黏彈性裝配式減震器的性能試驗(yàn)研究

黃興淮 ，張 一，李奉南， 趙孟喆 ，謝紹文，徐趙東

(1. 東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；2. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

黏彈性減震器作為一種典型的被動(dòng)消能裝置能夠有效減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震響應(yīng)．黏彈性減震器由鋼板和黏彈性阻尼材料膠接而成，通過(guò)阻尼材料的往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)，達(dá)到隔震耗能的效果[1]．減震器通過(guò)阻尼材料的滯回變形減小了結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)和破壞[2]．

典型的黏彈性減震器由 3塊鋼板與 2塊黏彈性阻尼材料組成．在地震等反復(fù)荷載作用下，鋼板與鋼板之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[3]，使阻尼材料產(chǎn)生往復(fù)剪切變形，以消耗能量，達(dá)到耗能減震目的[4]．

黏彈性減震器的力-位移滯回曲線近似于橢圓形，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較小變形時(shí)，減震器就能發(fā)揮耗能作用，可以用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)振和地震控制，具有廣泛的工程適用性[5]．黏彈性減震器性能可靠，構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作方便，造價(jià)低廉，可以顯著減小地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與破壞．

然而，現(xiàn)有黏彈性減震器在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)以及實(shí)際使用過(guò)程中，整體高溫高壓硫化成本偏高，且膠黏性有限，經(jīng)常在阻尼材料受力尚未達(dá)到剪切破壞強(qiáng)度時(shí)就發(fā)生阻尼材料與鋼板之間的開(kāi)裂與脫落[6]，導(dǎo)致裝置破壞失效，無(wú)法充分發(fā)揮阻尼材料的性能．為此，受橋梁減震支座的啟發(fā)，本文對(duì)現(xiàn)有黏彈性減震器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，制作出適用于冷膠黏接的新型黏彈性裝配式減震器，以盡量避免阻尼材料與鋼板連接處先于阻尼材料自身破壞而破壞，發(fā)揮阻尼材料的最大作用，提升黏彈性裝配式減震器的工作性能．

1 黏彈性減震器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

典型黏彈性減震器的構(gòu)造如圖 1所示．本文對(duì)現(xiàn)有黏彈性減震器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出黏彈性裝配式減震器．具體改進(jìn)措施包括：采用冷膠黏接工藝，避免整體高溫高壓硫化；在鋼板與黏彈性阻尼材料膠接部位增設(shè)凹槽，使阻尼材料完全嵌入其中；通過(guò)螺栓與耳板(鋼板)對(duì)減震器增設(shè)側(cè)壓力．黏彈性裝配式減震器如圖2所示．

黏彈性裝配式減震器的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1所示，鋼板的實(shí)物構(gòu)造如圖 3所示．裝配式減震器中設(shè)置了 0.5mm 深的凹槽，凹槽深度與黏彈性阻尼材料厚度的比值為 5%．阻尼材料采用丁腈橡膠 JSR200S為基體，還加入了炭黑、促化劑、硫化劑、塑化劑、防老劑等改性成分．通過(guò)物性試驗(yàn)測(cè)出的阻尼材料硬度為 70～80HA，扯斷伸長(zhǎng)率為 440%，永久變形為30%．

圖1 典型黏彈性減震器的構(gòu)造Fig.1 Typical structure of viscoelastic dampers

圖2 黏彈性裝配式減震器的構(gòu)造Fig.2 Structure of the viscoelastic assembly damper

圖3 鋼板的實(shí)物構(gòu)造Fig.3 Real steel plates

2 黏彈性裝配式減震器的力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)根據(jù)表 1中設(shè)計(jì)參數(shù)加工制作出的黏彈性裝配式減震器在不同工況下進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，研究其耗能特點(diǎn)與破壞模式，并通過(guò)力-位移滯回曲線計(jì)算出黏彈性阻尼材料的儲(chǔ)能模量以及損耗因子，進(jìn)而得出鋼板構(gòu)造、側(cè)壓力、加載頻率與幅值對(duì)減震器力學(xué)性能的影響規(guī)律．

在試驗(yàn)過(guò)程中，采用 100kN疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行往復(fù)循環(huán)加載．通過(guò)螺栓對(duì)減震器施加側(cè)壓力，采用力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)所施加的側(cè)壓力進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)，具體的加載布置如圖 4所示．試驗(yàn)設(shè)置了多種工況，側(cè)壓力分別為 0kN、1kN和 2kN，加載頻率分別為 0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz和 1.0Hz，位移幅值分別為1mm、3mm、5mm和7mm，對(duì)每種工況下進(jìn)行10次循環(huán)，共進(jìn)行了200余種工況試驗(yàn)．加載工況順序?yàn)橛傻皖l率到高頻率、小位移幅值到大位移幅值、小側(cè)壓力到大側(cè)壓力，每種工況完成后均需檢查螺栓連接處以及阻尼材料與鋼板連接處是否牢固．

表1 改進(jìn)前后黏彈性減震器的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of viscoelastic dampers with and without improvement

圖4 側(cè)壓力加載布置Fig.4 Side loading arrangement of the device

3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)原理

黏彈性裝配式減震器的耗能能力可以用其在力作用下發(fā)生位移時(shí)所做的功來(lái)衡量[7]，也就是用力-位移滯回曲線所包絡(luò)的面積表示．包絡(luò)的面積越大，減震器的耗能能力就越強(qiáng)[8]．

黏彈性裝配式減震器的滯回曲線呈橢圓形，具有很好的耗能性能[9-14]．橢圓的傾斜角度與儲(chǔ)能模量有關(guān)，滯回曲線所包絡(luò)的面積即單位體積的黏彈性阻尼材料在每次振動(dòng)循環(huán)中所消耗的能量Ed，其表達(dá)式為

式中：τ(t)為阻尼材料的剪切應(yīng)力；γ0為黏彈性材料的最大剪切應(yīng)變；˙( t ) =γ0ωc o s(ωt)，ω為激勵(lì)的頻率；G2(ω)為黏彈性材料的損耗模量，可用來(lái)衡量每周循環(huán)消耗的能量．

等效阻尼比ξ可以用來(lái)衡量黏彈性材料的阻尼性能，其值為一個(gè)循環(huán)內(nèi)所耗散的能量與系統(tǒng)產(chǎn)生最大變形時(shí)存儲(chǔ)應(yīng)變能的4π倍之比，即

式中G1為黏彈性材料的儲(chǔ)能模量，可用來(lái)衡量每周循環(huán)存儲(chǔ)和恢復(fù)的能量．

損耗因子表達(dá)式為

式中：η為損耗因子，可用來(lái)衡量黏彈性材料的耗能能力；α表示相位角之差．

3.2 減震器性能參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

黏彈性裝配式減震器的各項(xiàng)工作參數(shù)可由第 3.1節(jié)中公式求出．由于每種工況下循環(huán)圈數(shù)過(guò)多，在10次循環(huán)里選取最穩(wěn)定部分繪制滯回曲線并進(jìn)行分析計(jì)算，得出減震器在各種工況下的儲(chǔ)能模量與損耗因子，結(jié)果如表2所示．

表2 減震器的性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of the dampers

3.3 黏彈性裝配式減震器滯回特性分析

為研究黏彈性裝配式減震器的性能參數(shù)在不同工況下的變化規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制了改進(jìn)前后減震器在不同工況下的力-位移滯回曲線，兩種減震器均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律．現(xiàn)選取兩組較為穩(wěn)定的工況進(jìn)行分析，如圖5與圖6所示．

圖5 滯回曲線隨位移幅值的變化(F＝1kN，f＝0.5Hz)Fig.5 Variation of hysteresis curves at different displacement amplitudes(F＝1kN，f＝0.5Hz)

由圖 5可以得出，在位移幅值分別為 1mm、3mm、5mm、7mm 時(shí)，滯回曲線的包絡(luò)面積分別為0.3097、2.3914、6.1146、10.7477．位移幅值在 1～3mm 區(qū)間，包絡(luò)面積增加了 672%；在 3～5mm 區(qū)間，包絡(luò)面積增加了 156%；在 5～7mm 區(qū)間，包絡(luò)面積增加了76%．因此，在側(cè)壓力與加載頻率相同的情況下，隨著位移幅值的增大，滯回曲線的包絡(luò)面積增加，傾斜角度減小，減震器的單圈耗能不斷增大．

圖6 有無(wú)凹槽時(shí)滯回曲線的變化Fig.6 Variation of hysteresis curves of the viscoelastic assembly dampers with and without groove

由圖 6可以看出，在側(cè)壓力、加載頻率與位移幅值都相同的情況下，有凹槽減震器滯回曲線的包絡(luò)面積大于無(wú)凹槽減震器，位移幅值越大，這一變化趨勢(shì)越明顯，因此，有凹槽減震器的單圈耗能大于無(wú)凹槽減震器．當(dāng)減震器存在凹槽時(shí)，阻尼材料嵌入凹槽中，鋼板之間所夾阻尼材料層厚度略有減小，使得減震器剛度增加，因此有凹槽減震器的滯回曲線傾斜角度比無(wú)凹槽減震器大．

3.4 凹槽與側(cè)壓力對(duì)減震器性能參數(shù)的影響

根據(jù)表 2中黏彈性裝配式減震器性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，繪制出有無(wú)凹槽時(shí)減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子隨側(cè)壓力變化的折線圖，如圖7所示．

圖7 有無(wú)凹槽時(shí)減震器性能參數(shù)隨側(cè)壓力的變化Fig.7 Variation of performance parameters with the groove and lateral pressure

由圖7可知，黏彈性裝配式減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子整體呈現(xiàn)隨側(cè)壓力增大而增大的趨勢(shì)．以有凹槽減震器為例，儲(chǔ)能模量在 0～1.0kN區(qū)間增加了7.4%，在1.0～2.0kN區(qū)間增加了8.0%；損耗因子在 0～1.0kN區(qū)間增加了 12.2%，在 1.0～2.0kN區(qū)間增加了 2.7%．對(duì)減震器增大側(cè)壓力，鋼板對(duì)夾在中間的阻尼材料施加壓力，增大了鋼板與阻尼材料膠接處的牢固程度，使得阻尼材料中橡膠間分子鏈與填料的摩擦作用增大，從而增大了減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子．側(cè)壓力為1.0kN和2.0kN時(shí)，黏彈性阻尼材料層受到的壓強(qiáng)分別為 0.417MPa和 0.833MPa.仍以有凹槽減震器為例，當(dāng)側(cè)壓力從 0MPa增加至0.833MPa時(shí)，儲(chǔ)能模量從 3.710MPa增大到4.302MPa，增幅為 16.0%，損耗因子從 0.230增大到0.265，增幅為15.2%．

由圖7還可以看出，有凹槽減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子均大于無(wú)凹槽試件．有凹槽減震器的儲(chǔ)能模量在0N時(shí)比無(wú)凹槽減震器增加27.4%，在1.0kN時(shí)增加12.2%，在2.0kN時(shí)增加14.1%；有凹槽減震器的損耗因子在 0N時(shí)比無(wú)凹槽減震器增加 9.5%，在1.0kN時(shí)增加9.8%，在2.0kN時(shí)增加8.2%．鋼板上的凹槽對(duì)阻尼材料有嵌固作用，同時(shí)還增加了膠接處的面積以及牢固程度，從而提高了減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子．

3.5 加載頻率與位移幅值對(duì)減震器性能參數(shù)的影響

根據(jù)表 2中黏彈性裝配式減震器性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，繪制出減震器儲(chǔ)能模量與損耗因子隨加載頻率與位移幅值變化的折線圖，如圖8和圖9所示．

圖8 減震器性能參數(shù)隨加載頻率的變化Fig.8 Variation of performance parameters with loading frequency

由圖8可知，黏彈性裝配式減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子隨加載頻率增大而增大，但隨著加載頻率的增大，變化趨于平緩．以 d＝3mm 為例，儲(chǔ)能模量在0.1～0.2Hz區(qū)間增加了5.8%，在0.2～0.5Hz區(qū)間增加了 10.0%，在 0.5～1.0Hz區(qū)間增加了 4.5%；損耗因子在0.1～0.2Hz區(qū)間增加了7.3%，在0.2～0.5Hz區(qū)間增加了 21.1%，在 0.5～1.0Hz區(qū)間增加了17.9%．阻尼材料的性能參數(shù)隨加載頻率的變化與材料中分子鏈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化有關(guān)，即與材料的松弛時(shí)間有關(guān)．在所測(cè)試的頻率范圍內(nèi)，隨著加載頻率的增加，外部荷載作用時(shí)間變短，逐漸接近分子鏈的松弛時(shí)間，鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，相互之間的作用增強(qiáng)，因此儲(chǔ)能模量與損耗因子隨加載頻率增大而增大．

由圖9可知，黏彈性裝配式減震器的儲(chǔ)能模量與損耗因子隨位移幅值增大而減?。?f＝0.5Hz為例，儲(chǔ)能模量在 1～3mm 區(qū)間下降了 6.3%，在 3～5mm 區(qū)間下降了 7.6%，在 5～7mm 區(qū)間下降了14.8%；損耗因子在 1～3mm 區(qū)間下降了 8.5%，在3～5mm 區(qū)間下降了 11.8%，在 5～7mm 區(qū)間下降了 13.4%．可以看出，黏彈性裝配式減震器性能參數(shù)隨位移幅值的增大而減小，原因是當(dāng)位移幅值增大時(shí)，阻尼材料的微觀結(jié)構(gòu)(如填料網(wǎng)格結(jié)構(gòu))與橡膠基體之間的分子鏈發(fā)生變形并斷裂，相互之間作用減弱，因此儲(chǔ)能模量與損耗因子隨位移幅值增大而減小.

圖9 減震器性能參數(shù)隨位移幅值的變化Fig.9 Variation of performance parameters with displacement amplitude

由上述分析可以看出，凹槽與側(cè)壓力的存在可以提高黏彈性裝配式減震器的減震性能．根據(jù)圖 7，隨著側(cè)壓力的不斷增大，減震器的性能參數(shù)繼續(xù)增大的趨勢(shì)減小，建議側(cè)壓力數(shù)值控制在 0.5～1.5MPa．當(dāng)側(cè)壓力增加到足夠大時(shí)，夾在鋼板之間的阻尼材料會(huì)發(fā)生擠壓變形并鼓出，因此側(cè)壓力過(guò)大時(shí)會(huì)影響減震器的減震性能．凹槽的存在可以提高黏彈性裝配式減震器的減震性能，但阻尼材料厚度與凹槽深度的比值應(yīng)控制在0.05～0.10的范圍內(nèi)，其原因在于凹槽深度過(guò)小時(shí)，凹槽對(duì)阻尼材料沒(méi)有足夠的嵌固作用從而無(wú)法發(fā)揮凹槽的作用；凹槽深度較大時(shí)，阻尼材料嵌固較深，鋼板邊緣對(duì)阻尼材料有剪切作用從而撕裂阻尼材料，使阻尼材料發(fā)生破壞，無(wú)法充分發(fā)揮其耗能特性．

4 結(jié) 論

為避免黏彈性減震器發(fā)生阻尼材料與鋼板之間提前開(kāi)裂，對(duì)現(xiàn)有黏彈性減震器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了不同工況下的力學(xué)性能試驗(yàn)，得到如下結(jié)論．

(1) 凹槽的存在對(duì)黏彈性裝配式減震器的減震性能具有較大影響，與無(wú)凹槽試件相比，5%深的凹槽使減震器的儲(chǔ)能模量增大 12.2%～27.4%，損耗因子增大8.2%～9.5%．

(2) 側(cè)壓力的大小對(duì)黏彈性裝配式減震器的減震性能也具有較大影響，當(dāng)側(cè)壓力從 0MPa增加到0.833MPa時(shí)，儲(chǔ)能模量增大 16.0%，損耗因子增大15.2%．

(3) 位移幅值與加載頻率對(duì)黏彈性裝配式減震器的減震性能具有一定的影響，位移幅值增大 1倍時(shí)，儲(chǔ)能模量下降 5%，損耗因子下降 10%～15%；加載頻率增大 1倍時(shí)，儲(chǔ)能模量增大 5%～10%，損耗因子增大 10%～20%，因此加載頻率對(duì)減震器的減震性能有更顯著的影響．

(4) 凹槽與側(cè)壓力的存在可以提高黏彈性裝配式減震器的減震性能，在今后的黏彈性裝配式減震器的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮凹槽與側(cè)壓力的效果，控制側(cè)壓力大小與凹槽深度，最大程度提高減震器性能.