增鋪馬賽克對約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響

孟凡迪，黃微波，桑英杰，呂 平，梁龍強(qiáng)，李 鵬 （青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

1959年，Kriwin［1］首次提出了約束阻尼的概念，Ross等［2］對阻尼層產(chǎn)生耗能的機(jī)理進(jìn)行了分析。隨后，Ditaranto［3］和Mead等［4］分別推導(dǎo)出描述約束阻尼梁縱向位移和橫向位移的6階微分方程。黃微波等［5］對沙漿夾層板結(jié)構(gòu)各層厚度與層間厚度比對結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)約束層厚度與基層厚度的比值為1時，結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子最大。呂平等［6］研究了阻尼層材料、約束層厚度和環(huán)境溫度對約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響。李華陽［7］從約束層鋪設(shè)面積和約束層厚度兩方面研究了局部約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振性能。趙才友等［8］通過加設(shè)一層帶槽擴(kuò)展層的方式，增加阻尼層的剪切變形，從而達(dá)到降低鋼軌輻射噪音的效果。燕碧娟［9］等通過在基材與阻尼層之間加設(shè)過渡層，使結(jié)構(gòu)在振動時，阻尼層的變形在過渡層中進(jìn)一步擴(kuò)大，從而使總耗能增加。武迪等［10］研究了墊高層的開槽寬度對約束阻尼結(jié)構(gòu)減振性能的影響，得出當(dāng)開槽寬度在30 mm時減振效果最為理想的結(jié)論。

考慮到實(shí)際情況，一般的金屬材料在使用過程中具有局限性，例如當(dāng)基材為圓弧形或者為異型時，環(huán)氧類刮涂型材料在鋪設(shè)的靈活性方面便要優(yōu)于金屬鋼板，能夠更好地貼附在基材表面，但是環(huán)氧類材料的剛度較小。因此，本研究利用約束層增強(qiáng)骨料來增加約束層的彈性模量，從而加大約束層的剪切變形，提高結(jié)構(gòu)整體的阻尼性能。通過單點(diǎn)錘擊試驗(yàn)，研究了在約束層中正、反鋪設(shè)骨料的約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與模型制備

增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)由基材、阻尼層、約束層和馬賽克四部分構(gòu)成。本研究中基材采用市售的Q235鋼板，尺寸為500 mm×43 mm×3.5 mm，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為2.1×105 MPa；阻尼層采用Qtech T413，約束層采用環(huán)氧樹脂，均由青島沙木新材料有限公司提供；增鋪于約束層的馬賽克尺寸為：20 mm×15 mm×2 mm。

阻尼層和約束層都采用刮涂的方式施工，利用質(zhì)量法控制刮涂厚度，阻尼層厚度為1 mm，將馬賽克埋設(shè)于約束層中，模型示意圖如圖1所示，各組的式樣編號見表1。制作完成后在溫度25～30℃、相對濕度54 %～58 %的條件下養(yǎng)護(hù)7 d，方可進(jìn)行測試。

圖1 增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)Figure 1 Constrained damping structure with laying of mosaic

表1 結(jié)構(gòu)編號以及約束層厚度Table 1 Structure number and constraint layer thickness

1.2 振動測試方案

圖2 為模態(tài)振動系統(tǒng)示意圖，試驗(yàn)采用懸臂梁單點(diǎn)錘擊法，測試采用的采集儀類型為INV-3018，采用頻率為51.2 kHz，變時倍數(shù)設(shè)置為8，傳感器標(biāo)定值為4.95 mV/（m·s2）。采樣方式設(shè)為多次觸發(fā)（錘擊試驗(yàn)），觸發(fā)次數(shù)為3次，單次激勵采樣點(diǎn)數(shù)為16 384，滯后點(diǎn)數(shù)設(shè)為32。測試時，進(jìn)行錘擊的力控制在（60±0.2） N，單個試樣測試重復(fù)2次。

圖2 模態(tài)振動系統(tǒng)示意圖Figur 2 Schematic diagram of modal vibration system

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DMA研究結(jié)果分析

圖3 是Qtech T413阻 尼 材 料 的DMA（Dynamic Mechanical Analysis，動態(tài)力學(xué)性能分析）圖。

由圖3a可知，在某一固定的頻率下，阻尼材料的儲能模量隨溫度的升高，呈現(xiàn)出總體下降的趨勢，且隨著頻率的增加，變化曲線向右方偏移。以阻尼材料在25 Hz頻率下的儲能模量變化為例，當(dāng)溫度在-60～20 ℃時，儲能模量迅速下降，由658.70 MPa下降至29.81 MPa，此時阻尼材料處于玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，在此區(qū)域范圍內(nèi)，分子鏈段產(chǎn)生了運(yùn)動，但是應(yīng)變不能跟上應(yīng)力的變化，產(chǎn)生了應(yīng)力滯后現(xiàn)象，從而使阻尼材料具備了阻尼性能。當(dāng)溫度在20～80 ℃時，材料的儲能模量僅從29.81 MPa下降至 0.93 MPa，下降速度緩慢，且趨于水平，此時阻尼材料處于高彈區(qū)域，變化不明顯。

圖3 Qtech T413阻尼材料的DMA圖Figure 3 DMA figure of damping material Qtech T413

由圖3b可知，在某一固定的頻率下，阻尼材料的損耗因子隨溫度的升高，總體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。以25 Hz頻率下為例，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)溫度由-50 ℃上升到0 ℃時，材料的損耗因子由0.039 7上升至0.307 8，0～20 ℃時的損耗因子由0.307 8上升至0.361 9，變化曲線基本趨于水平。在高彈區(qū)域范圍內(nèi)，各個頻率下的損耗因子在溫度達(dá)到40～70 ℃時，呈現(xiàn)出峰值，處于0.560 6～0.632 9之間。

2.2 傳遞函數(shù)分析

增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)曲線Figure 4 Transmission function curves of constrained damping structure with laying of mosaic

由圖4可知，有無增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)前三階的模態(tài)主要集中在0～500 Hz的頻率范圍內(nèi)，其中二、三階響應(yīng)幅值變化最為明顯。以二、三階為例，約束層為環(huán)氧的結(jié)構(gòu)a的振動響應(yīng)最大，響應(yīng)幅值分別為4.98 m/ （s2·N），7.84 m/ （s2·N）；正鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)b2的振動響應(yīng)最小，響應(yīng)幅值分別為3.86 m/ （s2·N），5.69 m/ （s2·N），分別較結(jié)構(gòu)a下降了22.50 %，27.42 %；反鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)b1的振動響應(yīng)幅值較結(jié)構(gòu)a分別下降了8.23 %，12.63 %。圖4結(jié)果表明，增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在單位力下的振動響應(yīng)更小，減振性能更優(yōu)。在阻尼層厚度不變的前提下，環(huán)氧材料作為約束層時的剛度不足，不能迫使阻尼層產(chǎn)生較大的剪切變形，從而導(dǎo)致耗能較低。采用增鋪馬賽克的約束層，能夠有效地減少這種弊端，使結(jié)構(gòu)整體的彎曲力矩增大，耗能增加。與結(jié)構(gòu)b1相比較，凹凸面接觸阻尼層的正鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)b2的振動響應(yīng)幅值在二、三階分別下降了15.54 %，16.93 %。在約束層剛度相同的情況下，正鋪馬賽克的凹凸面起到了墊高的作用，在單位力的作用下，加大了阻尼層的拉壓變形，使結(jié)構(gòu)的彎曲力矩進(jìn)一步增大，耗能得到進(jìn)一步提高。

圖5 是在約束層中正鋪兩層馬賽克，中間有無阻尼層的對比試驗(yàn)的傳遞函數(shù)曲線圖。

圖5 增鋪兩層馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)曲線Figure 5 Transmission function curves of constrained damping structure with laying two layers of mosaic

由圖5可知，正鋪兩層馬賽克的結(jié)構(gòu)c1的前三階振動響應(yīng)幅值分別為1.51 m/ （s2·N）、2.87 m/ （s2·N）和4.05 m/ （s2·N），較結(jié)構(gòu)b2分別下降了41.47 %，25.65 %，28.82 %；在正鋪的兩層馬賽克中間加鋪1 mm阻尼層的結(jié)構(gòu)c2的前三階振動響應(yīng)幅值分別為1.38 m/ （s2·N）、2.66 m/ （s2·N）和3.69 m/ （s2·N），與結(jié)構(gòu)c1相比，變化不大，僅分別下降了8.61 %、7.32 %、8.89 %。即增鋪兩層馬賽克確實(shí)能進(jìn)一步提高約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能，但在兩層馬賽克間加鋪1 mm的阻尼層，結(jié)構(gòu)的阻尼性能變化并不明顯。

2.3 復(fù)合損耗因子分析

表2 為以不同方式增鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)a、b1、b2、c1、c2的前三階模態(tài)頻率及復(fù)合損耗因子。由表2可知，采用不同方式增鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子均呈現(xiàn)二階＞三階＞一階的規(guī)律，且二階復(fù)合損耗因子變化最為明顯。以二階復(fù)合損耗因子為例，與純環(huán)氧約束層的約束阻尼結(jié)構(gòu)a相比較，反鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)b1的復(fù)合損耗因子為0.115 4，提高了23.29 %，正鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)b2的復(fù)合損耗因子提高了29.81 %。表2結(jié)果表明，增鋪馬賽克約束阻尼結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼復(fù)合損耗因子更大，減振性能更優(yōu)。與結(jié)構(gòu)b2相比較，正鋪兩層馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)c1的復(fù)合損耗因子為0.222 3，提高了82.96 %，阻尼性能提高顯著；在結(jié)構(gòu)c1的基礎(chǔ)上，在兩層馬賽克中間加設(shè)1 mm阻尼層的結(jié)構(gòu)c2與結(jié)構(gòu)c1相比，復(fù)合損耗因子僅提高了3.33 %，增加并不明顯。

表2 不同方式增鋪馬賽克阻尼結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及損耗因子Table 2 Modal frequency and loss factor of damping structure with different laying of mosaic

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，增鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，能夠提高減振性能，且采用正鋪的方式減振效果最好，增加馬賽克的鋪設(shè)層數(shù)能夠進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的損耗因子，但在兩層馬賽克之間加鋪?zhàn)枘釋?，減振效果并沒有明顯提高，這與傳遞函數(shù)曲線的分析結(jié)果相一致。

3 結(jié)語

通過對以不同方式增鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行傳遞函數(shù)分析以及復(fù)合損耗因子分析，得出以下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)的約束阻尼結(jié)構(gòu)相比較，增鋪馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)值較低，復(fù)合損耗因子值更大，其中，采用正鋪馬賽克的方式增大了阻尼層的變形，阻尼性能更好。

（2） 增鋪兩層馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)值進(jìn)一步降低，復(fù)合損耗因子明顯增大，結(jié)構(gòu)阻尼性能進(jìn)一步提高，在兩層馬賽克中間增鋪1 mm的阻尼層時，振動響應(yīng)值與復(fù)合損耗因子的變化均不明顯。

（3） 雖然增鋪多層馬賽克的約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能能夠得到明顯的提升，但結(jié)構(gòu)厚度和附加質(zhì)量也隨之大幅度增加，因此，要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增鋪馬賽克層數(shù)的選擇。