低温条件下流体黏滞阻尼器动力特性与耗能特性的实验研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Experimental investigation on dynamic and energy dissipation characteristics of fluid viscous dampers under low temperatures

　　

摘要流体黏滞阻尼器（FVDs）广泛应用于抗震能量耗散，但其在严重低温条件下的力学响应尚未得到充分表征。本研究将二甲基硅油的流变学表征与全尺寸FVD的动力加载试验相结合，在25至?40 °C的温度范围内，研究不同位移幅值和激振频率下的阻尼器性能。结果表明，低温响应表现出对加载条件的显著依赖性。在小位移和低速度激振下，性能显著退化：与25 °C相比，?20 °C时峰值力下降约30%，?40 °C时下降88%，而在0 °C以下时能量耗散能力降低超过40%，?20 °C时降低近90%。相反，在较大位移幅值和高速度条件下，这种低温敏感性显著减弱，力的变化保持在±10%以内，最大行程能力保持在设计值的±1%以内。从机理上看，低温响应呈现两阶段演化特征。在初始阶段，低温引起内部间隙，这可归因于力的建立延迟和有效行程减小。在随后的阻尼阶段，一旦内部间隙被消除，力输出将显著增强。这种行为的物理基础在于流体的流变学特性，即硅油的松弛时间从25 °C时的0.003 s增加到?40 °C时的0.020 s，导致德博拉数升高并增强黏弹性储能。总体而言，严寒条件主要影响初始力接合和小振幅能量耗散，而在较大振幅加载下，设计的全行程阻尼响应保持相对稳定，为寒冷地区工程中FVD的韧性设计和性能评估提供了有益的见解。

引言地震对土木基础设施的安全性和功能性构成严重威胁，尤其是对位于高地震危险区域的关键设施。传统的抗震设计通常依赖于结构构件的延性非弹性响应，其中地震能量通过屈服和变形引起的塑性滞回来耗散[1,2]。尽管这种方法使结构能够通过延性非弹性行为实现防倒塌目标，但结构损伤和残余变形的累积可能会增加震后修复需求[3]。因此，被动抗震控制技术已被日益广泛地采用，以提高结构的韧性并减少强震下的损伤[4]。

在各种被动控制装置中，流体黏滞阻尼器（FVDs）因其高能量耗散能力、速度依赖行为和结构初始刚度贡献可忽略等特点，已广泛应用于高层建筑[5]、大跨度桥梁[6]及其他关键基础设施[7]中[8]。FVD的力学行为和建模已得到广泛研究，以支持其在工程实践中的可靠应用。Constantinou和Symans[9]对配备附加FVD的结构进行了开创性的实验和解析研究，建立了阻尼器力与速度之间的基本关系，为后续力学建模和设计方法奠定了基础。基于这些研究，Makris等人[10]开发了考虑FVD黏弹性特征的解析模型，并进一步深化了对底层能量耗散机制的理解。后续研究集中于对不同加载条件下阻尼器行为的更全面表征。Cavaleri等人[11]通过实验研究了低速激振下FVD的参数识别，表明加载特性显著影响所评估的力学参数，而Hou[12]研究了控制FVD响应的非线性流体动力学。最近，研究工作已扩展至FVD控制结构的基于性能的设计方法。Amato和Cavaleri[13]进一步提出了基于谱的延性需求方法，用于设计FVD控制的钢筋混凝土结构，证明了准确阻尼器表征在地震性能评估中的重要性。

尽管在FVD建模和抗震应用方面取得了相当大的进展，但大多数先前的研究集中于正常环境条件下的力学行为。在实际工程应用中，FVD不可避免地会受到严重环境温度波动的影响，特别是在高纬度或寒冷气候区域，环境温度可降至?40 °C以下[14]。二十多年前，里程碑式的HITEC评估计划[15]就认识到了温度敏感性的关键性，并在耐久性和疲劳协议之外开展了"极端温度下的动态性能特征"试验以验证产品合规性。因此，当前的抗震设计标准，包括ASCE 7-22[16]和EN 15129[17]，引入了性能修正因子，通过边界分析来考虑环境变化。这些方法提供了实用的工程修正策略；然而，它们严重依赖经验边界因子，而非描述与二甲基硅油性能的温度诱导变化相关的底层物理机制。

在材料层面，硅油作为FVD的工作介质，其流变学特性控制着内部流动阻力，进而影响阻尼力和能量耗散能力。高黏度聚二甲基硅氧烷（PDMS）流体因其优异的化学稳定性、低挥发性和抗老化性而在FVD中得到广泛应用[18]。流变学研究表明，硅油表现出速率依赖的流变学行为[19]，如剪切变稀特性，可使用Cross、Carreau和Carreau–Yasuda等模型进行描述[20,21]。此外，硅油黏度具有温度依赖性，由于分子流动性降低，黏度通常随温度降低而增大[22]。Venczel等人[23]进一步发展了FVD应用中硅油的温度依赖黏度模型。这些研究建立了硅油的基本流变学特性。

在装置层面，FVD性能的温度依赖变化也引起了越来越多的关注。Konstantinidis等人[24]对FVD进行了实验研究，指出环境条件可能影响阻尼器性能和能量耗散能力。Zhang等人[25,26]将温度和压力耦合效应纳入FVD的力学模型，而Hu等人[27,28]开发了先进的热-力学耦合和异常检测公式，以模拟FVD在动力载荷下的性能退化。最近，Hu等人[29,30]建立了结构间隙和热退化在动力载荷下的耦合模型，为考虑装置退化的结构层面抗震性能设计提供了参考。这些研究证明了在FVD评估中考虑热效应的必要性。此外，其他液压阻尼装置的低温试验也报告了力响应、滞回行为和能量耗散特征的变化。例如，Ryu和Ryu[31]在?20 °C、23 °C和40 °C温度下研究了填充硅凝胶的FVD，而Wang等人[32,33]研究了接近?50 °C温度下的铁路液压阻尼器。这些研究为温度依赖的阻尼行为提供了宝贵的见解。

尽管硅油和黏滞阻尼装置的温度依赖性已被广泛认识，但高黏度硅油FVD在极端寒冷环境下的行为仍需进一步研究。关于FVD的先前实验研究主要考虑了中等低温温度，许多试验在?20 °C左右进行，而接近?40 °C温度下的系统评估仍相对有限。此外，现有研究主要集中于温度诱导的阻尼器力变化或经验修正方法，而低温诱导的高黏度硅油流变学变化与FVD相应力学响应之间的关系仍未得到充分认识。

因此，本研究通过实验研究了常用二甲基硅油FVD在25 °C至?40 °C温度范围内的行为。首先进行流变学试验以表征流体性能，随后进行全尺寸阻尼器试验以考察不同加载条件下的滞回行为和能量耗散。通过比较流体层面和阻尼器层面的结果，为流体性能与装置响应之间的关系提供了实验见解。研究结果为实现寒冷地区FVD性能评估提供了实验基础。

节段摘要

FVD构型FVD通常由圆筒、活塞头、活塞杆和内部高黏度流体组成。根据流体的主要流动路径，FVD可分为三种主要类型：间隙式、孔口式和复合式阻尼器，如图1所示。在间隙式阻尼器中，活塞与筒壁之间的环形间隙充当主要流道，流动以剪切为主。相比之下，孔口式阻尼器依赖...（原文此处截断）

复合式FVD的设计参数考虑到实际工程要求、试验代表性和设备限制，本研究设计并制造了五个填充二甲基硅油的复合式FVD。相关参数基于工程实践和先前研究选定。每个FVD的规格为：阻尼系数?? = 12.6 kN(s/mm)^α，阻尼指数α = 0.3，设计位移??? = ±50 mm，设计速度V = 1000 mm/s，设计载荷F...（原文此处截断）

FVD的一致性验证基于经典的幂律公式 ?? = ????^α 建立了FVD的力学本构模型，并在室温下进行标定，如图13所示。五个试件均实现了优异的拟合精度，平均决定系数R2为0.99。拟合的平均??和α分别为11.65 kN(s/mm)^α和0.32。最大参数偏差出现在试件FVD④中，??的偏差为9.21%，α的偏差为10.00%。

结论本研究系统地调查了填充二甲基硅油的FVD的低温行为。研究结合了二甲基硅油的流变学表征和阻尼器的结构试验，以评估温度和加载频率对其性能的影响。具体结论如下：

（1）低温改变了FVD的初始力学响应，而有效阻尼阶段保持经典的幂律力-速度关系...

CRediT作者贡献声明Gao Haiwang：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，验证，监督，软件，方法论，调查，概念化。Zeng Zheng：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，监督，软件，调查。Pan Yi：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，调查，经费获取，形式分析，数据整理，概念化。Chen Haodong：写作——审阅与编辑...

利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢作者衷心感谢国家自然科学基金（批准号52278534）和中国四川省自然科学基金（批准号2022NSFSC0423）的财政支持。

Gao Haiwang | Zeng Zheng | Pan Yi | Chen Haodong
中国成都 西南交通大学土木工程学院