陳 國 誼

(海南師范大學(xué)，海南 ?？?571158)

消能減震裝置按所用材料主要可分為金屬阻尼器、黏彈性阻尼器、黏滯阻尼器、智能材料阻尼器等，其中黏彈性阻尼器是一種具有獨特力學(xué)性能的消能阻尼器。與金屬阻尼器相比，黏彈性阻尼器不需要發(fā)生較大的相對位移，在較小的振動幅值下便可以耗散能量；另一方面，與黏滯阻尼器相比，黏彈性阻尼器能夠為結(jié)構(gòu)提供較大的附加剛度，在生產(chǎn)工藝和制造成本方面優(yōu)于黏滯阻尼器和智能材料阻尼器。由于加載頻率、應(yīng)變幅值、溫度和加載周期可能對黏彈性阻尼器的耗能效果有較大影響，國外學(xué)者就這四個外界條件對黏彈性阻尼器性能的影響已進行了大量研究[1-8]。盡管國內(nèi)外學(xué)者對黏彈性阻尼器進行了大量研究，但對具有大變形能力的黏彈性阻尼器的研究相對較少。

1 試驗概況

本次試驗采用足尺試件，阻尼器由三塊鋼板和兩層黏彈性材料層組成，其中黏彈性材料的尺寸為200 mm×200 mm，厚度為16 mm，如圖1所示。約束鋼板與高阻尼黏彈性材料在模具中一體硫化成型。加載過程中，通過加載裝置使中間的鋼板和兩側(cè)的鋼板發(fā)生相對位移，帶動黏彈性材料發(fā)生剪切變形。

試驗采用的加載裝置為四連桿機構(gòu)，通過MTS電液壓伺服加載系統(tǒng)施加水平推拉荷載，加載系統(tǒng)如圖2所示。

本次試驗中，高阻尼黏彈性阻尼器進行三組工況加載，分別為頻率組、幅值組和疲勞組，分別研究加載頻率、應(yīng)變幅值及加載周期數(shù)對阻尼器力學(xué)性能的影響。試驗過程中的環(huán)境溫度保持在21 ℃～25 ℃下，不考慮溫度變化的影響。作動器輸入的正弦波為u=u0sin(ωt)，根據(jù)試驗結(jié)果需要計算的力學(xué)性能指標包括最大剪應(yīng)力、儲能剪切模量、損耗剪切模量、第3圈耗能、損耗因子和等效黏滯阻尼比。

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

阻尼器在起始加載直至加載結(jié)束的過程中，約束鋼板外觀無明顯變化，高阻尼橡膠層與約束鋼板黏結(jié)完好，高阻尼橡膠層無撕裂、破壞，也無明顯殘余變形，如圖3所示。

2.2 加載頻率的影響

高阻尼黏彈性阻尼器各力學(xué)性能指標與加載頻率相關(guān)性較小，其大小在一定值附近保持穩(wěn)定。高阻尼黏彈性阻尼器在兩種幅值工況下，最大剪應(yīng)力、儲能剪切模量、損耗剪切模量和第3圈耗能在0.1 Hz～0.3 Hz的頻段內(nèi)隨著加載頻率的增大而增大，損耗因子和等效黏滯阻尼比在0.1 Hz～0.5 Hz加載頻段內(nèi)變化較小，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在剪切應(yīng)變?yōu)?0%的幅值下，損耗因子和等效黏滯阻尼比的最大變化率分別為4.57%和5.01%，在剪切應(yīng)變?yōu)?0%的幅值下，最大變化率分別為5.26%和6.09%。整體而言，高阻尼黏彈性阻尼器的各項力學(xué)性能指標受頻率影響較小，變化率不超過10%。

2.3 應(yīng)變幅值的影響

阻尼器的儲能剪切模量和損耗剪切模量均隨著剪切應(yīng)變的增大而不斷減小，并且在變形小于200%的剪切應(yīng)變時下降幅度最大，其中儲能剪切模量在起始加載至200%剪切應(yīng)變的范圍內(nèi)下降率分別為51.37%,64.54%,53.84%，損耗剪切模量在起始加載至200%剪切應(yīng)變的范圍內(nèi)下降率分別為70.43%,54.90%,68.22%，在200%～600%的剪切應(yīng)變范圍內(nèi)儲能剪切模量和損耗剪切模量的變化趨緩。三個阻尼器的耗能隨著剪切應(yīng)變的增大而不斷增大，其中B和C在分別加載至600%和500%剪切應(yīng)變的過程中耗能不斷增加，直至二者在剪切應(yīng)變分別達到650%和550%時發(fā)生破壞后，其耗能開始減小。

綜上所述，該種高阻尼黏彈性阻尼器的力學(xué)性能與應(yīng)變幅值相關(guān)性較明顯，損耗因子和等效黏滯阻尼比較大，耗能效果良好。

2.4 疲勞性能研究

采用正弦激勵法，對試驗黏彈性阻尼器施加頻率為f1=0.1 Hz的正弦力，輸入位移u=u0sin(ωt)，連續(xù)加載30個循環(huán)。對比試驗得到的第3圈數(shù)據(jù)和第30圈數(shù)據(jù)，分析循環(huán)荷載作用下黏彈性阻尼器力學(xué)性能的變化。如表1所示，主要評價指標為黏彈性阻尼器的最大阻尼力、表觀剪切模量、損耗因子的變化率。

表1 阻尼器的疲勞指標

從表1可知黏彈性阻尼器在30圈循環(huán)加載后，最大阻尼力、表觀剪切模量、損耗因子均有一定程度的下降，上述變化率均滿足JG/T 209—2012建筑消能阻尼器中疲勞性能指標變化率不超過15%的要求。圖4為阻尼器的疲勞性能曲線，阻尼器的滯回曲線飽滿，未出現(xiàn)明顯的強度退化，表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能。

3 結(jié)語

本文基于某國產(chǎn)橡膠材料，研發(fā)了具有大變形能力的剪切型黏彈性阻尼器，使其能夠安裝在結(jié)構(gòu)變形較大的部位進行振動反應(yīng)控制。對其進行了試驗研究，初步得出以下結(jié)論：

1)在0.1 Hz～0.5 Hz的加載頻率范圍內(nèi)，黏彈性阻尼器的力學(xué)性能指標變化較小，在一定值附近保持穩(wěn)定，表明其力學(xué)性能受加載頻率影響較小。2)黏彈性阻尼器的力學(xué)性能指標與應(yīng)變幅值相關(guān)性較明顯，其損耗因子和等效黏滯阻尼比較大，滯回曲線比較飽滿，具備良好的耗能性能。3)黏彈性阻尼器在30圈循環(huán)加載后，各項力學(xué)性能指標均滿足JG/T 209—2012建筑消能阻尼器對疲勞性能的要求，表明其具備較強的抗疲勞性能。