铅粘弹性阻尼器的开发_研究与应用_周云
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method
耗能减震技术因其减震机理明确、减震效果显 到众多国内外研究者的重视，目前Leabharlann Baidu经研究开发了 著、构造简单、适用范围广、维护方便等优点，受 多种不同类型和不同构造的耗能减震装置(阻尼
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收稿日期：2009-04-26 基金项目：国家自然科学基金项目(56078040)；广东省自然科学基金创新学术团队项目(8351009101000001)；广东省自然科学基金项目(970668) 作者简介：*周 云(1965－)，男，云南人，教授，工学博士，博导，主要从事结构抗震与减震控制研究(E-mail: zhydxs@163.com)；
Abstract: A new type of energy dissipation device, lead viscoelastic damper (LVD), was introduced, which consists of lead core and viscoelastic materials. The LVD dissipates energy through shear strains of the viscoelastic material and compressive deformation or shear deformation of the lead core. Therefore, it combines the characteristics of both displacement-dependent and velocity-dependent dampers. Based on the different demand of the practical engineering structures, the lead rubber damper, the combined rubber damper, the lead viscoelastic damper and the steel-lead viscoelastic damper were developed, and the principle, configuration and characteristics were illustrated. The experiments on different types of dampers were conducted to study the performance of the LVDs. Experimental results show that the LVDs have good seismic energy dissipation capabilities, excellent ductilities and good performance of fatigue resistance. The hysteretic behavior of the LVDs was simulated with bilinear model, Bilinear-RO model and Bouc-wen model, and the simulating results agreed well with the experimental results.The design process of the structure with the LVDs and the LVD were studied. Finally, the practical engineering structures with the LVDs were introduced. Key words: lead viscoelastic damper (LVD); energy dissipation; hysteresis performance; force model; design
剪切钢板、约束钢板、铅芯和连接板所组成[8,11]， 粘弹性材料、薄钢板、剪切钢板和约束钢板通过高 温高压硫化为一体，其中某块约束钢板、薄钢板和 粘弹性材料层中心预留圆孔，为制作时能均匀受 热，保证阻尼器质量和铅芯灌入预留位置，铅芯灌 入后采用盖板将开孔约束钢板预留孔封住，如图 3(a) 和图 3(b)所示。为了使阻尼器能提供更大的初始刚 度和阻尼耗能能力，对铅粘弹性阻尼器进行改进， 形成复合型铅粘弹性阻尼器[12]，如图 3(c)、图 3(d) 所示。为了进一步增强阻尼器的耗能能力，同时考 虑到由于阻尼器采用支撑形式安装于建筑结构中，
接板端部的橡胶材料层和薄钢板处可能会先产生
破坏，因此，阻尼器设计时必须保证挤压头产生的
挤压力和叠层橡胶与薄钢板之间的剪力大于铅芯
的屈服力。
挤压头 连接板
保护层
薄钢板 粘弹性 材料层
铅芯
(a) 铅橡胶阻尼器构造图
(b) 圆形铅橡胶阻尼器图片
1.1 铅橡胶阻尼器 铅橡胶阻尼器主要由粘弹性材料层(橡胶材料
(c) 复合型铅粘弹性 阻尼器构造图
粘弹性 材料层 薄钢板
(d) 复合铅粘弹性阻尼器图片
连接板
剪切板 铅芯 约束板 支护板
铅芯
(e) 多铅芯粘弹性阻尼器构造图
(f) 多铅芯粘弹性阻尼器图片 图 3 铅粘弹性阻尼器
Fig.3 Lead-viscoelastic damper
1.4 钢铅粘弹性阻尼器 针对实际工程中梁单元截面宽度尺寸不是很
(c) 方形铅橡胶阻尼器图片
图 1 铅橡胶阻尼器 Fig.1 Lead rubber damper
1.2 组合式铅橡胶阻尼器 组合式铅橡胶阻尼器主要由铅橡胶阻尼元件、
侧向约束板、中间连接板、上下连接板及预压螺栓 等所组成，如图 2(a)和图 2(b)所示，铅橡胶阻尼元 件是由薄钢板、橡胶、铅芯、连接板及保护层所组 成[8,10]，该种阻尼器同时能进行水平向和竖向双向 耗能，避免了结构梁在竖向荷载作用下产生变形对
摘 要：铅粘弹性阻尼器是作者研制的一种新型复合型阻尼器，由铅芯、粘弹性材料等组成，通过铅芯的塑性变 形和粘弹性材料的剪切滞回变形耗能，具有位移相关型阻尼器和速度相关型阻尼器复合特性。根据实际工程的不 同需求，先后研究出了铅橡胶阻尼器、组合式铅橡胶阻尼器、铅粘弹性阻尼器和钢铅粘弹性阻尼器等。该文介绍 了上述阻尼器的耗能原理、构造和特点，对不同类型的铅粘弹性阻尼器进行了滞回性能试验，研究结果表明：该 种阻尼器具有较好的耗能能力、大变形能力和抗疲劳性能。采用双线性模型、双线性-RO 模型和 Bouc-wen 模型 对铅粘弹性阻尼器的滞回性能进行了模拟，模拟的滞回曲线与试验所得的滞回曲线吻合的较好。给出了铅粘弹性 阻尼减震结构和耗能支撑构件的设计方法。最后，介绍了铅粘弹性阻尼器在部分实际工程中的应用实例。 关键词：铅粘弹性阻尼器；耗能减震；滞回性能；力学模型；设计方法 中图分类号：TU352.1 文献标识码：A
连接板
连接板
螺栓 剪切板 约束板
约束螺栓
连接板
梁在水平荷载和竖向荷载共同作用下会产生一定 的转动变形，为了能使阻尼器在上、下连接板发生 转动变形时也具有较大的耗能能力，进一步研制出 多铅芯粘弹性阻尼器，如图 3(e)、图 3(f)所示。
连接板
剪切板
铅芯
约束板
封板
粘弹性 材料层 薄钢板
铅芯 橡胶层 薄钢板
(a) 组合式铅橡胶复合阻尼器构造图
(a) 铅粘弹性阻尼器构造图
连接板
剪切板
(b) 铅粘弹性阻尼器
约束板 铅芯
铅芯封板
粘弹性 材料层 薄钢板
(b) 组合式铅橡胶复合阻尼器图片
图 2 组合式铅橡胶阻尼器 Fig.2 Combined lead rubber damper
1.3 铅粘弹性阻尼器 铅粘弹性阻尼器主要由粘弹性材料、薄钢板、
层)、薄钢板、铅芯、挤压头、连接板和保护层组 成[8―9]，如图 1(a)所示，薄钢板、橡胶材料层、连 接板(中央预先留有圆孔)通过高温高压硫化为一 体，铅芯在硫化后再通过预留孔灌入阻尼器中，再 通过压力机将挤压头压入铅芯中，并用螺栓与上、 下连接板固接。在地震或强风作用下，阻尼器的上、 下连接板之间产生相对位移，从而带动挤压头挤压 铅芯和粘弹性材料层的剪切变形耗能，因此，铅橡 胶阻尼器具有铅挤压型阻尼器和粘弹性阻尼器性 能，能在较小的位移下耗能并且提供大的阻尼和耗 能能力。铅橡胶阻尼器根据实际工程的不同需求，
吴从晓(1981－)，男，江西人，博士生，主要从事高层结构抗震与减震控制研究(E-mail: wu-congxiao@163.com)； 邓雪松(1967－)，女，哈尔滨人，副教授，工学硕士，主要从事高层结构抗震研究(E-mail: deng2593@163.com).
工程力学
81
器)[1―7]，并且已在新建工程和建筑抗震加固工程中 得到应用，取得了良好的经济效益和社会效益。文 献[2―3]针对耗能减震装置一般采用单一耗能机制 或耗能元件进行耗能而存在耗能能力不强的问题， 提出了“综合利用不同耗能原理或机制来设计耗能 减震装置，即同时利用两种或两种以上的耗能原 理、耗能元件同时工作、同时耗能”研制和开发阻 尼器的思想，并研制开发了铅粘弹性阻尼器、钢屈 服-摩擦复合阻尼器和钢铅粘弹性阻尼器等多种新 型复合型阻尼减震装置。
1 铅粘弹性阻尼器的原理、构造及 特点
可制作成圆形和方形，如图 1(a)、图 1(b)和图 1(c)
所示。该类阻尼器中铅芯的变形是由挤压头挤压和
周围叠层橡胶、薄钢板剪切变形驱动，当设计合理
时，阻尼器在变形时橡胶材料层和铅芯具有良好的
协调变形的性能，当铅芯直径较大时，挤压头的挤
压和周围叠层橡胶钢板可能驱动不了铅芯变形，连
铅粘弹性阻尼器作为一种复合型阻尼器，是利 用铅的剪切或挤压屈服后产生塑性变形和粘弹性 材料的剪切滞回变形耗能。其充分利用了粘弹性阻 尼器小变形作用下就能发挥耗能作用和铅剪切、挤 压型阻尼器屈服位移小、极限恢复力大的优点，因 此，可以用于结构的地震反应控制和风振反应控 制。铅粘弹性阻尼器的研究已开展了近十年，根据 实际工程应用中的不同需求，不断改进阻尼器构造 和形式，研制出了多种不同类型的铅粘弹性阻尼 器，其中包括：铅橡胶阻尼器、组合式铅橡胶阻尼 器、铅粘弹性阻尼器、钢铅粘弹性阻尼器等[8―16]， 本文介绍了其原理、构造和不同构造铅粘弹性阻尼 器的特点，对各种不同类型的铅粘弹性阻尼器进行 了性能试验，提出了阻尼器的滞回力学模型，给出 了铅粘弹性阻尼器减震结构和铅粘弹性阻尼器支 撑构件的设计方法，最后对安装铅粘弹性阻尼器的 已有工程实例进行介绍。
工程力学
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大的情况，同时又要满足阻尼器具有足够的水平刚
度和耗能能力要求，为此，结合软钢棒阻尼器的优
点，提出了钢铅粘弹性阻尼器，该种阻尼器主要由
钢芯、铅芯、粘弹性材料层、薄钢板层连接板、外
保护层和封口板组成，制作过程和铅橡胶阻尼器相
同(无挤压头)，如图 4(a)、图 4(b)所示，钢芯和铅
芯都是在产品硫化完成后灌入，铅芯用封口板封
第 26 卷增刊 II Vol.26 Sup.II
工程力学
2009 年 12 月 Dec. 2009
ENGINEERING MECHANICS
80
文章编号：1000-4750(2009)Sup.II-0080-11
铅粘弹性阻尼器的开发、研究与应用
*周 云，吴从晓，邓雪松
(广州大学土木工程学院，广东，广州 510006)
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工程力学
阻尼器性能造成不利的影响，并且当结构受竖向地 震作用时，阻尼器在铅芯和粘弹性材料的竖向剪切 变形作用下能耗散部分竖向地震输入结构的能量， 因此，其具有水平减震和竖向减震的功能。组合式 铅橡胶阻尼器的各部件采用螺栓进行组装，每个部 件都可以分工批量生产，保证了产品的产业化和各 部件的质量。
DEVELOPMENT, RESEARCH AND APPLICATION OF LEAD VISCOELASTIC DAMPER
*ZHOU Yun , WU Cong-xiao , DENG Xue-song
(School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, Guangdong 510006, China)
耗能减震技术因其减震机理明确、减震效果显 到众多国内外研究者的重视，目前Leabharlann Baidu经研究开发了 著、构造简单、适用范围广、维护方便等优点，受 多种不同类型和不同构造的耗能减震装置(阻尼
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收稿日期：2009-04-26 基金项目：国家自然科学基金项目(56078040)；广东省自然科学基金创新学术团队项目(8351009101000001)；广东省自然科学基金项目(970668) 作者简介：*周 云(1965－)，男，云南人，教授，工学博士，博导，主要从事结构抗震与减震控制研究(E-mail: zhydxs@163.com)；
Abstract: A new type of energy dissipation device, lead viscoelastic damper (LVD), was introduced, which consists of lead core and viscoelastic materials. The LVD dissipates energy through shear strains of the viscoelastic material and compressive deformation or shear deformation of the lead core. Therefore, it combines the characteristics of both displacement-dependent and velocity-dependent dampers. Based on the different demand of the practical engineering structures, the lead rubber damper, the combined rubber damper, the lead viscoelastic damper and the steel-lead viscoelastic damper were developed, and the principle, configuration and characteristics were illustrated. The experiments on different types of dampers were conducted to study the performance of the LVDs. Experimental results show that the LVDs have good seismic energy dissipation capabilities, excellent ductilities and good performance of fatigue resistance. The hysteretic behavior of the LVDs was simulated with bilinear model, Bilinear-RO model and Bouc-wen model, and the simulating results agreed well with the experimental results.The design process of the structure with the LVDs and the LVD were studied. Finally, the practical engineering structures with the LVDs were introduced. Key words: lead viscoelastic damper (LVD); energy dissipation; hysteresis performance; force model; design
剪切钢板、约束钢板、铅芯和连接板所组成[8,11]， 粘弹性材料、薄钢板、剪切钢板和约束钢板通过高 温高压硫化为一体，其中某块约束钢板、薄钢板和 粘弹性材料层中心预留圆孔，为制作时能均匀受 热，保证阻尼器质量和铅芯灌入预留位置，铅芯灌 入后采用盖板将开孔约束钢板预留孔封住，如图 3(a) 和图 3(b)所示。为了使阻尼器能提供更大的初始刚 度和阻尼耗能能力，对铅粘弹性阻尼器进行改进， 形成复合型铅粘弹性阻尼器[12]，如图 3(c)、图 3(d) 所示。为了进一步增强阻尼器的耗能能力，同时考 虑到由于阻尼器采用支撑形式安装于建筑结构中，
接板端部的橡胶材料层和薄钢板处可能会先产生
破坏，因此，阻尼器设计时必须保证挤压头产生的
挤压力和叠层橡胶与薄钢板之间的剪力大于铅芯
的屈服力。
挤压头 连接板
保护层
薄钢板 粘弹性 材料层
铅芯
(a) 铅橡胶阻尼器构造图
(b) 圆形铅橡胶阻尼器图片
1.1 铅橡胶阻尼器 铅橡胶阻尼器主要由粘弹性材料层(橡胶材料
(c) 复合型铅粘弹性 阻尼器构造图
粘弹性 材料层 薄钢板
(d) 复合铅粘弹性阻尼器图片
连接板
剪切板 铅芯 约束板 支护板
铅芯
(e) 多铅芯粘弹性阻尼器构造图
(f) 多铅芯粘弹性阻尼器图片 图 3 铅粘弹性阻尼器
Fig.3 Lead-viscoelastic damper
1.4 钢铅粘弹性阻尼器 针对实际工程中梁单元截面宽度尺寸不是很
(c) 方形铅橡胶阻尼器图片
图 1 铅橡胶阻尼器 Fig.1 Lead rubber damper
1.2 组合式铅橡胶阻尼器 组合式铅橡胶阻尼器主要由铅橡胶阻尼元件、
侧向约束板、中间连接板、上下连接板及预压螺栓 等所组成，如图 2(a)和图 2(b)所示，铅橡胶阻尼元 件是由薄钢板、橡胶、铅芯、连接板及保护层所组 成[8,10]，该种阻尼器同时能进行水平向和竖向双向 耗能，避免了结构梁在竖向荷载作用下产生变形对
摘 要：铅粘弹性阻尼器是作者研制的一种新型复合型阻尼器，由铅芯、粘弹性材料等组成，通过铅芯的塑性变 形和粘弹性材料的剪切滞回变形耗能，具有位移相关型阻尼器和速度相关型阻尼器复合特性。根据实际工程的不 同需求，先后研究出了铅橡胶阻尼器、组合式铅橡胶阻尼器、铅粘弹性阻尼器和钢铅粘弹性阻尼器等。该文介绍 了上述阻尼器的耗能原理、构造和特点，对不同类型的铅粘弹性阻尼器进行了滞回性能试验，研究结果表明：该 种阻尼器具有较好的耗能能力、大变形能力和抗疲劳性能。采用双线性模型、双线性-RO 模型和 Bouc-wen 模型 对铅粘弹性阻尼器的滞回性能进行了模拟，模拟的滞回曲线与试验所得的滞回曲线吻合的较好。给出了铅粘弹性 阻尼减震结构和耗能支撑构件的设计方法。最后，介绍了铅粘弹性阻尼器在部分实际工程中的应用实例。 关键词：铅粘弹性阻尼器；耗能减震；滞回性能；力学模型；设计方法 中图分类号：TU352.1 文献标识码：A
连接板
连接板
螺栓 剪切板 约束板
约束螺栓
连接板
梁在水平荷载和竖向荷载共同作用下会产生一定 的转动变形，为了能使阻尼器在上、下连接板发生 转动变形时也具有较大的耗能能力，进一步研制出 多铅芯粘弹性阻尼器，如图 3(e)、图 3(f)所示。
连接板
剪切板
铅芯
约束板
封板
粘弹性 材料层 薄钢板
铅芯 橡胶层 薄钢板
(a) 组合式铅橡胶复合阻尼器构造图
(a) 铅粘弹性阻尼器构造图
连接板
剪切板
(b) 铅粘弹性阻尼器
约束板 铅芯
铅芯封板
粘弹性 材料层 薄钢板
(b) 组合式铅橡胶复合阻尼器图片
图 2 组合式铅橡胶阻尼器 Fig.2 Combined lead rubber damper
1.3 铅粘弹性阻尼器 铅粘弹性阻尼器主要由粘弹性材料、薄钢板、
层)、薄钢板、铅芯、挤压头、连接板和保护层组 成[8―9]，如图 1(a)所示，薄钢板、橡胶材料层、连 接板(中央预先留有圆孔)通过高温高压硫化为一 体，铅芯在硫化后再通过预留孔灌入阻尼器中，再 通过压力机将挤压头压入铅芯中，并用螺栓与上、 下连接板固接。在地震或强风作用下，阻尼器的上、 下连接板之间产生相对位移，从而带动挤压头挤压 铅芯和粘弹性材料层的剪切变形耗能，因此，铅橡 胶阻尼器具有铅挤压型阻尼器和粘弹性阻尼器性 能，能在较小的位移下耗能并且提供大的阻尼和耗 能能力。铅橡胶阻尼器根据实际工程的不同需求，
吴从晓(1981－)，男，江西人，博士生，主要从事高层结构抗震与减震控制研究(E-mail: wu-congxiao@163.com)； 邓雪松(1967－)，女，哈尔滨人，副教授，工学硕士，主要从事高层结构抗震研究(E-mail: deng2593@163.com).
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器)[1―7]，并且已在新建工程和建筑抗震加固工程中 得到应用，取得了良好的经济效益和社会效益。文 献[2―3]针对耗能减震装置一般采用单一耗能机制 或耗能元件进行耗能而存在耗能能力不强的问题， 提出了“综合利用不同耗能原理或机制来设计耗能 减震装置，即同时利用两种或两种以上的耗能原 理、耗能元件同时工作、同时耗能”研制和开发阻 尼器的思想，并研制开发了铅粘弹性阻尼器、钢屈 服-摩擦复合阻尼器和钢铅粘弹性阻尼器等多种新 型复合型阻尼减震装置。
1 铅粘弹性阻尼器的原理、构造及 特点
可制作成圆形和方形，如图 1(a)、图 1(b)和图 1(c)
所示。该类阻尼器中铅芯的变形是由挤压头挤压和
周围叠层橡胶、薄钢板剪切变形驱动，当设计合理
时，阻尼器在变形时橡胶材料层和铅芯具有良好的
协调变形的性能，当铅芯直径较大时，挤压头的挤
压和周围叠层橡胶钢板可能驱动不了铅芯变形，连
铅粘弹性阻尼器作为一种复合型阻尼器，是利 用铅的剪切或挤压屈服后产生塑性变形和粘弹性 材料的剪切滞回变形耗能。其充分利用了粘弹性阻 尼器小变形作用下就能发挥耗能作用和铅剪切、挤 压型阻尼器屈服位移小、极限恢复力大的优点，因 此，可以用于结构的地震反应控制和风振反应控 制。铅粘弹性阻尼器的研究已开展了近十年，根据 实际工程应用中的不同需求，不断改进阻尼器构造 和形式，研制出了多种不同类型的铅粘弹性阻尼 器，其中包括：铅橡胶阻尼器、组合式铅橡胶阻尼 器、铅粘弹性阻尼器、钢铅粘弹性阻尼器等[8―16]， 本文介绍了其原理、构造和不同构造铅粘弹性阻尼 器的特点，对各种不同类型的铅粘弹性阻尼器进行 了性能试验，提出了阻尼器的滞回力学模型，给出 了铅粘弹性阻尼器减震结构和铅粘弹性阻尼器支 撑构件的设计方法，最后对安装铅粘弹性阻尼器的 已有工程实例进行介绍。
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大的情况，同时又要满足阻尼器具有足够的水平刚
度和耗能能力要求，为此，结合软钢棒阻尼器的优
点，提出了钢铅粘弹性阻尼器，该种阻尼器主要由
钢芯、铅芯、粘弹性材料层、薄钢板层连接板、外
保护层和封口板组成，制作过程和铅橡胶阻尼器相
同(无挤压头)，如图 4(a)、图 4(b)所示，钢芯和铅
芯都是在产品硫化完成后灌入，铅芯用封口板封
第 26 卷增刊 II Vol.26 Sup.II
工程力学
2009 年 12 月 Dec. 2009
ENGINEERING MECHANICS
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文章编号：1000-4750(2009)Sup.II-0080-11
铅粘弹性阻尼器的开发、研究与应用
*周 云，吴从晓，邓雪松
(广州大学土木工程学院，广东，广州 510006)
82
工程力学
阻尼器性能造成不利的影响，并且当结构受竖向地 震作用时，阻尼器在铅芯和粘弹性材料的竖向剪切 变形作用下能耗散部分竖向地震输入结构的能量， 因此，其具有水平减震和竖向减震的功能。组合式 铅橡胶阻尼器的各部件采用螺栓进行组装，每个部 件都可以分工批量生产，保证了产品的产业化和各 部件的质量。
DEVELOPMENT, RESEARCH AND APPLICATION OF LEAD VISCOELASTIC DAMPER
*ZHOU Yun , WU Cong-xiao , DENG Xue-song
(School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, Guangdong 510006, China)