非线性黏滞阻尼器性能试验

术规定尚需进一步明确和细化。针对性能参数确定、滞回曲线面积评定及慢速试验实施等争议较多的问题，分别从 测试技术和数据处理两方面进行探索研究。通过对工程常用非线性黏滞阻尼器开展性能试验，明确了性能参数的

数据处理方案，统一了地震疲劳性能试验评定滞回曲线面积的技术规定,细化了慢速试验实施的技术要求。研究成果可 供非线性黏滞阻尼器性能试验技术标准完善参考。关键词：非线性黏滞阻尼器;性能试验;性能参数;耗能公式;滞回曲线中图分类号：TU352. 1 文献标志码：A D0I：10. 13465/j.cnki.jvs.2019.20.010A study on the performance of nonlinear viscous damper testingS& Hexiart，2 1./ Ge\"1，2 / Xicmg3YANG XooYo\1，2 , , , , K4J 'zz, Z$4/G EOgxO\"12 ，\"(1. School of Civil Engineering, Kunming University of Science and Technology , Kunming 650500, China ；2. Earthquake Enginee/ng Researching Center or Yunnan, Kunming 650500, China；3. Kunming University, Kunming 650214, China； 4. School or Urban Construction, Yunan Open University, Kunming 650223, China)Abstract: PeOoonance test on non-linear viscous dampar is an xsential way W assess its peObonance. Howevar, pa/ of tha techniqua provisions in tha codas of practice associated with pe/oonanca test on non-linear viscous dampar has no- been

speciJed and detailed. Thera arc still a few controversial issuas of d/wmining tha peObonance parameteo C and), ys/sing tha are/ of hysteresis loop, conducting loww/ocity test, etc. In view of these, this study examined both tha associated Wst

techniqua and data processing approaches. Based on a seoas of test on tha typical nonlinear viscous dampar in enginee/ngprytWo, a data processing schema was determined for tha p/formanco pyameters C and)Tha techniqua provision about

ys/sing tha are/ of hysteresis loop and conducting loww/ocity test was then speciJed. Tha results of this study wilt povida guibanco for improving tha techniqua provisions for assessing tha peOoonanco of nonlinear viscous damper.Key woSs： nonlin/r viscous dampar ； peOoonanco test ； pe/ormanco parameters ； en/gy consumption foonulv ；hysteresis loop地震和风振严重威胁人类的生存发展，为防御强

震和飓风这两种自然灾害对建筑结构造成破坏而导致 人们生命和财产的巨大损失，研究人员通过不断的探

全、可靠的结构防震减灾措施（2—3）&黏滞阻尼器是一

种典型的速度相关型被动耗能器，缸式黏滞阻尼器是 建筑结构中最常用的类型，其活塞在高黏性阻尼介质

中运动产生黏滞阻尼而实现耗能⑷&建筑结构中的黏

索,开创性的提出在建筑结构中采用消能减震技术。 与传统“硬抗”措施不同，消能减震技术着力于调整或 改变结构的动力特性以实现有效控制结构的震（振）动 响应，从而达到保障结构地震（风振）安全的目的⑴&

滞阻尼器为结构提供附加阻尼,对刚度几乎不产生影

响，因此不会改变结构的动荷载作用,在较大的频率范

在建筑结构中设置黏滞阻尼器是一种经济、有效、安基金项目：国家自然科学基金（51168024）收稿日期：2018-12-11修改稿收到日期：2019 -04 -23

围内具有比较稳定的阻尼特性,从小振幅到大振幅运 动都可以发挥阻尼耗能作用⑸&由于黏滞阻尼器并不

对结构起支撑作用,其后期的维修和更换便利&《建筑抗震设计规范》GB 50011 —2010、《建筑消能

第一作者 苏何先男,博士生，高级实验师,1982年生减震技术规程》JGJ 297—2013 （以下简称《消规》）等技

术标准的颁布实施及近年来国家、地方先后发布的相 关法律法规和产业利好于建筑减隔震行业的发

通信作者 潘文男，博士，教授，博士生导师,1968年生E-mail ：47762702@ qq. com

62振动与冲击2019年第38卷展，行业的快速发展推动了黏滞阻尼器的工程应用，不

断增长的市场需求促进了自主产品的研制〔6「10］,国内 黏滞阻尼器研制企业快速成长,但各企业研发能力、材

料技术和加工制造工艺水平的差异必然导致产品质量

良莠不齐。黏滞阻尼器漏液是最容易出现的失效故 障［11_13］,国际上已有许多黏滞阻尼器漏液导致返工的

事故〔⑷，建筑结构中黏滞阻尼器遭受地震破坏的事例

也有了报道，而作者在云南省抗震工程技术研究中 心参与的大量黏滞阻尼器性能测试试验中也出现过漏

在正常使用期间遭受到超设计地震作用时可有效避免

液、缸体破坏、活塞杆屈曲、连接头断裂以及慢速试验

与阻尼器连接的主体结构由于受力过大而发生损

时轴向阻力过大等产品质量问题。因此，通过性能试 验进行黏滞阻尼器产品质量控制对确保消能减震结构 的地震安全意义重大。《消规》和《建筑消能阻尼器》JG/T 209—2012 (以 下简称《阻尼器》)系统的构建了我国建筑消能阻尼器 性能试验的方法标准及技术规定，为黏滞阻尼器产品 研制、工程应用及产业健康发展提供了支撑和保障。

但黏滞阻尼器性能试验依据的标准体系并未明确阻尼

系数和阻尼指数的确定方法，对地震疲劳性能试验滞 回曲线面积评定的技术要求也不统一，导致黏滞阻尼

器性能测试与评估困难。同时,慢速试验的实施及试 验结果的评定等问题引起的争议也较多。针对上述黏 滞阻尼器性能试验开展中常见问题进行深入的探索研

究，以期为建筑黏滞阻尼器性能测试与评估技术标准

完善提供参考。1黏滞阻尼器性能参数$、\"测试1.1性能参数$、\"测试的理论基础黏滞阻尼器性能测试试验主要包括力学性能试

验、疲劳性能试验、频率相关性试验、慢速试验、静力过 载试验和极限位移试验等。通过性能试验获取的主要 性能参数指标有极限位移、最大阻尼力、极限速度、阻

尼指数、阻尼系数、滞回曲线及滞回曲线面积(16「17)。

其中阻尼系数C和阻尼指数a不能由试验直接测量,

而需要根据黏滞阻尼器的工作机理或能量原理进行试

验数据处理间接得到。黏滞阻尼器的阻尼力公式可表示为［17「18):by =Cl/asgn( 9 ( 1)

式中:B为黏滞阻尼器在相应位移下的阻尼力；C为黏 滞阻尼器的阻尼系数;/为活塞运动的相对速度；'为 黏滞阻尼器的阻尼指数,(0,1］。黏滞阻尼器的a 为0时具有理想的耗能滞回曲线，'为1时耗能滞回曲 线接近椭圆，如图1所示。当'较小时,在小于设计速度情况下阻尼器的耗 能效率更高，减震效果更好;而在大于设计速度时，其 输出力超过最大设计值的幅度也越小，即黏滞阻尼器坏(19］。因此，工程常用黏滞阻尼器多为'<1的非线 性黏滞阻尼器。黏滞阻尼器的耗能能力是用结构设计中非线性黏

滞阻尼器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能

量表示的， 其计算式为:Gc = max\"u

(2 )式中:Bma\\为非线性黏滞阻尼器在相应水平地震作用 下的最大阻尼力，\"u为非线性黏滞阻尼器的位移,1为

阻尼指数的函数，其函数式为(18］:、A=2 + '厂2 (1 + a/2)=2 9( 2+a)

(3 $式中:厂为伽玛函数。阻尼力式(1)和耗能式(2)均可用

于确定非线性黏滞阻尼器的关键性能参数C、a,但两者 在数据处理中操作的便捷性及数据处理结果的一致性

将直接影响非线性黏滞阻尼器的性能测试与评估。1.2采用阻尼力公式确定性能参数$、\"非线性黏滞阻尼器力学性能试验和疲劳性能试验

均采用正弦位移控制加载，其加载位移和加载频率(加

载速度)由结构设计确定。常用拟动力试验系统能够

直接测得非线性黏滞阻尼器的阻尼力和位移数据,根 据黏滞阻尼器的阻尼力式\"1)可知，在加载速度已知的

情况下，通过建立方程组可直接求解出未知参数C、a,

但因加载测试系统通常未配置速度传感器，数据处理

时，加载速度由测试位移求导得到，间接测量数据(计

算速度)是否准确可靠将直接影响性能参数C、a的测

试结果，因此，首先对计算速度结果进行校验。(1)速度数据验证通过外置速度传感器和位移传感器及与其配套的

测试系统(试验所用SERVOTEST公司生产的拟动力加

载测试系统未配置速度信号采集接入端口 )进行加载

位移和加载速度同步测量，对测试位移数据求导得到

计算速度,并将速度传感器的实测速度与位移传感器

求导所得的计算速度作对比，以验证二者是否完全一 致。其中,外置位移传感器除用于保证速度信号与位

移信号同步测量外，还用于校核拟动力加载测试系统 的内置位移传感器并建立内外两套测试系统的数据联

第 20 期苏何先等：非线性黏滞阻尼器性能试验63

系。速度验证试验按黏滞阻尼器力学性能试验进行加 (2)数据点选择利用阻尼力公式(1)计算性能参数C、a时,最少需 要选取两个实测数据点,针对数据点应如何选取及不

载，图2为传感器布置示意图。同的数据选取方式是否会对测试结果产生影响展开

研究。以设计性能参数如表1的非线性黏滞阻尼器为研

图2传感器布置

Fig. 2 Sensors arrangement究对象，通过开展力学性能试验测得其设计位移工况

的试验数据,并利用阻尼力公式进行数据处理。首先

利用外置位移传感器、速度传感器及拟动力阻尼 器加载测试系统的配套传感器进行数据测量。由试验

尝试选取两个数据点计算性能参数C、a,因涉及幂函

数求解，基于方便数据处理，仅利用第一象限的数据,

测试数据可知，实测速度曲线稍滞后于计算速度曲线,

两者存在相位差，如图3 ( a)所示;计算速度由位移求导

而得,两者相位差刚好为90。，如图3 ( b)所示;计算速

度与阻尼力也不完全同步，阻尼力的相位滞后于计算

速度的相位，见图3(c)&由此可见，由计算速度与实测

阻尼力计算性能参数C、'必然产生误差。对比发现,

实测速度与阻尼力相位的一致很好，因此，进行黏滞阻

尼器性能测试时,配置同步速度传感器直接测量加载

速度有利于方便准确的获得性能参数C、a。1

t/s2 3(c)计算速度与实测速度—计算速度(b)加载位移与计算速度—计算速度 一一P(i计算速度与阻尼力

图3结果曲线Fig. 3 Result cu/es固定选取阻尼力和速度最大的点为第一个数据点，在

剩余数据中变换选取第二个数据点，所得性能参数' 结果如图4所示。表1非线性黏滞阻尼器设计性能参数Tab. 1 Design performance parameters

of nonlinear viscous damperaC/( kN. mm • s 1 )〃Ho△ u/mm0.251690.46575图4数据点选择与性能参数'结果

Fig. 4 Relationship between date selection and results of peWormancc pa/meter a由图4可见，第二个数据点选取不同将导致阻

尼指数结果差异很大，直接影响非线性黏滞阻尼器

的性能评估&因此,为避免数据点选取不同对试验 结果产生影响,尝试选取第3循环圈的全部数据进

行幂函数拟合以获取试验性能参数&由力学性能试

验数据拟合各加载位移工况下黏滞阻尼器的阻尼力

-速度曲线如图5所示,幂函数拟合的试验性能参

数结果见表2&表2性能参数C、\"拟合结果Tab. 2 Fittee reselts of performance parameters C and a位移工况

C

误差/%

a

误差/%0. 11u135 - 70-19.70. 275 410.20. 21u139- 07-17.70. 294 117.60. 51u165 - 85-1.90. 2 85. 90. 71u171.211.30. 256 22. 51 - 01u162- 79-3.70. 262 95. 21.21u186.5110.40. 234 3-6.3450「400350N 300

振动与冲击7=139.070294 12019年第38卷弋250工200150100500

-

--—1 1 1 1 10 5

10 15 v/(mms_1)200 10

20 30 v/(mms_1)40 500 20

40 60 80 v/(mms_1)100(b) 0.2加工况8 r

(c) 0.5A”工况尸］62.790262 9R2=o 997 87 -

0 ----------■----------■----------■----------■—10 60 110 160 210

v/(mms_1)210 --------1--------1--------1--------1--------^―0 50 100 150 200 250v/(mms_1)(f) 1.2Aw工况(d) 0.7Azz工况(e) 1.0△况工况图5曲线拟合Fiq. 5 Fitted cuoes表2为非线性黏滞阻尼器力学性能试验六级位移 度由加载位移数据求导得到，由于计算速度与实际速 度存在相位差，由此确定性能参数C、'必然会引入误 差。利用能量原理确定非线性黏滞阻尼器的阻尼指数

工况的拟合性能参数C、',其中0.1 △(和0.2 △(位移

工况的C、'结果超出现行试验技术标准的误差允许范

围。大量性能试验结果统计发现，多数非线性黏滞阻 时，将不涉及加载速度，同时也可避免利用阻尼力公式

尼器在0. 1 △(和0.2 △(两级位移工况下的测试C、' 均存在超限,如果严格按现行标准执行,其性能试验结

论均为不合格。分析认为，阻尼介质含气泡、间隙等因

计算性能参数C、'时数据点选取的影响。1.3采用耗能公式确定性能参数$、\"非线性黏滞阻尼器设计时,其性能参数是由耗能

式(2)确定的，因此，性能试验可考虑采用式(2)进行 数据处理以获取性能参数'，然后再利用黏滞阻尼器的 阻尼力公式确定性能参数C。为便于由1函数式(3)

素均会对性能参数C、'的测试结果产生影响，而非线 性黏滞阻尼器与测试设备之间不可避免的存在连接间

隙，同时，为满足非线性黏滞阻尼器与测试设备连接而

定制的连接销轴经常出现抗弯刚度不足，试验过程中

求解出阻尼指数',《消规》提供了 1与'对应关系的

连接销轴会产生不同程度的弯曲变形，连接间隙和销

数据表6.3.2,并提出其它数据可采用线性插值确定,

即1函数被简化为'的线性函数，在')(0,1)的取值 范围内，其函数式可表达为1=0.8'+3.9&因阻尼指

轴变形均会对非线性黏滞阻尼器的性能测试结果产生

影响,小位移加载工况更为显著。因此,非线性黏滞阻

尼器性能评估经常采取忽略0. 1 △(和0.2 △(位移工

数'是决定非线性黏滞阻尼器性能的关键因素，为准

确评估非线性黏滞阻尼器的性能，对由简化1的线性

况的测试C、'结果，或者以力学性能试验六级位移工

况综合确定的性能参数C、'(各加载位移工况仅选取

第3循环圈阻尼力和速度最大的一个数据点共六个数

插值函数式计算阻尼指数'的误差进行分析。(1)简化1函数的误差根据函数1的表达式(3)和由《消规》提供的数据

表建立的线性插值关系式1 = - 0. 8' + 3. 9,')

据点进行曲线拟合)作为性能参数C、'的测试值，而不 单独确定各加载位移工况的C、'。这些处理方案在一 定程度上虽避免了出现非线性黏滞阻尼器性能测试结 果均无法满足现行技术标准要求的情况，却存在不能

(0,1),分别求解1): 3.1,3.9)对应的'结果，并绘制

出1与'的关系曲线，如图6所示。由图6可知，当非线性黏滞阻尼器设计性能参数'

全面准确反映产品性能的可能。为实现准确测试产品 性能，可考虑通过外置位移计来消除试验误差对测试

的取值在0. 3〜0. 823区间时，根据试验得到的1结 果,利用规范提供的简化线性插值函数式计算性能参

数其误差小于2% ,随性能参数'的设计取值向

结果的影响。总之，利用阻尼力公式计算性能参数C、'需要加 载速度数据,当试验设备未配备速度传感器时,计算速

(0,1)区间的两端扩展，由简化线性函数式计算性能参第20期苏何先等：非线性黏滞阻尼器性能试验65数直接求解性能参数 a。(2)利用能量原理计算性能参数C、a及误差控制

非线性黏滞阻尼器性能试验实测滞回曲线在二、 四象限均存在程度不同的水平滑移段，连接间隙、充液

不满和阻尼介质含气泡等都是引起滞回曲线局部畸变

的主要原因&由于滞回曲线面积变小将直接影响到性 能参数的确定，为定量考查滞回曲线局部畸变对采用

耗能公式计算阻尼指数'的影响，对设计性能参数如

表 1 的非线性黏滞阻尼器的试验结果展开分析。根据力学性能试验数据，绘制各加载位移工况第3

数'的误差逐渐增大。当'=1时,误差为5. 20 %；' =

0 - 35 时,误差为 2. 68 %；'=0 - 25 时，误差为 11.75 %；

循环圈的实测阻尼力-位移滞回曲线和设计理论滞回

曲线，如图7所示,实测滞回曲线面积及阻尼指数结果

a=0.15时,误差为39.50 %。而房屋结构中常用的非

线性黏滞阻尼器设计性能参数取值多在0- 15〜0- 35

如表3所示。将测试阻尼器作理想化修正处理，即假

之间，采用规范线性插值法进行试验参数计算误差较 大，不利于试验人员对产品性能的准确判定，建议由函

定实测滞回曲线在二、四象限平顺上升,修正处理后的

数据结果见表 3。表3滞回曲线面积及阻尼指数结果Tab・ 3 Reselts of hysteresis curves area and damping expoceptsWc/位移工况0.1 △(0.2 △(0. 5△(( kN. mm)a设计值10 228实测值6 62920 318误差/%-35.18-16.48-1.13修正值8 950误差/%-12.5-3.14设计值0.250.250.250.250.250.25实测值1.831误差/%63230297.6修正值0.284误差/%13.634.824 32776 4742356380 6050.33775 613116 995182 8825.40.490.2410.219-3.6-12.4-13.2-14.40.7 △(116 459181 886228 44240.460.55122 553188 810233 01053x5.230.40.3458.81.0 △(1.2 △(3.812.0035.222.40.2170.214227 373-0.470.316.422Aw/mm-0--82-27Aw/i-16L-14-4dAw/iLm令-20-220:40匚--理论曲线——实测曲线-4-理论曲线——实测曲线(b) 0.2△“工况5-5 1-(a) 0.1 Awl况Z537\"^6\"•理论曲线——实测曲线7(c) 0.5Az/工况53Awzmm20

403Aw/i im-801-60-20 -1(60207(-100:-50(T-5Aw?mm50：100-5-5理论曲线——实测曲线(d) 0.7△\"工况理论曲线——实测曲线(e) 1.0△\"工况•理论曲线——实测曲线(f) 1.2△\"工况图7设计滞回曲线与实测滞回曲线Fog.7 Compaaoson otdesogn and iesihysieaesoseoops由表3所列数据可见，滞回曲线局部畸变对阻尼

指数的影响远大于对滞回曲线面积的影响，因加载工

况0.1 △(和0.2 △(的位移幅值相对较小，连接间隙、充液不满和阻尼介质含气泡等因素对滞回曲线面积同66振动与冲击2019年第38卷样会产生较大的影响，随加载位移幅值的增大,其影响 逐渐减小。测试滞回曲线经理想化修正处理后，各加载工况 滞回曲线面积均增大，特别是0. 1 △(和0.2 △(两级

加载位移工况增加较多。与滞回曲线面积相比，阻尼

备性能准确可靠的基础上，明确性能参数C、'的数据

处理方法具有重要的现实意义。对比发现，分别利用

基于黏滞阻尼器工作原理的阻尼力公式和基于能量原

理的耗能公式对同一组试验数据进行处理，得到的性

能参数C、'的结果差异明显，直接导致试验人员难以

给定非线性黏滞阻尼器的性能评估结论。分析认为,

指数的变化更显著。由此可见，由实测数据采用耗能

公式求取阻尼指数'对连接间隙、充液不满和阻尼介 质含气泡等影响黏滞阻尼器耗能能力的因素特别敏

实际产品难以完全满足理论要求、试验设备误差及试

验技术手段有待改进等原因都会导致两种数据处理方

式所得参数结果不一致,从非线性黏滞阻尼器在消能 减震结构中所发挥的实际作用层面考虑，利用耗能公

感，在低于设计速度时尤其明显&因此，性能测试时利

用耗能公式确定的阻尼指数'能更准确的反映非线性 黏滞阻尼器在低于设计速度工作状态的耗能性能。为尽量减小试验误差，试验过程中因销轴匹配产

生的连接间隙及销轴弯曲变形等导致耗能减少的问题 必须得到有效控制。通过外置位移计确实能有效的解 决该问题,但从非线性黏滞阻尼器性能测试的根本目

的是服务于工程应用考虑，提出了将非线性黏滞阻尼

器与其配套的工装件组装成套进行检测的方案，如图8

(a)所示，这不仅能有效的避免图8 (b)所示连接方式

引入的试验误差,而且能更准确的反映非线性黏滞阻 尼器安装在建筑结构中的真实性能&(e)含工装件(b)不含工装件图8黏滞阻尼器试件安装Fiq. 8 Installation or viscous damper specimens1.4确定性能参数$、\"的方法分析阻尼系数C和阻尼指数'为间接测试量，非线性 黏滞阻尼器性能试验的直接测试数据经数据处理后才

能得到参数C、',参数C、'是反映非线性黏滞阻尼器

性能的核心指标,数据处理方法选择是否合理将直接 影响性能试验的评估结论。因此，在确保加载测试设

式进行数据处理更合理,其结果也能更全面的反映非 线性黏滞阻尼器的实际工作性能，更利于产品质量控

制和提升，但由函数1求解阻尼指数'的难度较大，而

按现行规范提供的线性插值方法确定'将会引入误 差。因此,非线性黏滞阻尼器性能测试时利用耗能公 式确定参数2的方法实用性较差，利用阻尼力公式进

行数据处理更容易被试验人员接受&利用阻尼力公式确定性能参数C、'需要试验的加

载速度数据,而性能试验通常不进行速度的直接测试,

研究表明，由加载位移求导的计算速度与实际加载速 度存在相位差，这将导致间接测量参数C、'的结果不 准确。因此，非线性黏滞阻尼器性能试验中配置速度

传感器是其性能准确测量的重要措施。通过对采用阻

尼力公式确定性能参数C、'的数据选取问题的研究表

明，利用全部数据进行幂函数拟合方案更合理。非线 性黏滞阻尼器性能测试时规定将黏滞阻尼器与其配套

的工装连接件组装成套检测是避免试验误差的有效

手段。2地震疲劳性能试验地震疲劳性能试验将导致非线性黏滞阻尼器大量 发热，其热性能稳定与阻尼介质的黏温性直接相 关叫21),因此，阻尼指数、阻尼系数及滞回曲线面积等 均是评价其地震疲劳性能的主要性能指标，但实际测

试中，考虑到阻尼指数和阻尼系数与滞回曲线面积直

接相关，非线性黏滞阻尼器地震疲劳性能测试经常仅

给出滞回曲线面积指标，由于阻尼指数、阻尼系数及滞

回曲线面积等参数各自的特异性和温度敏感度不同，

这就有可能导致评估结论不严谨。如图9(a)所示某一 非线性黏滞阻尼器疲劳性能试验所得30循环圈的滞

回曲线重合性较好,试验滞回曲线面积与设计滞回曲

线面积的偏差范围为-14.08%〜-2. %，满足试验 标准要求,但实测阻尼指数与设计阻尼指数的偏差范

围为-26. 13%〜-5.20%,共有13个循环圈的阻尼

指数不满足标准要求，阻尼系数与设计阻尼系数的最 大偏差也达到17. 97% &因此，非线性黏滞阻尼器地震

第 20 期苏何先等：非线性黏滞阻尼器性能试验67疲劳性能试验应严格按《消规》的规定，综合考虑阻尼 非线性黏滞阻尼器地震疲劳性能试验所得第1

指数、阻尼系数及滞回曲线面积等参数在连续加载试 循环圈和第30循环圈的滞回曲线与其余28循环圈 的滞回曲线通常存在较大的差异，如图9所示,这将

验过程中的变化情况，全面评估非线性黏滞阻尼器的 地震疲劳性能&导致第1循环圈和第30循环圈的阻尼指数、阻尼系

地震疲劳性能试验滞回曲线面积评定争议较大,

《阻尼器》规定:任一循环圈滞回曲线包络面积实测值 偏差应在设计值的±15%以内，实测偏差的平均值应 在产品设计值的±10 %以内(16)；《消规》规定:实测产 品在设计速度下连续加载30圈，任一个循环的滞回曲 线面积应为所有循环的滞回曲线面积平均值的 数甚至滞回曲线面积等不满足试验技术要求,但该

差异并不完全是其耗能性能不稳定的表征,因为不

论设备性能和控制程序如何优异,加载设备从静止

状态到试验样品的设计速度(第1循环圈)和从试 验样品的设计速度再到试验停止(第30循环圈)都

存在一个伺服加速和减速的时间过程,而其加速的

±15%[17]&上述两本现行标准对滞回曲线面积的技术

要求不一致，依据不同的评定标准可能出现完全不同 的结论。如图9 (b)为一非线性黏滞阻尼器地震疲劳

试验滞回曲线,30循环圈中任一循环圈的滞回曲线面

积均在所有循环圈滞回曲线面积平均值的±15%范围

内,其偏差范围为-12. 05% - 6. 62%，测试结果满足

《消规》的技术指标要求,但实测滞回曲线面积与设计

值的偏差范围为-17. 93 %〜-0. 80 %，其中第28、第 29及第30循环圈的滞回曲线面积与设计滞回曲线面

积的偏差分别为-15. 28%、- 16. 52%及-17. 93%，

均不满足标准要求，结合各循环圈阻尼系数及阻尼指

数结果，按《阻尼器》评定非线性黏滞阻尼器地震疲劳 性能试验的滞回曲线面积更合适。同时，结构消能减

震设计时,非线性黏滞阻尼器预期功能的量化指标是

设计值，因此，《阻尼器》的规定对非线性黏滞阻尼器性

能稳定性要求更高,更利于保证消能减震结构的工作 性能。疲劳试验滞回曲线--设计滞回曲线(g)设计阻尼力800 kN的黏滞阻尼器疲劳滞回曲线---设计滞回曲线-8 1-一 ••平均值曲线(b)设计阻尼力650 kN的黏滞阻尼器图9疲劳试验滞回曲线Fiq. 9 Hysteresisloops(O fatique Wst起点和减速的终点均设定在非线性黏滞阻尼器活塞

行程的中位,这必然导致第1循环圈和第30循环圈

的试验数据不能准确的反映出试样稳态的工作性

能&因此,非线性黏滞阻尼器地震疲劳性能评估宜

剔除第1循环圈和第30循环圈的数据,剩余任一循

环圈的滞回曲线包络面积实测值偏差应控制在设计

值的±15 %以内,实测偏差的平均值应控制在产品

设计值的±10%以内&有机硅油是黏滞阻尼器的理解阻尼介质材料,

它具有无机物二氧化硅的耐高温、不挥发、无毒无腐

蚀和化学性能稳定等优异性能(20] &地震疲劳性能 试验产生的高温造成阻尼介质氧化的可能性较小,

但高温却可能会引起非线性黏滞阻尼器的密封件变

形磨损及缸体内径改变而影响其后续工作性能,同

时,现行非线性黏滞阻尼器性能试验标准未提出开

展内压测试的要求,地震疲劳性能试验后拆开黏滞

阻尼器进行缸体内径测量,曾出现过缸体内径改变

的情况&缸体变形必然会影响到黏滞阻尼器的密封

性能,国内还出现过黏滞阻尼器试验过程缸体炸裂

的事故&因此,基于密封耐久和性能稳定可靠考虑,

进行过地震疲劳性能测试的非线性黏滞阻尼器不建

议继续使用,若欲继续在工程中使用,应对完全恢复

正常状态的试样重新进行力学性能测试&3慢速试验《消规》提出了非线性黏滞阻尼器应进行慢速试 验的要求,但并未提供标准的试验方法和具体的技术

指标要求&因此,非线性黏滞阻尼器慢速试验执行的 并不严格&针对不同型号规格及同批次同型号规格

的非线性黏滞阻尼器开展慢速试验，试验结果如图10

所示。其中图10( a)为同批次设计阻尼力561 kN的 5套非线性黏滞阻尼器的慢速试验结果,图10 (b)为

不同型号规格的非线性黏滞阻尼器的慢速试验结果&

图示各试验曲线存在明显的差异，如何利用试验结果

进行非线性黏滞阻尼器性能评估是试验人员关注的

焦点。68振动与冲击2019年第38卷大量非线性黏滞阻尼器慢速试验结果表明，黏滞

阻尼器的阻尼力公式在慢速试验中不再成立，但加载

速度同样会影响慢速试验的轴向阻力结果，如图11所

示。图11 (a)为加载控制位移分别采用频率0.002 Hz

的正弦波和三角波所得设计阻尼力为200 kN的非线 性黏滞阻尼器的轴向阻力-位移曲线，两曲线形状明

1# ..........2# ------- 3#--------4#--------5#显不同，正弦波加载得到的最大轴向阻力大于三角波 加载的结果,结合慢速试验的试验目的,首先可以确定

慢速试验采用三角波加载更合理。 由于三角波控制的 加载为匀速加载，而正弦波控制的加载为变速加载，图 (a)同型号黏滞阻尼器30 rz2CU- W.Jjf \"”:…o\"严十*△况/mm12 4唸12-2U---30--设计阻尼力设计阻尼力336 kN-----------

设计阻尼力500 kN 650 kN----------设计阻尼力1 000 kN(b)不同型号黏滞阻尼器

图10非线性黏滞阻尼器慢速试验结果Fog.10 Lowveeocoiyiesiaesueisotnoneoneaavoscousdampeas慢速试验的目的是评估黏滞阻尼器在模拟热运动

或准静态作用下的轴向阻力〔⑵。总结作者开展的大量

非线性黏滞阻尼器慢速试验数据结果发现，慢速试验 测得轴向阻力较小(轴向阻力不大于设计阻尼力的

6% )的非线性黏滞阻尼器在基本力学性能试验、地震

疲劳性能试验和频率相关性能试验中也都呈现出更接

近设计预期的性能结果,而轴向阻力较大的非线性黏

滞阻尼器的其它性能指标的测试结果也经常无法满足

现行标准要求。对比欧洲标准UNI EN 15129—2009, 其慢速试验轴向阻力的条件却是小于设计阻尼力 的10% ［⑵。因此,在黏滞阻尼器慢速试验轴向阻力评 定时就会存在顾虑,基于目前的工艺水平，如果将轴向

阻力的条件确定为不超过设计阻尼力的6%是否

过严而导致大量耗能性能良好的产品无法满足慢速试

验要求;相反,如果将轴向阻力的限值确定为设计阻尼

力的10%，是否又无法充分有效的发挥慢速试验对产

品质量的控制作用。UNI EN 15129—2009对慢速试验的具体规定是：

匀速加载循环一周，加载速度为大于0.01 mm/s且不 超过0. 1 mm/s,加载位移幅值不小于10 mm,轴向阻力

不超设计阻尼力的10% ［⑵。参照UNI EN 15129— 2009,作者开展慢速试验的加载位移幅值均取为

10 mm,混合采用过控制位移为正弦波和三角波的加载

模式，加载频率统一为0.002 Hz。试验结果表明，加载 方式不同，所得轴向阻力大小不同。因此，在确定慢速

试验的轴向阻力限值之前，应先确定慢速试验的加载

方法。11 ( a)也说明慢速试验的加载速度仍然是决定轴向阻

力大小的关键因素。图11 (b)为设计阻尼力为608 kN

的非线性黏滞阻尼器加载速度不同时的轴向阻力-

位移曲线结果&由图可见,非线性黏滞阻尼器的轴向

阻力随加载速度增加而增大，加载速度为 0.01 mms

时，最大轴向阻力为设计阻尼力的1.76% ；加载速度

为0. 1 mm/s时,最大轴向阻力为设计阻尼力的

8.23% ;加载速度为0. 16 mm/s时，最大轴向阻力为

设计阻尼力的10.36% &针对慢速试验的加载速度

问题,统计了数百组加载速度采用0.08 mm/s的非线

性黏滞阻尼器的慢速试验结果，仅出现过一件黏滞阻 尼器的轴向阻力超过设计阻尼力的10% ,而该黏滞阻

尼器的设计速度为. 10 mm/s。经大量试验数据的对比分析发现，如果慢速试验的加载速度小于最大设 计速度的1/2 000 ,具有良好性能的非线性黏滞阻尼

器在慢速试验中均能实现轴向阻力不超设计阻尼力6%的限值。(a)加载方式不同so-70 1-------0.01 mm/s 0.04 mm/s------0.08 mm/s ------0.1 mm/s 0.16 mm/s( b) 加载速度不同

图11加载对轴向阻力的影响Fig. 11 The effect of loading on cxiel force resistance第 20 期苏何先等：非线性黏滞阻尼器性能试验694结论基于工程常用非线性黏滞阻尼器的性能试验结 果,结合性能测试及评估常见问题展开研究,得到以下 结论：(1) 参数C、'是评估非线性黏滞阻尼器工作性能 的重要指标，利用黏滞阻尼器的阻尼力公式和耗能公

式进行试验数据处理均可获得C、'&耗能公式中含阻

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尼指数的函数1,利用现行规范提供的线性插值法由试

验1结果求解工程常用非线性黏滞阻尼器的性能参数

C、'会引入明显的误差,直接由1函数式求解'能获 得更准确的结果，但求解难度较大。因此，非线性黏滞

阻尼器性能测试可优先考虑由阻尼力公式对试验阻尼 力-速度数据进行幕函数拟合确定参数C、'。(2) 利用阻尼力公式确定非线性黏滞阻尼器的性

能参数C、'时，配置速度传感器进行加载速度直接测

量是减小试验误差的有效措施&(3) 非线性黏滞阻尼器地震疲劳性能评估应综合

试验现象和各项性能参数的测试结果,避免仅考核试

验现象和滞回曲线面积而忽略性能参数C、'等技术指

标&数据处理时建议剔除第1和第30循环圈的试验

数据，剩余各循环圈的滞回曲线包络面积实测值偏差 应控制在设计值的±15%以内，实测偏差的平均值应

控制在产品设计值的±10%以内&地震疲劳性能试验 测试试样若在工程中继续使用,建议对恢复正常状态 的试样重新进行力学性能测试&(4) 参照UNI EN 15129—2009开展了大量慢速试 验并通过试验数据的分析总结,建议慢速试验加载速 度宜不超过0. 1 mm/s且小于非线性黏滞阻尼器最大

设计速度的1/2 000，加载位移行程应不小于10 mm,轴

向阻力的限值可取设计阻尼力的6%，非线性黏滞阻尼

器慢速试验应采用匀速的三角波加载&(5) 非线性黏滞阻尼器性能测试时将黏滞阻尼器

与其配套的工装连接件组装成套检测是减小试验误差

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