7.1.1 黏滞流体材料的耗能机理
材料可分为弹性材料和黏性材料。对于理想弹性材料来说，其应力和应变之间无滞后现象，即相位差为零；而对于理想的黏性材料来说，其应力和应变之间存在滞后现象，相位差为π/2。因此，在正弦变化的力作用下，理想的弹性材料仅能储存能量而不能耗散能量，反映出材料的刚度特性；相反，理想的黏性材料则仅能耗散能量而不能储存能量，反映出材料的阻尼特性；介于两者之间的黏弹性材料既能耗散能量，又能存储能量[21]。三种材料的应力—应变关系曲线（滞回曲线）如图7-3所示。但目前尚不存在完全理想的弹性或黏性材料，实际工程中采用的黏滞阻尼介质一般为高黏度的有机材料，如硅油、液压油、航空油等。黏滞阻尼墙所采用的黏滞阻尼材料应力与应变之间也同样存在滞后现象，相位差介于0～π/2之间，如图7-4所示。
图7-3 弹性、黏性、黏弹性材料的应力—应变关系
图7-4 黏滞阻尼材料力—位移时程曲线
黏滞阻尼墙根据构造不同，可以分为间隙式（图7-1）与孔隙式（图7-2）两种型式。两种不同的阻尼墙构造形式不一样，其所使用的阻尼介质也有所不同。对于间隙式黏滞阻尼墙，主要是通过内钢板剪切阻尼介质进行耗能，因此所使用的介质多为近似于黏弹性的半固半液态的中高相对分子质量的高分子聚合物；对于孔隙式黏滞阻尼墙，其使用的阻尼介质一般为普通黏滞阻尼器中所使用的硅油材料，其耗能机理与本书第3章中所述的黏滞阻尼器的耗能机理近似。
1）间隙式黏滞阻尼墙耗能机理
间隙式黏滞阻尼墙的耗能机理可以理解为，当地震或风荷载作用于结构时，结构上、下楼层之间产生相对位移或相对速度（参见图7-5），固定于上层楼面梁的内剪切钢板在外钢板组成的箱体内作往复运动，箱体内的黏滞材料发生剪切变形，从而导致外界输入动荷载的转化和衰减，这种剪切变形通常不能复原，而且出现动位移滞后于激励力的现象，也就是位移变化与外荷载激励之间存在这一个相位差δ。如假设外荷载以正弦波的形式加载，则外荷载与位移随时间的变化可表示为式（7-1）的形式：
其中Fg和Δ分别为外荷载激励与位移随时间变化的函数，F0和Δ0分别为最大激励力和最大位移幅值，ω为外荷载的激励频率，并且ω=2πf，f为频率，t为时间。在式（7-1）基础上，可以将材料运动一周所耗散的能量表示为
考虑高分子材料的应力—应变关系，式（7-2）又可表示为
式（7-3）表明，在每一个循环过程中，单位体积阻尼材料耗散能量的大小正比于这个相位差的正弦，而通常使用的阻尼介质材料都存在接近于π/2的相位差，因此具有较好的耗能性能。
图7-5 间隙式黏滞阻尼墙工作模式示意
图7-6 聚异丁烯（Polyisobutylene，PIB）分子结构式
黏滞阻尼墙的耗能性能在很大程度上由阻尼介质的性能所决定。有学者在对目前日本广泛应用的间隙式黏滞阻尼墙的研究过程中发现，普通的间隙式黏滞阻尼墙如果仅采用黏滞阻尼器中常用的甲基硅油作为阻尼介质，并不能提供满足实际工程所需要的输出阻尼力。因此，实际生产中所采用的阻尼介质多为具有一定黏弹性性质的阻尼材料如聚异丁烯高分子聚合物[16-19]，其分子结构式如图7-6所示。
在外荷载作用时，聚合物产生分子运动（包括分子间相对运动与分子内部化学单元的自由旋转）和分子链运动（包括曲折状分子链的拉伸、扭曲和分子间链段的相对滑移、扭转）。外力撤出后，这两部分运动都会出现部分运动复原和一部分运动不能复原的情形，其中，能复原的运动为能量的转化，宏观上表现为这种聚合物材料的弹性，不能复原的运动实质上就是能量的耗散，即由运动能变为热能逸散出去，宏观上表现为这种材料的黏性，此类高聚物材料耗能主要由此产生。
图7-7 黏弹性材料的储能模量、损耗因子与温度的关系
1—玻璃态区；2—玻璃化转变区；3—高弹态区；4—黏流态区；Tg—玻璃化转变温度
针对聚异丁烯高分子聚合物的研究表明，这种材料在常温下呈半固态，随着温度升高，这种材料逐渐向液态变化，流动性增大，表现出黏弹性材料的温度特性。根据研究，这种黏弹性材料性质随温度由低到高的变化可以分为四个阶段，分别是：①玻璃态区；②玻璃化转变区；③高弹态区；④黏流态区，其中玻璃化转变区是黏弹性阻尼材料力学形态发生变化的一个临界区域（见图7-7）。在玻璃态区，黏弹性材料通常处于一种分子链运动被冻结的状态，在外力作用下表现出很高的刚性，耗能性能比较差，只有在外荷载频率很低的情况下才能出现大的能量损耗。在玻璃化转变区，随着温度升高，黏弹性材料的分子链逐渐被解冻开始热运动，这样的运动导致了材料内耗的增加，耗能性能上的优势也逐渐显示出来。通常认为黏弹性材料的玻璃化转变区是其进行耗能的特征工作温度区间，在这一温度区间内高分子材料的韧性特征非常突出，动力学性质明显，弹性模量随温度的升高而降低，在某一温度处阻尼材料的耗能能力达到峰值，此时所对应的温度称为玻璃化转变温度，通常以Tg表示，在这之后材料的耗能能力将迅速下降。在材料应用中，通常将转变区的宽度定义为发生玻璃化转变的温度范围，这也就是黏弹性阻尼材料有效阻尼的温度范围。随着温度继续升高，材料进入了高弹态区，分子链段运动进一步活跃，出现高弹变形，材料宏观上表现为更加柔软，耗能能力中等，材料在较高的外荷载频率下才能表现出一定的耗能能力。如果温度继续升高，在进入到黏流态区后，黏弹性材料逐渐表现出了流体阻尼材料近似于黏滞流体阻尼介质的材料特性，具有比较好的耗能能力，但是力学强度很低，不能够为间隙式黏滞阻尼墙提供足够的阻尼力[17-19]。
根据当前国内外研究与工程应用情况，日本由多个厂家生产的能够应用于实际工程发挥消能减震作用的黏滞阻尼墙，其力学性能都具有明显的温度与频率相关性。根据前述介绍可知，由于黏弹性阻尼材料选用高分子聚合物聚异丁烯，该材料的分子运动会随温度的变化表现出明显的不同，材料在宏观上出现巨大的力学性能差异，因此导致目前工程中所使用的黏滞阻尼墙力学性能随温度变化存在较大的变化。这种黏弹性阻尼介质从其本构关系上来看并不属于幂律流体，因此所产生的阻尼力与式（7-20）所表达的阻尼介质为幂律流体的黏滞阻尼墙不同。根据试验数据分析研究得到的不同厂家黏滞阻尼墙阻尼力计算公式将在后文7.2节中详细介绍。
2）孔隙式黏滞阻尼墙耗能机理
孔隙式黏滞阻尼墙基本构造形式如图7-2所示。钢箱内填充黏滞流体阻尼介质，一块或多块横向内钢板置于钢箱和黏滞阻尼材料之间。应用于实际工程时，为了满足结构空间和阻尼墙安装需求，可在阻尼墙下部设置支架，将支架的底部与下层楼面相连；一般还需在钢箱外部设置钢筋混凝土或防火材料保护阻尼墙体，以防阻尼墙受到撞击、腐蚀、火灾等因素作用而影响性能。当阻尼墙高度满足安装要求，不需要支架时，直接通过底部钢板的翼缘与下层楼面相连。此时底部钢板翼缘作为钢箱的延伸。实际应用中，孔隙式黏滞阻尼墙的固定方式以及工作原理与间隙式阻尼墙大体上相似，也是利用了在地震或风作用下结构的上下楼层间产生的相对运动，如图7-8所示。
图7-8 孔隙式黏滞阻尼墙耗能机理简图[6]
间隙式黏滞阻尼墙内钢板主平面沿纵向布置，利用黏滞阻尼材料的剪切变形耗能不同，孔隙式黏滞阻尼墙内钢板主平面沿横向设置，在内钢板上根据需要开设阻尼孔洞，伴随内钢板的往复运动，阻尼介质相应的由内钢板上孔隙两侧的高压腔经过阻尼孔流往低压腔。在黏滞流体反复流经阻尼孔的过程中，流体因克服摩擦等影响因素而耗散外界输入的机械能，该类阻尼墙耗能原理与黏滞阻尼器类似。孔隙式黏滞阻尼墙中所填充的阻尼介质采用了幂律流体（如高黏度甲基硅油），因此所能提供的阻尼力与式（7-20）推导得到的计算公式相同，输出阻尼力表现出明显的速度相关性，与频率、位移幅值以及温度等因素关系不大。
间隙式黏滞阻尼墙一般来说在工作时墙体内部不需要保持较高的压强，故对运动部位的密封要求不高，一般采用开口式，仅设置限位装置即可。而孔隙式黏滞阻尼墙耗能机理与黏滞阻尼器类似，工作时墙体内部必须保持较高的压强，才能使该类阻尼墙输出较大的满足工程需求的阻尼力，因此对阻尼墙顶板与箱体交接处密封性能要求较高，顶板、内钢板与钢箱接触处均需设置密封条，要求能够实现动态密封，以保证孔隙式黏滞阻尼墙在较大的工作行程条件下能够保持正常工作。
图7-9 甲基硅油分子结构式
间隙式黏滞阻尼墙通常采用高分子聚合物作为阻尼介质，该类材料在常温下一般呈半固态。而孔隙式黏滞阻尼墙多采用高标号甲基硅油作为黏滞阻尼介质，该阻尼介质材料常温下为液态，其分子结构式如图7-9所示。
黏滞阻尼墙耗散的能量，从流体力学的角度分析，主要来自黏滞流体在阻尼墙箱体与内钢板间隙中的流动损失，该损失称为流体的沿程阻力损失，在本书第3章中已有详细介绍。除此之外，流体可以承受较大的压应力，却几乎不能承受拉应力，并且在加压的情况下，所产生的阻尼力还会进一步变大。而其抵抗剪切应力的能力极弱，即使作用于流体的剪切力非常微小，流体也会发生连续变形，这种特性称为流体的易流性，这种流体抵抗剪切应力较弱的易流性也解释了以剪切耗能为主的间隙式黏滞阻尼墙不适于采用流动性较强的阻尼介质。从微观上来看，黏性流体分子间的内聚力或物理缠结较弱，容易产生相对运动。同时，黏性流体分子内的化学单元能自由旋转，在很小的外力作用下，分子间容易产生相对变形、滑移、扭转，而当外力消除后，分子间产生的变形、滑移、扭转基本上不能复原，这是黏性流体材料的黏性表现。在外力作用下，黏滞流体与固体表面附着力（摩擦力）所做的功转化为热能而耗散于周围环境中，同时在受力过程中分子间产生内摩擦力，摩擦力所做的功也转化为热能耗散出去。在适当的外荷载频率以及温度范围内，这种黏滞流体承受交变荷载时会有很强的耗能能力。