工程结构黏滞消能减振技术的阻尼器力学性能试验结果

该工程要求阻尼器能够在小位移的情况下输出较大的阻尼力，设计出的阻尼器足尺模型需要通过试验进行测试，作为阻尼器性能评价的依据，保证阻尼器成品能够达到对结构加速度控制的指标。

为满足结构设计中对大阻尼系数的要求，研制的阻尼器采用单阻尼孔设计，选用2种不同孔径的阻尼螺钉进行试验，其余构造参数（如导杆直径、活塞外直径、缸筒内直径以及阻尼介质等）均不变，以研究阻尼螺钉不对称布置以及不同孔径对阻尼系数的影响。阻尼器构造参数见表2-1所示。

表2-1　试验阻尼器参数

阻尼器性能试验在东南大学结构试验室进行，采用MTS疲劳试验机，由FLEX-GT数字控制器、MTS-793.10软件进行加载控制。该试验机最大加载幅值为1 000 k N，实验中控制最大加载幅值为±500 k N，加载频率为0.1～1.5 Hz。阻尼器试验装置见图2-14。

在试验中，夹具采用固定式连接。安装时，先将黏滞阻尼器上端通过螺栓和法兰与试验机的作动器相连（见图2-15），再通过作动器将阻尼器稍稍提起，然后落下将阻尼器下端与底座连接牢固（见图2-16）。

图2-14　阻尼器试验装置

图2-15　阻尼器上端连接

图2-16　阻尼器底座连接

对上述2个阻尼器，分别采用正弦激励法进行性能试验，用按照正弦波规律变化的输入位移u来控制MTS试验机的加载系统的加载，即：

式中，u——系统输入位移（mm）；

u0——系统输入位移幅值（mm）；

ω——加载频率（Hz）；

t——时间（s）。

通过对阻尼器A、B施加不同频率的正弦力，分别测得不同位移幅值下阻尼器的位移、相应的阻尼力以及对应的时间，从而得到阻尼器阻尼力随激振频率、位移幅值和阻尼孔直径变化的实际情况。阻尼器A、B的试验工况分别见表2-2、表2-3。

表2-2　阻尼器A试验工况

表2-3　阻尼器B试验工况

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通过试验，得到阻尼器A、B在各工况下的阻尼力—位移滞回曲线，分别如图2-17和图2-18所示。

图2-17　阻尼器A试验结果

图2-18　阻尼器B试验结果

根据试验得到单孔阻尼器的力—位移滞回曲线，该类型阻尼器滞回比较饱满，耗能能力较强。在观光塔基频（0.4 Hz）附近，较小的振动幅值下，阻尼器即可产生较大的阻尼力（300 k N），能够满足对观光塔加速度控制的要求。

为满足设计要求，该型阻尼器在活塞上仅仅设置单阻尼孔来进行能量耗散，阻尼孔孔径很小，且在活塞上成不对称布置，其阻尼力—位移滞回曲线出现一定的倾斜，表明阻尼器具有一定的刚度（参见图2-19、图2-20）。

图2-19　阻尼器刚度变化趋势

图2-19对阻尼器A和B的刚度变化情况进行对比，由图可以看出，该型阻尼器在外界激励作用下，均存在一定的刚度。在较小的激励频率下（0.1 Hz、0.2 Hz），阻尼器就已经出现刚度，并且随着加载频率的增加，阻尼器的刚度有逐步增大的趋势。

图2-20为阻尼器A和B在相同加载工况下（f=0.4 Hz、u0=4 mm）的阻尼力—位移滞回曲线，由图可以看到，阻尼器A在同条件工作时，相对阻尼器B的刚度更为明显。定性分析认为，由于A型阻尼器的阻尼孔径较小，在外界能量输入使阻尼器往复运动时，尤其是激励频率较高的情况下，阻尼介质更难以及时流经活塞上的阻尼孔所致。

因为该阻尼器主要用于结构的风振控制，所以对阻尼器连续进行了频率为0.1 Hz、幅值为±20 mm的650个循环的疲劳试验。图2-21给出了与试验中第10、第30、第40、第610和第650个循环相对应的阻尼力—位移滞回曲线。由图可以看出，由疲劳试验得到的阻尼器滞回曲线始终非常饱满，受拉和受压状态的阻尼力基本对称，各个循环曲线吻合较好，试验全过程阻尼器未出现异常情况。

图2-20　阻尼器刚度对比

图2-21　阻尼器B疲劳试验

通过疲劳试验结果，得到该型阻尼器的最大阻尼力为300 k N，最小阻尼力为280 k N，经过650个循环后，阻尼力幅值降低20 k N，约为最大值的6.7%。且由试验可知，该阻尼器经过40～50个循环后，最大阻尼力基本能够保持稳定。

对照抗震规范，在最大允许位移幅值下，按允许的往复周期循环60圈后，主要性能衰减量不超过10%的要求，该阻尼器没有明显的低周疲劳现象，抗疲劳性能可以满足要求，工作性能稳定。其最大阻尼力随循环次数的变化情况见图2-22。

图2-22　阻尼器B疲劳试验阻尼力变化

该观光塔建造完工后进行验收时，正遇大风暴雨天气。在观光平台上，未感觉到明显振感，表明采用大阻尼系数黏滞阻尼器对结构风振响应控制效果良好。