适用于木结构加固的黏弹性阻尼器拟静力试验研究*

赵 聪，陶 忠，戴必辉，高永林

(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650031； 2.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224)

0 引言

黏弹性阻尼器是由位移控制的耗能减震器，在外部激励作用下，黏弹性阻尼器内部产生相对位移，此时存在于阻尼器中的黏弹性材料因发生塑性变形而吸收消耗大量能量，以起耗能减震作用，即该装置依靠内部黏弹性材料的剪切滞回耗能特性，为建筑结构提供自身刚度以外的刚度和附加阻尼，以减小结构的动力响应，如为减小风振作用，建于1969年的纽约世贸中心双塔安装了多个黏弹性阻尼器。同时，研究人员对改进的黏弹性阻尼器进行了试验研究，包括(扇形)铅黏弹性阻尼器等。为保证阻尼器的合理使用，制定了相关规范。

1 试验概况

课题组初步设计了用于传统木结构加固的剪切式橡胶阻尼器，并通过节点试验和振动台试验验证了其对木结构力学性能的增强效果，已在实际工程中得到应用。本研究对改进的第二代阻尼器——栉固阻尼器开展拟静力试验，以得到阻尼器弯矩-转角滞回特性、刚度退化及耗能能力、恢复力等力学特性，并对阻尼器变形、频率和低周疲劳性能进行评估。采用MTS电液伺服材料试验机进行加载，通过加载架将直线往复运动转化为绕轴的剪切运动。

2 试验装置

本试验加载装置根据试验要求现场设计制作(见图1)，栉固阻尼器中A，B-1，B-2钢板铰接连接，节点处可实现自由转动，以使能耗完全由阻尼器承担(见图2)。B-1，B-2钢板与基座固定，以达到刚接效果。测试时采用MTS 810型材料试验机，最大试验力为100kN，行程为±75mm，最大频率为75Hz。

图2 栉固阻尼器示意

3 材料属性

阻尼器由Q235钢和具有较好阻尼性能的丁基橡胶制成，设计2种阻尼胶，分别制作1，2号阻尼器，材料属性如表1所示。

表1 材料属性

4 加载与测试

4.1 加载方案

本试验采用位移控制梁端加载，由电液伺服作动器施加竖向反复荷载，规定作动器向下推为正向加载，向上拉为负向加载。根据阻尼器构造，弧形边最大允许竖向位移为25mm，根据阻尼器在加载架上的安装位置，阻尼器允许最大转角为0.131rad(7.50°)，加载点与转动铰的距离L0=550mm，最终确定最大加载幅值为65mm。振动台试验记录到的节点最大转角达0.064rad(3.68°)，根据加载架尺寸换算得到的线位移为35mm。试件a测试变形相关性，试件b测试频率相关性，试件c测试低周疲劳相关性。加载模式如表2所示，加载制度如图3所示。

表2 加载模式

图3 加载制度

4.2 测试内容与方案

测试内容包括阻尼器所受弯矩及相应的转角、加载过程中阻尼器表面不同位置应力及应变等。在横梁及立柱距转动铰400mm处布置拉线式位移计，通过横梁及立柱相对位移换算阻尼器转角，同时在横梁尾部距转动铰700mm处布置位移计，测定横梁尾部竖向位移，验证横梁刚体转动。阻尼器所受弯矩由作动器施加的竖向力乘以加载点距转动铰的距离(550mm)得到。

在阻尼器两侧钢板上布置电阻应变片，以测试阻尼器发生剪切变形时不同位置钢板与橡胶拉拔应力、应变变化，在B-1钢板上以转动铰为圆心布置1～6号应变片，在B-2钢板上布置7，8号应变片，如图4所示。此外，在工况Ⅲ中，实时监测阻尼器表面温度并记录。

图4 应变片布置

5 试验结果与分析

5.1 试验现象

随着试验的进行，可发现阻尼器中橡胶和钢板的相对运动越来越明显，2种阻尼器在不同工况下的试验现象差别较小。在变形相关性测试中，随着加载位移的增大，阻尼器中橡胶变形越来越明显，橡胶发出撕裂声，且钢板与加载架摩擦声越来越尖锐，最终以阻尼器最外侧固定螺钉被剪断结束试验，如图5a所示。在频率相关性测试中，试验现象并不明显，阻尼器未破坏。在低周疲劳相关性测试中，随着试验的进行，阻尼器钢板表面温度在一定程度上有所提高，试验后期橡胶裂纹越来越多，且表面越来越粗糙，如图5b所示。

图5 试验现象

5.2 变形相关性

为研究阻尼器在不同加载位移下的力学性能参数变化规律，在环境温度为室温20℃、加载频率为0.1Hz的条件下，对阻尼器分别进行10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60mm位移下的循环加载试验，结果如图6所示。

图6 阻尼器变形相关性

由图6a～6d可知，1，2号阻尼器存储剪切模量、损耗剪切模量、损失系数和等效剪切刚度基本随着加载位移的增大而减小。对比分析可知，1号阻尼器在10～20mm位移段等效剪切刚度减小趋势大于20～60mm位移段，2号阻尼器在10～25mm位移段等效剪切刚度减小趋势大于25～60mm位移段。1号阻尼器等效剪切刚度减小约40%，2号阻尼器等效剪切刚度减小约56%，这是由阻尼器内部橡胶材料与钢板的连接受损导致的。

由图6e，6f可知，在不同的加载位移下，2种阻尼器滞回曲线均呈典型的梭形形状，滞回曲线饱满，表明2种阻尼器塑性耗能能力较好，可起抗震作用。2种阻尼器滞回环形状大致相同，表明在加载位移不断增加的趋势下，阻尼器内部橡胶材料未发生破坏，可继续发挥减震耗能作用，这与试验过程中观察到的阻尼器破坏现象相符，即阻尼器破坏表现为螺钉被剪断，而非阻尼器内部橡胶材料破坏。同时2号阻尼器滞回环面积略大于1号阻尼器，说明不同加载位移下2号阻尼器耗能能力略大于1号阻尼器。

5.3 频率相关性

为研究阻尼器在不同加载频率下的力学性能参数变化规律，在环境温度为室温20℃、加载位移为35mm的条件下，对阻尼器分别进行0.01，0.02，0.03，0.04，0.05Hz频率下的循环加载试验，结果如图7所示。

图7 阻尼器频率相关性

由图7a可知，1号阻尼器在加载频率增至0.02Hz时，存储剪切模量增幅较大，在0.02～0.05Hz频率段，存储剪切模量不断减小；随着加载频率的增加，2号阻尼器存储剪切模量呈波动变化，当频率为0.02Hz时达最大值，当频率为0.03Hz时达最小值，频率>0.03Hz后存储剪切模量逐渐增大；1号阻尼器存储剪切模量大于2号阻尼器，且1号阻尼器性能随频率的变化更稳定。

由图7b可知，随着加载频率的增加，1号阻尼器损耗剪切模量逐渐减小，共减小37%，而2号阻尼器损耗剪切模量呈大幅度减小、略微增加、略微减小的趋势。

由图7c，7d可知，1，2号阻尼器损失系数、等效剪切刚度均在频率达0.02Hz前迅速减小，然后趋于稳定。试验结束时阻尼器等效剪切刚度最终趋于低值的原因可能是随着加载频率的增加，橡胶某些变形未恢复，导致其无法进入后面的受力过程。

由于7e可知，2种阻尼器最大阻尼力随着加载频率的增大而减小；当加载频率<0.03Hz时，随着频率的增大，2种阻尼器最大阻尼力减小较快；当加载频率达0.03Hz后，2种阻尼器最大阻尼力变化趋于稳定，且处于较低水平；整个试验过程中，1号阻尼器最大阻尼力始终大于2号阻尼器。

由图7f，7g可知，2号阻尼器滞回曲线较1号阻尼器更饱满，滞回环面积更大，说明不同加载频率下2号阻尼器耗能能力更强，且其对加载频率的影响更敏感，即随着频率的增加，滞回环衰减更明显。

5.4 低周疲劳相关性

为研究阻尼器低周疲劳相关性，在环境温度为室温20℃、加载位移为35mm、加载频率为0.10Hz的条件下，对阻尼器进行循环加载试验，结果如图8所示。

图8 阻尼器低周疲劳相关性

由图8a可知，随着循环加载次数的增加，1，2号阻尼器存储剪切模量基本呈减小趋势，1号阻尼器在循环2～8次时存储剪切模量减小速率较快，此后至试验结束存储剪切模量保持缓慢的速率减小；2号阻尼器在循环2～5次时存储剪切模量减小速率较快，此后除循环23～29次减小速率略快外，至试验结束存储剪切模量保持缓慢的速率减小。

由图8b可知，随着循环加载次数的增加，1，2号阻尼器损耗剪切模量基本呈减小趋势，1号阻尼器损耗剪切模量减小幅度达61%，循环8～23次时的减小趋势较平缓，循环2～8，23～29次时的减小速率较快；2号阻尼器损耗剪切模量除循环第23次时略有增加外，其他阶段均减小，且在试验早期和末期阶段减小速率较快。

由图8c，8d可知，随着循环加载次数的增加，1，2号阻尼器损失系数和等效剪切刚度基本呈减小趋势，不同循环次数下2号阻尼器损失系数均大于1号阻尼器，等效剪切刚度均小于1号阻尼器。

由图8e，8f可知，1号阻尼器滞回曲线更饱满，滞回环面积更大，但随着试验的进行，滞回环面积减小较快，表明疲劳荷载作用下1号阻尼器耗能能力更强，但耗能能力受疲劳荷载的持续作用不断降低。2号阻尼器耗能能力虽较1号阻尼器差，但较稳定，受疲劳荷载的影响较小，较适用于抵抗多次循环荷载的建筑或局部结构中。

6 结语

1)随着加载位移的不断增大，2种阻尼器存储剪切模量、损耗剪切模量和等效剪切刚度均有所减小，损失系数在一定范围内波动。当加载位移达30mm时，阻尼器等效剪切刚度减小明显，当加载位移达60mm时，阻尼器仍可正常工作，说明2种阻尼器均有较强的变形能力。

2)加载频率对2种阻尼器的影响并不显著，阻尼器损耗剪切模量、损失系数、等效剪切刚度、最大阻尼力均随着加载频率的增加总体呈减小趋势。

3)随着循环次数的增加，2种阻尼器存储剪切模量、损耗剪切模量、损失系数和等效剪切刚度均有所减小，存储剪切模量和等效剪切刚度均在循环次数达15次时趋于稳定。

4)在3种测试情况下，2种阻尼器滞回曲线形状变化较小，均可实现有效耗能，总体而言，2号阻尼器耗能能力稳定且良好，较适用于抵抗多次循环荷载作用的建筑或局部结构中。