第４５卷第５期 ２０１７年５月 同济大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） Ｖ０１．４５ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１７ 文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２０１７）０５—０６４３—０８ ＤＯＩ：１０．１１９０８／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７４ｘ．２０１７．０５．００４ 基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验 孙飞飞 ，吴坦烨。，莫 刚。，邢加为。 （１．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海２０００９２；２．同济大学土木工程学院，上海２０００９２； ３．银川能源学院建筑工程学院，宁夏银川７５０１０５） ａｍｐｉｎｇ ｗａｌｌ；ｌｅｖｅｒ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ 摘要：为了解决传统黏滞阻尼墙需要较大墙面积来提供足够 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｓｃｏｕｓ ｄ阻尼力的问题，设计了一种基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼 墙．对传统黏滞阻尼墙和位移放大型黏滞阻尼墙的对比试件 进行了滞回试验，检验了位移放大型黏滞阻尼墙的放大效 果．将传统黏滞阻尼墙阻尼力公式中引入位移放大倍数，得 ａｍｐｌｉｉｆａｔｃｉｏｎ；ｇａｐ 黏滞阻尼墙能够隐藏于建筑结构的墙体中，既 到了位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式，计算结果与试验结 能耗散地震能量又不影响建筑的使用，是一种能很 果吻合较好．对位移放大装置间隙导致的滞回曲线滑移现象 好满足人们要求的消能减震构件．１９８６年，日本学者 进行了模拟，通过理论推导研究了间隙比对耗能降低率的影 响程度． 关键词：黏滞阻尼墙；杠杆；位移放大；间隙 中图分类号：ＴＵ３１７．１；ＴＵ３９１ Ｍｉｙａｚａｋｉ等［１ 首次提出黏滞阻尼墙概念，并对安装 有黏滞阻尼墙的结构进行了振动台试验研究．１９９２ 年，日本的Ｍｉｙａｚａｋｉ等口］设计了世界上第１幢用黏 国、中国等各国学者相继对黏滞阻尼墙在结构中的 文献标志码：Ａ 滞阻尼墙减震耗能的建筑ＳＵＴ－Ｂｕｉｌｄｉｎｇ．此后，美 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｄａｍｐｉｎｇ Ｗａｌｌ ｗｉｔｈ 减震效果开展了试验和理论研究［３＿ ．目前，关于黏 Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｌｅｖｅｒ 滞阻尼墙构件的文献相对较少．张方、潘德恩［７］对黏 滞阻尼墙进行了动力学试验，研究了其阻尼特性．闫 峰＿８］对黏滞阻尼墙模型进行了力学性能试验，并提 出了力学性能计算公式．欧谨等［９ 进行了黏滞阻尼 墙动力性能试验，研究了黏滞阻尼墙的动力性能随 ＳＵＮＦｅｉｆｅｉ ，聊Ｔａｎｙｅ。，ＭＯ 哪 ，ＸＩＮＧ Ｊｉａｗｅｉ。 （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｉｖｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５０１０５， Ｃｈｉｎａ） 环境温度、位移幅值及振动频率的变化规律．孙飞 飞、莫刚Ｅｍ］提出了利用振动台研究黏滞阻尼墙构件 性能的试验方法． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｉｎｇ ｗａｌｌ（ＶＤＷ）ｎｅｅｄｓ ｌａｒｇｅ ｗａｌｌ ａｒｅａ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｌａｒｇｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｉｎｇ ｗａｌｌ ｗｉｈ ｄｉｓｐｌｔａｃｅｍｅｎｔ 黏滞阻尼墙虽然具有很多优点，但仍存在不足． 其中很重要的一点就是黏滞阻尼墙为结构提供较大 阻尼力时通常需要较大的阻尼墙面积，而当阻尼墙 ａｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｒ（ＶＤＷ－ＤＡＬ）ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＶＤＷ ａｎｄ ＶＤＷ－ＤＡＬ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ｗａｓ ａｒｒｉｃｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＶＤＷ－ＤＡＬ． 面积较小时，难以提供较高阻尼力．为了解决这一问 题，项潇潇等口１］提出一种类似千斤顶液压机构的液 压型放大装置来提高阻尼力．但是该装置对加工要 求较高，成本较大，尚需通过试验检验其可行性． 利用杠杆可以方便地实现位移放大效果，提高 黏滞阻尼墙的阻尼力和耗能能力．为此提出了一种 基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙，通过试验研究 Ｍｔｅｒ ａｄｄｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｉｎｔｏ ｄａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＶＤＷ，ａ ｎｅｗ ｄａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ＶＤＷ．ＤＡＬ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ｉｔ ｆｉｔ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｓｌｉｐ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｇａｐ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｇａｐ ｒａｔｉｏ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｒａｔｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｈｅｏｒｅｔｉｔｃａｌ ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ． 检验其性能，并与传统黏滞阻尼墙换算结果进行对 收稿日期：２０１６—０７－２６ 基金项目：上海市教委科研创新重点项目（１４ｚｚ０３５） 第一作者：孙飞飞（１９７１一），男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为多高层钢、钢一混凝土组合结构抗震分析和设计理论 Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｆｓｕｎ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 同济大学学报（自然科学版） 第４５卷 比，提出位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式，并对位 ２“．这样就可以通过这个装置达到位移放大的效果． 移放大装置间隙的影响进行分析． ２黏滞阻尼墙试验 １ 位移放大型黏滞阻尼墙构造设计 ２．１ 加载装置及试件设计 借鉴并利用机械领域中的杠杆制作了一个带有 试验在南京工业大学的建筑结构实验室中进 位移放大装置的黏滞阻尼墙，其安装模型的三维图 行，根据实验室的总装配体和作动器的特点设计了 如图１所示．将内钢板插入外钢箱中，使内钢板顶部 阻尼墙的加载框架，加载框架包括加载梁、立柱和底 置于外钢箱顶部，两者接触部分做润滑处理．连接装 梁．立柱顶端设计了２个滚轴，让加载梁与立柱的接 置两端各固定一个杠杆，杠杆下部插于内钢板顶部 触为滚动摩擦，减少加载梁运动时的摩擦力．用２个 的插槽中，杠杆上部插于上插槽中．上插槽与外钢箱 压梁将底梁压在地面上，底梁的上下翘动．底梁 上突出的钢板用螺栓连接成为一体，加载梁与连接 两侧各设置１个限位挡板，住底梁的水平位移． 装置的顶板相连． 立柱固定在底梁上，２个立柱顶端分别用２个滚轴将 加载梁夹在中间，加载梁的上下翘动，同时将加 载梁水平运动的滑动摩擦变为滚动摩擦，减少试验 中的摩擦力影响． 设计加工了传统黏滞阻尼墙试件和位移放大型 黏滞阻尼墙试件．２个试件主要尺寸均相同，内钢板 边长分别为６６０ ｍｍ，７４５ ｍｌＴｌ，外钢箱边长分别为 １ ０００ １Ｔｉｍ，７７５ ｍｍ，位移放大型黏滞阻尼墙试件在 传统黏滞阻尼墙试件基础上增加了位移放大装置． 连接装置及杠杆部分的构造如图３和图４所示． 十－＿—— 图１ 位移放大型黏滞阻尼墙三维图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＶＤＷ－ＤＡＬ 位移放大装置的工作原理如图２所示．当加载 梁产生大小为“的右向水平位移时，连接装置也会 产生向右的水平位移 ．由于上插槽与外钢箱相连， 因此可以视为一个固定端，根据杠杆原理可以得到 此时下插槽会产生２倍“的右向水平位移，由于下 插槽与内钢板相连，因此内钢板的右向水平位移为 加载粱位移 ０ ０ — ＿一 ｌ图３连接装置设计图（单位：Ｉｎｔｏ） Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ（ｕｎｉｔ：ｎｌｎ１） ● 上插槽 ｎ ｒ 下插槽 图４杠杆设计图（单位：ｎＩｎＩ） Ｆｉｇ．４ Ｌｅｖｅｒ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ（ｕｎｉｔ：Ｉ肿） 内钢板 二甲基硅油是一种无色无味的高聚物，具有无 毒、不挥发、黏度随温度变化不敏感等优点，因此作 为试验的黏滞阻尼材料．在黏滞阻尼墙中加入硅油 图２位移放大装置原理示意 Ｆｉｇ．２ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ 使其液面高度为７００ ｍｌＴ１．试验装置设计图如图５所 示，传统黏滞阻尼墙和位移放大型黏滞阻尼墙实际 装置如图６和图７所示． 第ｊ期 孙飞 ．等： 于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验 Ｆ明器 试件 ～ ｒｊ 墼 呵——一～一］圃 ４ Ｉ ｌ ４ 一 ｝ｌ Ｉ ８ ＿一 位挡板 一一 ９ Ｉ ｌ ８ ＿一 限位｝ 板 ｌ ６ ０ Ｉ ｌＩ Ｉ ｉ Ｉ 一 一 ．……『 底梁０ … 图５试验装置设计图 Ｆｉｇ．５ Ｔｅｓｔ ｕｎｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 图６传统黏滞阻尼墙装置 Ｆｉｇ．６ Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＶＤＷ ｕｎｉｔ 图７位移放大型黏滞阻尼墙装置 Ｆｉｇ．７ ＶＤＷ．ＤＡＩ ｕｎｉｔ ２．２试验工况 试验加载频率分别为０．５ Ｈｚ和１．Ｏ Ｈｚ，传统黏 滞阻尼墙加载梁位移幅值分别为１０，］５．２（）．２５和３Ｏ ＩＴＩＩＴＩ，由于位移放大 黏滞阻尼墙能够使内钢板位移 放大２倍，因此ＪＪＩＪ载梁位移幅值为１Ｏ，ｌ５和２Ｏ ｍｉｄ． 加载均采用位移控制的ｌ卜弦倚载，每个ｒ 况加载５ 个循环．试验记求了小同］ 况下的阻尼力和位移值， 并得到了相应的滞同曲线． ２．３试验结果 ２．３．１传统黏滞 』 墙 试验测得符加载１ 况前后硅油的温度儿乎没有 什么变化．在试验加载过程Ｌ｝｜．加载梁滑动平稳，加 载框架没有明 ｌ｝－的变形及位移，位移幅值较大的工 况有硅油被挤｝｝Ｊ的现象，某些工况能听到黏滞阻尼 墙巾有明 的空腔和较大气泡爆炸的声音．试验得 到传统黏滞Ｉ｛｝ｌ尼墙在不同工况下的滞回ｆＨ１线如图８ 所示． ＼ ． 一 Ⅱ ： 位移／ｒａｍ ａ ｆ ０．５ １－ｔｚ 醺 ３ｌｎ ｍ ｏ ｍ 互 ＼ ， 一 癌 １ 位移／ｎｕｎ 【）ｌ，一１．０ Ｈｚ 图８传统黏滞阻尼墙滞回曲线 Ｆｉｇ．８ Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＶＤＷ 从图Ｉｆ】可以看出每种工况的滞同曲线郜比较饱 满，具备较好的耗能能力．滞回曲线的形状是倾斜的 椭圆，说明黏滞阻尼墙有明显的动态刚度．通过图中 不同工况下滞回曲线的比较，呵以清楚看ｆｊＩ在相同 频率下黏滞阻尼墙的阻尼力是随着加载幅值的增大 而增大的． ２．３．２位移放大型黏滞阻尼墙 在传统黏滞阻尼墙的基础上加入位移放大装置 得到新型黏滞阻尼墙并按照上述 ］＝：况进行试验，可 以得到如图９所示的滞回ｆＨ１线．在加载过程中，加载 梁的滑动平稳，没有明显的转动；框架没有明显的变 形和位移，外钢箱有轻微滑移，但位移计测量的是相 对位移，闪此外钢箱的滑移对滞回曲线彤状影响很 小；可以观察到内钢板的旋转，但旋转的角度不大， 约为０．６。；经过位移放大后的黏滞阻尼墙内外钢板 问的相对位移较大，内部黏滞阻尼材料的扰动较大， 能经常听到气泡爆裂的声音，并且有一些硅油被挤 出钢箱． 同济大学学报（自然科学版） 第４５卷 大装置运动不够平顺，对硅油产生了过度的扰动，在 ２也 —．・。＇●＿－・ ？、 之后进行的１．０ Ｈｚ时１０ ｍｍ和１５ ｍｉｔｔ工况过程 ．＇］ 中，由于受过度扰动的硅油在短时间内无法恢复到 初始状态，导致这２个工况的最大阻尼力有一定程 度的削弱。因此１．０ Ｈｚ时１Ｏ ｍｍ和１５ ｍｍ这２个 一 。。一 四 工况的Ｆ２／Ｆ 比值会存在不同程度的偏小，导致加 载频率不同时，随着位移幅值的增大， ／Ｆ。的变化 趋势不一致． 位移／ｍｍ ａ，一０．５ Ｈｚ ２．４位移放大效果分析 具有位移放大功能的黏滞阻尼器能够加倍耗散 地震能量．线性黏滞阻尼器的阻尼力Ｆｄ为 Ｆｄ—ＣＶ （１） 式中：Ｃ为黏滞系数； 为相对运动速率． ．一 。。 ， …・－－一２０ ．．１ｏｍｍ！ 假设黏滞阻尼器在正弦荷载作用下“一 ・ ｓｉｎ（ｃｏｔ），其中Ｕ。为位移幅值，叫为圆频率，则线性黏 滞阻尼器在上述荷载作用下循环１周的耗能 为 Ｗ一兀 ３∞ （２） 疑 １５咖 ２０ｍｉｌｌ 位移／ｍｍ ｂ，一Ｌ ０ Ｈｚ 假设具有位移放大装置的黏滞阻尼器Ａ和没有 位移放大装置的黏滞阻尼器Ｂ同时受到上述正弦荷 载作用，且位移放大装置将原结构的位移放大ｃｚ倍， 则在同一时刻Ａ的位移和速率均是Ｂ的口倍，即 ＝＝＝口 ， 一日 ．Ａ装置循环１周的耗能Ｗ 为 ＷＡ一口。７ｃ ５ （３） 图９位移放大型黏滞阻尼墙滞回曲线 Ｆｉｇ．９ Ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＶＤＷ－ＤＡＬ 从图中可以看出，位移放大型黏滞阻尼墙滞回 曲线的波动情况比传统黏滞阻尼墙滞回曲线大，这 一 方面是因为试件的设计没有能够完全避免接触面 因此Ａ循环１周的耗能是Ｂ的ｎ 倍．本次试验的位移放大型黏滞阻尼墙的ｎ一２，按 的滑动摩擦，另一方面是因为内外钢板的相对位移 被放大，硅油的扰动加强，内部的气泡增多，对黏滞 照位移放大的原理，可以将传统黏滞阻尼墙各工况 阻尼力造成了较大的影响．从滞回环的形状来看，位 下滞回曲线的位移乘以０．５、阻尼力乘以２，得到与 移放大型黏滞阻尼墙仍有明显的动态刚度．从阻尼 位移放大型黏滞阻尼墙滞回曲线相对应的换算曲 力的大小来看，位移放大型黏滞阻尼墙比传统黏滞 线．位移放大型黏滞阻尼墙峰值指标与传统黏滞阻 阻尼墙的黏滞阻尼力有明显的提高，不同工况下传 尼墙相应工况下峰值指标的对比结果如表２所示．统黏滞阻尼墙阻尼力最大值Ｆ 与位移放大型黏滞 位移放大型黏滞阻尼墙滞回曲线与传统黏滞阻尼墙 阻尼墙阻尼力最大值Ｆ 的对比结果如表１所示． 表１不同工况下阻尼力最大值对比 Ｔａｂ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｄａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 相应工况下换算曲线的比较如图１０所示． 表２位移放大型黏滞阻尼墙峰值指标与传统黏滞阻尼墙相 应工况下峰值指标对比 Ｔａｂ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｅａｋ ｉｎｄｅｘｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＶＤＷ－ＤＡＬ ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ 从表１可以看出，当加载频率不同时，随着位移 幅值的增大，Ｆｚ／Ｆ 的变化趋势并不相同．这是因为 试验先进行了０．５ Ｈｚ时２０ ｍｍ工况，由于位移放 第５期 孙飞匕．等：坫ｊ：杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验 可以观察到阻尼力试验值小于换算值，其主要原ｌ大Ｉ 是位移放大型黏滞阻尼墙中位移放大装置的间隙影 响了其性能． Ｚ 一 一 ３ 位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式 曲 爱 在日本学者文献［１］提出的黏滞阻尼墙的计算 公式基础上，考虑黏滞阻尼力Ｑ【，和弹性恢复力Ｑｋ 位移／ｍｍ Ｔ】 ＝ １ ０ ｎ１ｍ 两部分埘黏滞阻尼墙的总黏滞抵抗力Ｑ 的影响，提 出了如Ｆ黏滞阻尼墙的阻尼力公式表达式 ｉ： Ｑ 一Ｑ ＋Ｑ 一 ｔＡ（ ） ＋ Ａ（ ）（４） 式巾：八足有效接触面积；Ｈ是黏滞材料厚度； 一 ＼ 一 ７．７２９ ｘ １０ 。 一１．４４３×１０ 是与试验相关的系 数，包括黏滞材料、温度和构件构造的影响等；ａ是速 率梯度系数， ＝＝＝０．２６８ ２；），是问隙对动态刚度影Ⅱ向 －爱 ３０ 的系数，ｙ一１．４０５． 式（４）计算的是内钢板受到的阻尼力，其ｒｆｌ Ｖ和 分别是内钢板相对一｝－－＃ｂ钢箱的相对速率和卡Ｈ对位 移．根据理论力学的原理，具有位移放大装置的阻 位移／ｒａｍ ｂ —ｌ ５ ｍｍ 图１０ ｌ１．５ Ｈｚ时位移放大型黏滞阻尼墙与换算的传统黏滞 阻尼墙滞回曲线比较 Ｆｉｇ．１０ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＶＩ）Ｗ— ＤＡＬ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＶＩ）Ｗ ａｔ ０．５ Ｈｚ 力计算公式只需将上式巾的Ｖ， 和整个公式计算的 阻尼力前面乘以放大倍数２。 此，可以得到位移放 大型黏滞阻尼墒的阻尼力计算公式为 ／、，、０ ２６８—９ 从表３中可以看出，位移放大型黏滞Ｉ￣ｆｔ）ｄ墙位 移峰值和速率峰值与传统黏滞阻尼墙相应１ 况下比 值介于０．５０和０．５２之问．基本满足线性放大觇律， 表明这２个峰值指标较为准确和稳定．阻Ｊ已力峰值 Ｑｗ－二１．８６２ ｘ ｌ０。、Ａ（ ） Ｉ 、 ＋ ５．７７２×１０一Ａ【百 ） （５） ＞－１ １１是位移放大 黏滞阻尼墙的试验｝Ｈｌ线与 指标比值变化在１．４９至２．６ｌ之问，造成陔峰值指 公式计算曲线的比较．从图巾可以看出式（５）计算得 ｛｛１线与试验曲线总体上符合较好．但是Ｆ｝１ 标比值波动较大的原闪同样是由于硅油受刮过度扰 到的滞…ｆ动．需婴通过改进位移放大装置运动平顺度来减小 于构件夺身精度不够以及位移放大装置问隙等影 比值的离散性．但总体而言，位移放大型黏滞阻尼墙 响．使得试验结果 汁箅结果尚有一定误差．基本实现了放大效果． 表３不同工况下峰值指标比值 Ｔａｂ．３ Ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｅａｋ ｉｎｄｅｘｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ４ 位移放大装置间隙的影响分析 ４．１ 间隙的模拟 从『殳ｌ １（）ｒｆ１几『以看出位移放大型黏滞阻尼墙的 滞回ｆｆｆｉ线有明 的阻尼力为零的滑移段，该滑移段 足 丁放火装置巾的问隙导致的．从得到的滞回ｆｆ｝Ｉ 线上看，陔问隙大小约为３ ｈｉＥ１．滞回ｆＨ１线在经过滑 沣：表 ｆ１比ｆｆｔ￣ｊ为位移放大型黏滞阻Ｊ已墙 ｆＨ应Ｉ 况 ｆ０统黏 滞阻 墙之比． 移段后会有较大的阻尼力升高．但从整个滞 曲线 来看，问隙的存在对黏滞阻尼墙的耗能能力有较大 冈ｌ０中２类曲线大体能够重合，在到达位移较 的削弱．为了分析这一削弱影响，选取了０．５ Ｈｚ时 ｎｌｎｌ这２个试验丁况进行问隙模拟．图 大处时阻尼力试验值大于换算值，这是由于摩擦力 １０ ｍｍ和ｌ５的影响造成的．当到达最大位移后开始反向运动时， １２足位移放大型黏滞阻尼墙的单元连接示意『皋１（Ｍ ６４８ 同济大学学报（自然科学版） 第４５卷 ２０ ／ ＼ 。 ＼至 Ⅱ 一 ４￣－１０－５ ５ 鏖 一２０ ｎ ５ ｌ １ ５ ２ 曲 ／／＿ 一 ．５ ｍｌ …１．０删 …２．０ｍｌ 位移／ｒａｍ ａ 一１０ ｍＥ 位移／ｒａｍ ｂ 一１５ ｈｉｍ 图１３ ０．５ Ｈｚ时不同间隙的模拟 ２０ Ｆｉｇ．１３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｐｓ ａｔ ０．５ Ｈｚ ／＼ 一 墙的耗能能力损失越多．通过试验曲线和模拟结果 ． ． 。。￣ －１０－５１０ ＿： 的比较，最终采用的模拟参数如表４所示．图１４是２ 个工况的模拟结果．从图１４中可以看出，模拟曲线 和试验曲线能较好重合，说明了计算模型的合理性． 表４ ０．５ Ｈｚ时位移放大型黏滞阻尼墙模拟参数 位移／ｍｍ ｂ —ｌ５ ｉｎｒｎ Ｔａｂ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＶＤＷ－ＤＡＬ ａｔ ０．５ Ｈｚ 图１ｌ ０．５ Ｈｚ时位移放大型黏滞阻尼墙试验曲线与计算曲 线比较 Ｆｉｇ．１ １ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＶＤＷ・ Ｕ ＤＡＬ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｔ ０．５ Ｈｚ 蚤 ＼ 一 一 哩 、 ５ 区 图１２单元连接示意 Ｆｉｇ．１２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｕｎｉｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ 位移／ｒａｍ ａ 一１０ｍｍ 为黏滞阻尼墙质量），间隙与黏滞阻尼墙串联，利用 ＡＮＳＹＳ软件，采用ｃｏｍｂｉｎ３７单元模拟黏滞阻尼墙， 用ｃｏｍｂｉｎ４０单元模拟间隙．图１３是２个工况在不 同间隙下的曲线模拟，可以看出间隙越大黏滞阻尼 … ２０ 蚤 ＼ 一 。。一 、 西 互 ＼ Ｉ５ —１ 爱 １ 一５ —５ ． ． ｎ １０、 ．一一 模拟曲线 位移／ｍｍ ｂ —１５ ｍｍ ｌ－ 圳 ／ …．０１．５ ｍｌ ＼ ０ｍ１ 一一一－图ｌ４ ０．５ Ｈｚ时位移放大型黏滞阻尼墙试验曲线和模拟曲 线比较 Ｆｉｇ．１４ ｏｍｐａｒｉＣｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ＶＤＷ．ＤＡＬ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｃｕｒｖｅｓ ａｔ ０．５ Ｈｚ ２．０ｍｌ 位移／ｒａｍ ａ 一１０ ｍｍ 第５期 孙飞飞，等：基于杠杆的位移放大型黏滞阻尼墙试验 ４．２间隙对耗能能力的影响 Ｄ：：＝ １ 一 （ａｒｃｃｏｓ（１一 ）一 ７【 由于黏滞阻尼墙依靠黏滞阻尼力耗能，弹性恢 复力不耗散能量，因此可以去掉刚度部分，仅对黏滞 阻尼力部分进行分析．图１５中的椭圆曲线是利用本 线，最大阻尼力为１７．５３ ｋＮ，位移幅值为１０ ｍｍ，利 （１一 ） ） （９） 利用上述理式可以得到图１５中间隙导致 Ｄ一５１．８／５５０．４２—９．４ ． 次试验某一工况的阻尼系数计算得到的椭圆滞回曲 的耗能降低率为 用间隙模拟方法得到图１５中另一条具有间隙的滞 从上述公式中可以看出，位移放大装置间隙对 回曲线，其中间隙大小为３ １２２１２２． ， １０ 一： ５ 一 ： ｆ． ． ．０ 一 世 １２ Ｉ＼ －９．．６．．３ ＿５ ’ ３ ６ ９／１７ 区 －１０ 位移／ｍｍ 图１５间隙对滞回曲线的影响 Ｆｉｇ．１５ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇａｐｓ ｏｎ ｈｙｓｔｅｒｅｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ 从理论上推导位移放大装置间隙对耗能的影 响．将图１５中的滞回曲线简化成如图１６所示的理 论模型，其中没有间隙的黏滞阻尼墙滞回曲线是图 １６中的椭圆曲线，最大阻尼力为Ｆ０，最大位移为 ； 而具有间隙的黏滞阻尼墙滞回曲线缺失了图１６中 的阴影部分，其中间隙大小为ｈ． Ｆ Ｆ０ 、＼＼ ＼ ＼＾０ 。’ 图１６简化理论模型 Ｆｉｇ．１６ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ 定义间隙比 为 一ｈ／ｕ０ （６） 通过计算可得图中阴影部分的面积Ｓ为 Ｓ＝Ｉｔ０Ｆ０（ａｒｃｃｏｓ（１一 ）一（１一 ） １一（１一 ） ） （７） 椭圆滞回曲线的面积５ 为 Ｓｌ一７ｒ ０Ｆｏ （８） 因此，间隙的存在导致的耗能降低率Ｄ为 黏滞阻尼墙的耗能降低率仅是间隙比的单值函数． 从图１７的变化曲线来看，间隙比越大，耗能降低率 越大，即黏滞阻尼墙的耗ｉｔｌｔ力降低得越多．在小震 下，黏滞阻尼墙的位移幅值通常较小，因此间隙比比 值较大，会极大程度地降低黏滞阻尼墙的耗ｉｉｉｉ力． 从图中可以看出间隙比在０．２以内时，黏滞阻尼墙 耗能降低率不超过５ ． ＼ ｒ 逝 避 耀 间隙比 图１７间隙对黏滞阻尼墙耗能能力的影响 Ｆｉｇ．１７ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇａｐｓ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆＶＤＷ ５ 结论 根据机械中的杠杆设计了一种位移放大装置， 从而实现黏滞阻尼墙位移放大的构造要求．这种位 移放大装置对构件加工精度的要求相对较低，只有 局部需要采用机械加工．通过位移放大型黏滞阻尼 墙试验测试了其耗能性能，并与传统黏滞阻尼墙的 耗能能力进行了对比．给出了位移放大型黏滞阻尼 墙阻尼力的公式，考虑了位移放大装置的间隙对黏 滞阻尼墙的影响．得到的主要结论如下： （１）位移放大型黏滞阻尼墙滞回曲线与传统黏 滞阻尼墙相应工况下换算滞回曲线总体上吻合较 好，验证了位移放大装置的有效性． （２）根据传统黏滞阻尼墙阻尼力公式，将其中 的速率、位移和阻尼力分别乘以位移放大倍数，得到 了位移放大型黏滞阻尼墙阻尼力公式．计算结果与 试验结果能够较好地吻合，表明公式具有一定的合 理性． ６５０ 同济大学学报（自然科学版） 第４５卷 （３）当间隙比控制在０．２以内时，耗能降低率不 超过５ ． ｄａｍｐｉｎｇ ｗａｌｌｓ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｗｉｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｍｕｌｔｉ．ｓｔｏｒｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，１９９８，７７：３３７． 试验中的位移放大装置与内钢板之间存在摩擦 力及间隙，且位移放大装置运动不够平顺，使内钢板 ［６］杜东升，王曙光，刘伟庆，等．粘滞流体阻尼墙在高层结构减 震中的研究与应用［Ｊ］．建筑结构学报，２０１０，３１（９）：８７． ＤＵ Ｄｏｎｇｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｓｈｕｇｕａｎｇ，ＬＩＵ Ｗｅｉｑｉｎｇ，ｅｔ ａ１． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉａｔｉｃｏｎ ｏｆ ｖｉｓｃｏｕｓ ｗａｌｌ ｄａｍｐｅｒｓ ｉｎ ａ 存在出平面位移，从而导致位移放大型黏滞阻尼墙 滞回曲线不够饱满且存在滑移现象．本试验在一定 范围内实现了线性放大效果，但在下一阶段的工作 其进一步改进与完善，解决位移放大装置运动平顺 ｔｙｐｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｉｐａｔｉｏｎ ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｊｏｒｎｕａｌ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，３１（９）：８７． 中仍需针对位移放大装置的构造开展专题研究，对 ［７］张方，潘德恩．含转动干扰粘性阻尼墙的阻尼特性试验研究 ［Ｊ］．振动工程学报，２００３，１６（１）：８５． ＩＡＮＧ ＦａＴｌｇ，ＰＡＮ Ｄｅｅｎ．Ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｖｉｓｃｏｕｓ－ 性问题，提高位移放大型黏滞阻尼墙性能的稳定性， 使其能够在不同频率和位移幅值下满足线性放大效 果． ｄａｍｐｉｇ ｎｗａｌｌ ｗｉｈｔ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｍｏｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ，２００３，１６（１）：ｎ８５． ［８］闰锋．粘滞阻尼墙耗能减振结构的试验研究和理论分析［Ｄ］． 上海：同济大学，２００４． ＹＡＮ Ｆｅｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉａｌｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖｉｓｃｏｕｓ 参考文献： ［１］ＭＩＹ （Ｉ Ｍ，ＫＩＴＡＤＡ Ｙ，ＡＲＩＭＡ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｄａｍｐｉｎｇ ａｌｗｌ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４． ［９］欧谨，刘伟庆，章振涛．粘滞阻尼墙动力性能试验研究［Ｊ］． 工程抗震与加固改造，２００５，２７（６）：５５．、 ＯＵ Ｊｉｎ，ＬＩＵ ｗｅｉｑｉｎｇ。ｚＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｔａｏ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｕｓｉｎｇ ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｉｎｇ ｗａｌｌｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．ｉｓｔ Ｅａｓｔ Ａｓｉａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｂａｎｇｋｏｋ：Ｉｓ，ｎ］，１９８６：１８８２— １８９１． ｄｙｎａｍｉｃ ｅｒｐｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｉｎｇ ａｌｗｌ［Ｊ］．Ｅａｒｈｑｕａｔｋｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ ａｎｄ Ｒｅｔｎｒｏｆｉｔｔｉｎｇ，２００５，２７（６）：５５． ［２］ＭＩＹＡＺＡＫＩＭ，ＭＩＴＳＵＳＡＫＡＹ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｂｕｉｌｄｉｇｗｉｔｎｈ ２０％ ［ｉｏ３孙飞飞，莫刚．粘滞阻尼墙模型的振动台实验方法［Ｊ］．同济 大学学报（自然科学版），２０１６，４４（４）：５３６． ＳＵＮ Ｆｅｆｆｅｉ，Ｍ０ Ｇａｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｖｉｓｃｏｕｓ ａｍｐｉｄｎｇ ｏｒ ｇｒｅａｔｅｒ ｄａｍｐｉｎｇ［ｃ］／／Ｐｒｏｃ．１Ｏｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ａｒｔＥｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｍａｄｒｉｄ：ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，１９９２：４１４３－ ４１４８． ｗａｌｌ ｂｙ ｓｈａｋｉｎｇ ｔａｂｌｅ ｔｅｓｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ），２０１６，４４（４）：５３６． ［３］ ＲＥＩＮＨ０ＲＮ Ａ，ＬＩ Ｃ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｔｒｏｆｉｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ ｄａｍｐｉｇ．Ｉｎ ｎ［１１］项潇潇。刘文光，吕春财，等．带位移放大装置新型阻尼墙结 构的地震响应分析［Ｊ］．结构工程师，２０１４，３０（６）：１０４． ＸＩＡＮＧ Ｘｉａｏｘｉａｏ，ＬＩＵ Ｗｅｎｇｕａｎｇ。ＬＶ Ｃｈｕｎｃａｉ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ａ ｖｉｃｏｕｓ ｄａｍｐｓｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｐａｒｔ ３：Ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｉｎｇ ｗａｌｔｓ［Ｒ－］．Ｂｕｆｆａｌｏ：Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９５． ［４］谭在树，钱稼茹．钢筋混凝土框架用粘滞阻尼墙减震研究 口］．建筑结构学报，１９９８，１９（２）：５Ｏ． ＴＡＮ Ｚａｉｓｈｕ，ＱＬＡＮ Ｊｉａｒｕ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉａｔｃｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ， ２０１４，３０（６）：１０４． ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＲＣ ｆｒａｍｅｓ ｗｉｈｔ ｖｉｃｓｏｕｓ ｄａｍｐｉｇ ｎｗａｌｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９８，１９（２）：５０． ［１２］莫刚．新型阻尼墙的试验研究［Ｄ］．上海：同济大学，２０１６． ＭＯ ＧａＩｌｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｎｅｗ ｄａｍｐｉｎｇ ｗａｌｌｓ［Ｄ］． Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６． ［５］ＹＥＵ Ｎｇａｉ，ＰＡＮ Ｄｅｅｎ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｖｉｓｃｏｕｓ－
