新型黏弹性阻尼器性能试验研究

周 颖龚顺明

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

新型黏弹性阻尼器性能试验研究

周 颖*龚顺明

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

黏弹性阻尼器是一种典型的被动控制装置，它是通过黏弹性材料的剪切滞回耗能起到提高结构阻尼和减小结构地震或风振响应的目的。根据2012年颁布的《建筑消能阻尼器》（JG／T 209—2012）对黏弹性阻尼器出厂检验的要求，对将应用在南京大报恩寺新塔项目上的3个某新型材料黏弹性阻尼器进行了性能试验，评价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、滞回曲线和表观剪应变极限值。试验结果表明，该种阻尼器具有良好的力学性能，满足中国规程的相关要求，可以应用于建筑结构抗震及抗风设计。

黏弹性阻尼器，性能试验，中国规程，出厂检验

1 引 言

近期世界范围内地震频发，其具有突发性强、破坏性大的特点，与其他自然灾害如风灾、火灾等的显著区别在于，几乎所有的人员伤亡和经济损失都与工程结构的破坏密切相关，因而工程结构的抗震减震设计显得尤为重要。

黏弹性阻尼器是一种常见的被动消能减震装置，它的减震原理是在地震作用下黏弹性阻尼器率先进入耗能工作状态并充分发挥其耗能作用，从而有效减少结构本身需耗散的地震能量，起到提高结构的阻尼和减小结构响应的目的，因此能够有效地改善结构性能和减轻结构震害。黏弹性材料滞回曲线饱满，耗能减震能力非常强［1，2］。不同于金属阻尼器和摩擦阻尼器，其在小震情况下也能耗能，同时可以用于风振控制，并具有安装简单、造价低廉、性能优良等特点。除了可以应用于建筑结构外它还可以应用在桥梁、隧道、输电塔等当中，具有广泛的工程应用前景。

周云［3］、吴波［4］和周颖［5］等针对不同类型和材料的黏弹性阻尼器进行了性能试验研究。为了研究某种新型材料的黏弹性阻尼器的力学性能和耗能特性，以及检测要安装阻尼器的性能是否达到设计值，本文根据《建筑消能阻尼器》（JG／T 209—2012）［6］（以下简称为“规程”）针对黏弹性阻尼器出厂检验的要求，对将应用在南京大报恩寺新塔项目上的3个新型材料黏弹性阻尼器进行了性能试验研究，评价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、滞回曲线和表观剪应变极限值。

2 试验方案

本试验使用的黏弹性阻尼器是由两块约束钢板和中间一块钢板，以及钢板之间填充的两层新型黏弹性材料组成，试验采用的是足尺试件，每层黏弹性材料剪切面积为400 mm×400 mm，厚度为15 mm，其尺寸和图片如图1所示。

图1 黏弹性阻尼器尺寸及照片Fig.1 Dimension and photo of the viscoelastic damper

按照规程8.2.1条的要求，对建筑消能产品需要进行外观质量检验以及力学性能检验，黏弹性阻尼器产品抽检数量为同一工程、同一类型、同一规格数量的3%。由于设计用于南京大报恩寺新塔项目中的黏弹性阻尼器共计112个，故抽检数量为3个。根据规程6.1.1条进行外观质量检验，检验项目包括外观质量和尺寸偏差；根据规程6.1.3条进行力学性能检验，检验项目包括表观剪应变极限值、最大阻尼力、表观剪切模量、损耗因子和滞回曲线。因此，3个黏弹性阻尼器均要进行外观质量检验和力学性能检验，力学性能检验部分的试验工况如表1所示。

本试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行，采用SCHENCK作动器及数据采集系统对阻尼器进行试验。试验装置照片如图2所示。

表1 黏弹性阻尼器试验工况Table 1 Testing cases of the viscoelastic dam pers

图2 试验加载装置Fig.2 Testing facility of the viscoelastic damper

3 试验结果

对3个黏弹性阻尼器（编号分别为VED1、VED2和VED3）按照规范要求分别进行上述试验项目，试验过程及结果分析如下。

3.1 外观质量

用目视、放大镜等进行检测表明，阻尼器钢板平整、无锈蚀、无毛刺，标记清晰，并涂刷防锈涂料；黏弹性阻尼材料表面密实，相对平整，满足规程6.1.1条的要求。

3.2 尺寸偏差

规程6.1.1.3条规定：黏弹性阻尼器长度允许偏差±3 mm，黏弹性阻尼器截面有效尺寸允许偏差±2 mm。用游标卡尺及卷尺等进行检测，3个黏弹性阻尼器长度和截面有效尺寸偏差符合规范要求。

图3 位移幅值1.0 u0下第3次循环时滞回曲线Fig.3 Hysteretic loops of the third cycle under 1.0 u0

3.3 最大阻尼力

规程7.1.3.1条规定：控制位移u＝u0sin（ωt）；在工作频率f1下，作5次具有稳定滞回曲线的循环；取第3次循环时滞回曲线的最大阻尼力值作为最大阻尼力的实测值。

3个黏弹性阻尼器试件在环境温度、工作频率f1（0.3 Hz和0.4 Hz）、位移幅值1.0 u0下的单圈第3圈滞回曲线如图3所示。图中，力是指试验机加给阻尼器的力，位移是指阻尼器中间钢板在水平向的剪切位移。3个黏弹性阻尼器试件的最大阻尼力实测值如表2所示。试验过程中黏弹性材料与约束钢板间未出现剥离现象。

表2 黏弹性阻尼器最大阻尼力Table 2 M axim um dam ping forces of the viscoelastic dampers

3.4 表观剪切模量

规程7.1.3.1条规定：控制位移u＝u0sin（ωt）；在工作频率f1下，作5次具有稳定滞回曲线的循环；取第3次循环时滞回曲线的值计算表观剪切模量。

表观剪切模量定义为阻尼器的剪应力（τ＝Fmax／S）与剪应变（γ＝Dmax／t）的比值，即：

3个黏弹性阻尼器试件在环境温度、工作频率f1（0.3 Hz和0.4 Hz）、位移幅值1.0u0下的表观剪切模量计算如表3所示。黏弹性阻尼器表观剪切模量在0.3 Hz和0.4 Hz下的设计值分别为0.60 MPa和0.60 MPa，满足规程6.1.3.1要求实测值应在设计值的±15%以内的规定。

表3 黏弹性阻尼器表观剪切模量Table 3 Pseudo-shear modulus of the viscoelastic dam pers

3.5 损耗因子

规程7.1.3.1条规定：控制位移u＝u0sin（ωt）；在工作频率f1下，作5次具有稳定滞回曲线的循环；取第3次循环时滞回曲线的最大位移对应的恢复力与零位移对应的恢复力的比值，作为损耗因子的实测值。

3个黏弹性阻尼器试件在环境温度、工作频率f1（0.3 Hz和0.4 Hz）、位移幅值1.0u0下的损耗因子计算如表4所示。黏弹性阻尼器损耗因子在0.3 Hz和0.4 Hz下的设计值分别为0.67和0.66，满足规程6.1.3.1要求实测值应在设计值的±15%以内的规定。

表4 黏弹性阻尼器损耗因子Table 4 Loss factors of the viscoelastic dam pers

3.6 表观剪应变极限值

规程7.1.3.1条规定：在工作频率下，控制位移1.1u0、1.2u0、1.3u0、1.4u0、1.5u0，作5次具有稳定滞回曲线的循环。如黏弹性材料与约束钢板间出现剥离现象，则试验停止，并取这时的位移值确定表观剪应变极限值，其值为黏弹性材料切向位移与黏弹性材料厚度之比的最大值，用百分率表示。

对3个黏弹性阻尼器试件在环境温度、工作频率f1下，实施控制位移1.1u0、1.2u0、1.3u0、1.4u0、1.5u0工况，试件未出现黏弹性材料与约束钢板间剥离的现象。继续实施1.8u0、2.0u0、2.5u0、3.0u0工况，试验结束。因此3个黏弹性阻尼器表观剪应变极限值可取为300%。3个黏弹性阻尼器试件在环境温度、工作频率f1（0.3 Hz）、位移幅值3.0u0下第3次循环时滞回曲线如图4所示。

3.7 滞回曲线

规程6.1.3.1条规定：消能器在各种试验工况下，试验滞回曲线应光滑，无异常。3个黏弹性阻尼器试件在各种试验工况下的典型试验滞回如图5所示，由图可知滞回曲线满足规程要求。

图4 位移幅值3.0 u0下第3次循环时滞回曲线Fig.4 Hysteretic loops of the third cycle under 3.0 u0

图5 典型试验滞回曲线Fig.5 Typical hysteretic loops

4 结 论

本文根据《建筑消能阻尼器》（JG／T 209—2012）［6］针对黏弹性阻尼器出厂检验的要求，对将应用在南京大报恩寺新塔项目上的3个新型材料黏弹性阻尼器进行了性能试验研究，得出如下结论：

（1）黏弹性阻尼器的外观质量和尺寸偏差符合规程要求，最大阻尼力、表观剪切模量、损耗因子、滞回曲线和表观剪应变极限值等力学性能良好，实测值与设计值相差不超过±15%。外观质量和力学性能均符合规程要求。

（2）黏弹性阻尼器滞回曲线光滑饱满，说明其在地震或风荷载作用下可以耗散大量的能量，从而减少结构响应和破坏。

［1］ Samali B，Kwok K C S.Use of viscoelastic dampers in reducing wind-and earthquake-induced motion of building structures［J］.Engineering Structures，1995，17（9）：639-654.

［2］ Munshi JA.Effect of viscoelastic dampers on hysteretic response of reinforced concrete elements［J］.Engineering Structures，1997，19（11）：921-935.

［3］ 周云，赵鸿铁.粘弹性阻尼结构的性能，分析方法和工程应用［J］.地震工程与工程振动，1998，18（3）：96-107.Zhou Yun，Zhao Hongtie.Performance，analysis method and engineering application of viscoelastically damped structures［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1998，18（3）：96-107.（in Chinese）

［4］ 吴波，郭安薪.粘弹性阻尼器的性能研究［J］.地震工程与工程振动，1998，18（2）：108-116.Wu Bo，Guo Anxin.Research on the performance of viscoelastic dampers［J］.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1998，18（2）：108-116.（in Chinese）

［5］ 周颖，李锐，吕西林.黏弹性阻尼器性能试验研究及参数识别［J］.结构工程师，2013，29（1）：85-93.Zhou Ying，LiRui，Lu Xilin.Experimental study and parameter identification of viscoelastic dampers［J］.Structural Engineers，2013，29（1）：85-93.（in Chinese）

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JG／T 209—2012 建筑消能阻尼器［S］.北京：中国标准出版社，2012.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.JG／T 209—2012 Dampers for vibration energy dissipation of buildings［S］.Beijing：China Specification Press，2012.（in Chinese）

Experimental Study of Advanced Viscoelastic Dampers

ZHOU Ying*GONG Shunming
（State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Viscoelastic（VE）damper is a kind of typical passive damping devicewhich will produce hysteretic shearing deformation，so as to improve the structural damping ratio and reduce the structural responses during earthquake or wind-induced vibrations.In this paper，three viscoelastic damperswith advanced material，which will be used in the new tower projectof Nanjing Da Bao＇en Temple，are tested to evaluate their performance for sampling inspection according to Chinese standard Dampers for Vibration Energy Dissipation of Buildings（JG／T 209—2012）issued in 2012.The performance evaluation on VE dampers included appearance quality，dimension deviation，maximum damping force，pseudo-shearmodulus，loss factor，hysteresis curves and ultimate value of pseudo-shearmodulus.It is concluded that the VE dampers have good performances，meet the requirements of Chinese standard and could be used in engineering structures.

viscoelastic dampers，performance test，Chinese standard，sampling inspection

2013－12－10

国家自然科学基金项目（51322803，51261120377）、上海市青年科技启明星计划（13QA1403700）

*联系作者，Email：yingzhou＠tongji.edu.cn