學性能參數(shù)變化規(guī)律，在環(huán)境溫度為室溫20℃、加載位移為35mm的條件下，對阻尼器分別進行0.01，0.02，0.03，0.04，0.05Hz頻率下的循環(huán)加載試驗，結果如圖7所示。

圖7 阻尼器頻率相關性

由圖7a可知，1號阻尼器在加載頻率增至0.02Hz時，存儲剪切模量增幅較大，在0.02～0.05Hz頻率段，存儲剪切模量不斷減?。浑S著加載頻率的增加，2號阻尼器存儲剪切模量呈波動變化，當頻率為0.02Hz時達最大值，當頻率為0.03Hz時達最小值，頻率>0.03Hz后存儲剪切模量逐漸增大；1號阻尼器存儲剪切模量大于2號阻尼器，且1號阻尼器性能隨頻率的變化更穩(wěn)定。

由圖7b可知，隨著加載頻率的增加，1號阻尼器損耗剪切模量逐漸減小，共減小37%，而2號阻尼器損耗剪切模量呈大幅度減小、略微增加、略微減小的趨勢。

由圖7c，7d可知，1，2號阻尼器損失系數(shù)、等效剪切剛度均在頻率達0.02Hz前迅速減小，然后趨于穩(wěn)定。試驗結束時阻尼器等效剪切剛度最終趨于低值的原因可能是隨著加載頻率的增加，橡膠某些變形未恢復，導致其無法進入后面的受力過程。

由于7e可知，2種阻尼器最大阻尼力隨著加載頻率的增大而減小；當加載頻率<0.03Hz時，隨著頻率的增大，2種阻尼器最大阻尼力減小較快；當加載頻率達0.03Hz后，2種阻尼器最大阻尼力變化趨于穩(wěn)定，且處于較低水平；整個試驗過程中，1號阻尼器最大阻尼力始終大于2號阻尼器。

由圖7f，7g可知，2號阻尼器滯回曲線較1號阻尼器更飽滿，滯回環(huán)面積更大，說明不同加載頻率下2號阻尼器耗能能力更強，且其對加載頻率的影響更敏感，即隨著頻率的增加，滯回環(huán)衰減更明顯。

5.4 低周疲勞相關性

為研究阻尼器低周疲勞相關性，在環(huán)境溫度為室溫20℃、加載位移為35mm、加載頻率為0.10Hz的條件下，對阻尼器進行循環(huán)加載試驗，結果如圖8所示。

圖8 阻尼器低周疲勞相關性

由圖8a可知，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，1，2號阻尼器存儲剪切模量基本呈減小趨勢，1號阻尼器在循環(huán)2～8次時存儲剪切模量減小速率較快，此后至試驗結束存儲剪切模量保持緩慢的速率減?。?號阻尼器在循環(huán)2～5次時存儲剪切模量減小速率較快，此后除循環(huán)23～29次減小速率略快外，至試驗結束存儲剪切模量保持緩慢的速率減小。

由圖8b可知，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，1，2號阻尼器損耗剪切模量基本呈減小趨勢，1號阻尼器損耗剪切模量減小幅度達61%，循環(huán)8～23次時的減小趨勢較平緩，循環(huán)2～8，23～29次時的減小速率較快；2號阻尼器損耗剪切模量除循環(huán)第23次時略有增加外，其他階段均減小，且在試驗早期和末期階段減小速率較快。

由圖8c，8d可知，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，1，2號阻尼器損失系數(shù)和等效剪切剛度基本呈減小趨勢，不同循環(huán)次數(shù)下2號阻尼器損失系數(shù)均大于1號阻尼器，等效剪切剛度均小于1號阻尼器。

由圖8e，8f可知，1號阻尼器滯回曲線更飽滿，滯回環(huán)面積更大，但隨著試驗的進行，滯回環(huán)面積減小較快，表明疲勞荷載作用下1號阻尼器耗能能力更強，但耗能能力受疲勞荷載的持續(xù)作用不斷降低。2號阻尼器耗能能力雖較1號阻尼器差，但較穩(wěn)定，受疲勞荷載的影響較小，較適用于抵抗多次循環(huán)荷載的建筑或局部結構中。

6 結語

1)隨著加載位移的不斷增大，2種阻尼器存儲剪切模量、損耗剪切模量和等效剪切剛度均有所減小，損失系數(shù)在一定范圍內(nèi)波動。當加載位移達30mm時，阻尼器等效剪切剛度減小明顯，當加載位移達60mm時，阻尼器仍可正常工作，說明2種阻尼器均有較強的變形能力。

2)加載頻率對2種阻尼器的影響并不顯著，阻尼器損耗剪切模量、損失系數(shù)、等效剪切剛度、最大阻尼力均隨著加載頻率的增加總體呈減小趨勢。

3)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，2種阻尼器存儲剪切模量、損耗剪切模量、損失系數(shù)和等效剪切剛度均有所減小，存儲剪切模量和等效剪切剛度均在循環(huán)次數(shù)達15次時趨于穩(wěn)定。

4)在3種測試情況下，2種阻尼器滯回曲線形狀變化較小，均可實現(xiàn)有效耗能，總體而言，2號阻尼器耗能能力穩(wěn)定且良好，較適用于抵抗多次循環(huán)荷載作用的建筑或局部結構中。