第29卷第1期2013年2月

结构工程师

StrueturalEngineersVol.29,No.1

Feb.2013

粘弹性阻尼器性能试验研究及参数识别周颖-李锐吕西林(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海20092)

摘要经过2008年汉川大地震后,阻尼器正在越来越多地被应用于中国的各种新建结构设计以及既有建筑的改造加固之中"根据中国相关规范的要求对5个日本生产的粘弹性阻尼器进行了动力荷载试验并对该型号阻尼器的性能进行评佑,对相关中国规范中对于阻尼器性能指标的要求进行了详细介绍并对阻尼器进行了参数识别"试验中对阻尼器进行评估的项目包括外观质量!尺寸偏差!最大阻尼力!表观剪切模量!损耗因子!滞回曲线!表观剪应变极限值!频率相关性!极限荷载下的性能以及反复荷载下的性能"试验结果表明,该种阻尼器具有良好的力学性能,满足中国规范的相关要求,可以应用于建筑结构抗震及抗风设计"对于该阻尼器在整体结构中的应用研究还有待于进一步的开展"关键词粘弹性阻尼器,性能试验,中国规范,参数识别

ExPerimentalStudyandParameterIdentificationofViscoelasticDamPers

ZHOUYing-LlRuiLUXIlin(StateKeyLaboratoryOfDisasterReduetioninCivilEngineering,T-2n自1University,Shanghai20(XJ92,China)

AbstraetAfter2008WenehuanEarthquake,dampersareinereasinglyaPpliedinthedesignofnewbuildingsandretrofitofexistingbuildingsinChina.Inthispaper,fiveviseoelastie(VE)dampersfromJapanweretest-edunderdynamieloadstoevaluatetheirperformaneesaeeordingtoChineseeodesandstanda记5.Anidentifi-eationproeedurewasproposedtoidentifytheseperformaneeParameters.ThePerformaneeevaluationeriteria,ineludingaPPearaneequality,dimensiondeviation,maximumdamPingforee,pseudo一shearmodulus,1055fae-

tor,hysteresiseurves,ultimatevalueofpseudo一shearmodulus,frequeney一dependenteapaeity,andeaPaeityunderultimateandrepeatedload,wereintrodueedindetail.It15eoneludedthattheVEdampersgeneralymeettherequirementsofChineseeodesandeanbeusedinengineeringstruetures.Furtherstudy15neededfortheaPplieationofthedamperinthewholebuildingstruetures.Keywordsviseoelastiedamper,performaneetest,Chineseeode,parameteridentifieation

1引言保护建筑结构不受到各种自然灾害的破坏目前已经成为工程界越来越重视的一个课题"大地震对生命以及财产造成的巨大损失使得在建筑结构中加人一种有效的保护体系来减轻这些损失成为愈加紧迫的事情"自从振动控制的概念首次被J.T.P.YAO1.2提出以来,许多种控制方法已经被研发出来并被应用于结构中,以减轻地震或风等环境因素所造成的过大的结构动力反应"这些控制方法主要包括以下几种:被动控制法!半主动控制法!混合控制法以及主动控制法"其中,被动控制是无外加能源的控制,其控制力是控制装置随结构一起运动而被动产生的,可靠性高!经济实用"粘弹性阻尼器就是一种典型的被动控制装

收稿日期:2012一()8一30基金项目:国家自然科学基金资助项目(51078274,51o2l14()()6)联系作者,Email:yin邵hou@ton自1.edu."nStrueturalEngineersVol.29,No.1置,其安装简单!造价低廉!性能优良,随着越来越多性能优异的粘弹性材料的出现,使得粘弹性阻尼器在振动控制中具有广泛的工程应用前景"粘弹性阻尼器通常由钢板与粘弹性材料通过硫化作用粘合在一起共同组成"当被施加动力荷载时,由结构振动所引起的粘弹性层的变形将会导致粘弹性层发生耗能并由此减小结构的动力反应"粘弹性材料在振动控制中的应用可以追溯到20世纪50年代[.2,当时这种材料被应用于飞行器中作为其骨架振动疲劳的控制方式"它在土木工程领域中的应用开始于1969年,在纽约世界贸易中心双塔的每个塔中安装了1000个粘弹性阻尼器来抵抗风载[.2"之后,粘弹性阻尼器又被应用在美国以及其他国家的许多类似的高耸建筑中以抵抗风荷载"国内外的一系列工程案例已经证明了粘弹性阻尼器在减轻风荷载所引起的高层结构振动方面的有效性"近年来,粘弹性阻尼器在抗震方面的工程应用逐步增加"相比于减轻结构的风振效应来说,在抗震应用中通常需要粘弹性阻尼器能提供更大的阻尼,另外由于结构的能量输人分布在一个较宽的频率范围之内,在抗震应用中粘弹性材料需要具有更加优异的性能"随着新型粘弹性材料的发展,1993年美国的一幢13层的加固项目中首次采用了粘弹性阻尼器进行抗震改造7-2"随后,世界各地的研究者们进行了许多试验分析研究,目前粘弹性阻尼器在许多国家已经被非常普遍地应用于工程实践中"在中国,尤其是自从ZDOS年汉川大地震之后,越来越多的阻尼器应用于新结构的设计以及既有结构的改造加固之中;对于粘弹性阻尼器设计方法的研究也有了一些尝试,如张琴等15]就对其在设计中的参数设计以及位置优化方法进行了研究"但总的来说,我国目前对于粘弹性阻尼器的性能试验和结构设计刚刚起步,相关的试验及设计规范规程最近陆续出版=6一82"因此,对于粘弹性阻尼器性能参数进行精细试验和参数识别,将有助于推动粘弹性阻尼器在我国加固及新建工程中的应用"本文详细介绍了根据中国相关规范以及规程对某日本公司生产的5个粘弹性阻尼器进行动力荷载试验并评估其性能的情况"根据试验结果总结了该型号阻尼器的力学性能,并进行了参数识别"另外详细介绍了相关规范和标准对于粘弹性阻尼器力学性能的一些要求,为今后粘弹性阻尼器在中国的应用提供了具有参考价值的数据"EarthquakeandWindResistanee2试验方案每一个阻尼器试件由三块钢板与两块粘弹性材料层叠加组成"试验采用足尺试件,每块粘弹性材料的尺寸为400mmx400mm,厚度为巧mm"粘弹性阻尼器的尺寸以及照片如图1所示"试验通过对试件施加一系列以位移为控制指标的动力荷载来测量该型号阻尼器的动力特性,位移由一台最大荷载为100kN的作动器施加"试验加载装置如图2所示,作动器连接于钢架和反力墙之间以保证试件的轴心受力"试验工况由加载频率!位移幅值及加载周期数作为控制指标"试验过程中的环境温度保持在(20士3)e"试验工况如表1所示"

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(a)阻尼器尺寸

(b)阻尼器照片图1阻尼器的尺寸示意图及照片Fig.1DimensionandphotooftheCST3()viseoelastiedamPer

表1Tsblel试验工况

Testingeases内容试件编号号输人波波幅值/mmm应变/%%频率/Hzz圈数数变形相相1,2正弦波波士7.50~~50~30())().115关性能能45.000

频率相相3正弦波波士15.()())1()())().25~~5关性能能155

极限荷荷4正弦波波士52.5())35())0.115软住月艺艺

疲劳j正弦波波士15.0())10000.11300性能#抗震与抗风#结构工程师第29卷第1期:):沪省巨二-#:-二-卡

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钢框架

(a)试验装置构造示意图(b)试验装置照片图2试验装置的构造示意图及照片Fig.2Confi即rationofthetestingsetupandphoto

3粘弹性阻尼器性能指标以及规范对于各项指标的要求

粘弹性材料同时具有粘性液体以及弹性体的力学特性,具有储存能量和耗散能量的特点"在交变应力作用下,粘弹性材料产生变形时,除一部分是弹性变形能以外,有一部分能量像位能那样被储存起来,还有一部分则被耗散转化成热能1gj"粘弹性阻尼器的力学性能通常用/,刀以及G.这三个参数来确定"其中,第一个参数-.为粘弹性材料的表观剪切模量,通常用如下方程定义:Fma!+Fm:1

的建筑消能阻尼器行业标准1.,s],损耗因子刀可以采用每一个滞回环上最大位移对应的恢复力与零位移对应的恢复力的比值来确定"第三个参数C.为粘弹性材料的剪切损失模量,它是粘弹性材料每个循环所消耗能量的度量,可以用如下公式表示:C/=G,x刀(2)目前国内对于粘弹性阻尼器的设计以及使用标准作出规定的规范共有三本,均由中华人民共和国住房和城乡建设部颁布,分别是5建筑抗震设计规范6(GB50011一020)[62!5建筑消能阻尼器6t.J以及即将颁布的5建筑消能减震技术规程6=82此三本规范,其中文献768主要对于设计方面的要点以及消能器性能检验做了详细规定,针对本试验的相关内容主要为对疲劳性能的要求;文献[7,8]则对于粘弹性阻尼器的外观!主要材料的质量!阻尼器的力学性能以及耐久性作出了详细要求"综合以上三本规程,对于粘弹性阻尼器需进行如下内容的检测:外观质量!尺寸偏差!最大阻尼力!表观剪切模量!损耗因子!滞回曲线!表观剪应变极限值!频率相关性能!极限荷载下的性能和疲劳性能"各项待检测内容的详细要求如表2所示"

表2TsbleZ规范对于阻尼器的性能要求PerformancerequirementsonVEdamPersincodes

q且"一(t)式中,K为等效刚度,刀"in);

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K=(F1llax+F,,11")/(D","!+