李衛(wèi)勇，陳長(zhǎng)海，張雷

(1.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710061；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

地震作為一種自然現(xiàn)象，產(chǎn)生的災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，伴隨產(chǎn)生的火災(zāi)、滑坡、海嘯等次生災(zāi)害，對(duì)抗震救災(zāi)帶來(lái)不便。由于地震的隨機(jī)性，目前還不能準(zhǔn)確估計(jì)未來(lái)地震作用的強(qiáng)度和特性，按傳統(tǒng)抗震方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不具備自我調(diào)節(jié)功能，很可能在地震作用下不滿足安全性能要求而產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。減震技術(shù)是指在結(jié)構(gòu)的連接部之間設(shè)置阻尼器等耗能減震裝置，通過(guò)耗能減震裝置產(chǎn)生彈塑性滯回變形來(lái)耗能或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減輕或抑制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

黏彈性阻尼器是一種有效的被動(dòng)減震(振)控制裝置，通過(guò)黏彈性體的滯回耗能特性，給結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，以達(dá)到減震(振)的目的。黏彈性阻尼材料應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)始于1969年，紐約世貿(mào)大廈安裝近萬(wàn)個(gè)黏彈性阻尼裝置以減小風(fēng)振，隨后黏彈性阻尼裝置在高層結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。與風(fēng)振控制相比，黏彈性阻尼在結(jié)構(gòu)減震控制中的應(yīng)用較少，其主要原因有以下兩個(gè)方面：① 黏彈性阻尼材料的剪切變形能力有限，不適用于結(jié)構(gòu)大變形的工程抗震設(shè)計(jì)；② 黏彈性阻尼材料的耗能能力有限，實(shí)際工程中需要使用大量的黏彈性阻尼器才能達(dá)到一定的減震效果。

為了將黏彈性阻尼器更好地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物的抗震，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黏彈性阻尼裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Chang、Soong T T、Tsai等對(duì)黏彈性阻尼裝置在不同溫度、不同應(yīng)變幅值、不同激勵(lì)頻率下進(jìn)行了正弦激勵(lì)試驗(yàn)，大量的試驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)變幅值、激振頻率和溫度是影響?zhàn)椥宰枘崞餍阅艿闹饕蛩?；Kasai等利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)分別安裝了不同類型阻尼裝置的5層足尺鋼框架進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了黏彈性阻尼裝置和其他類型阻尼裝置的減震效果；歐進(jìn)萍、吳波等對(duì)不同形式的國(guó)產(chǎn)黏彈性材料阻尼裝置進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了其主要性能指標(biāo)——剪切模量、損耗因子的變化規(guī)律；徐趙東對(duì)基于不同橡膠基體的兩種黏彈性阻尼裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究；周云等對(duì)某種高阻尼黏彈性阻尼裝置的力學(xué)性能及其力學(xué)模型進(jìn)行了分析研究。

受黏彈性材料性能的限制，大部分黏彈性阻尼裝置的耗能能力有限，其等效阻尼比通常小于20%，且已有的研究主要針對(duì)黏彈性體在300%剪應(yīng)變以內(nèi)的試驗(yàn)研究，針對(duì)黏彈性材料在大變形下的研究報(bào)道較少。該文對(duì)一種新型黏彈性材料制作的阻尼裝置——TRC黏彈性阻尼裝置進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)研究。首先通過(guò)對(duì)不同尺寸的阻尼裝置進(jìn)行正弦波和地震作用的加載，明確新型黏彈性材料的尺寸相關(guān)性；其次通過(guò)不同工況下的力學(xué)性能試驗(yàn)，研究該新型黏彈性材料在變形、加載頻率、溫度等方面的相關(guān)性；最后通過(guò)老化試驗(yàn)考察該材料的老化性能。

1 新型黏彈性體的性能試驗(yàn)概況

1.1 TRC黏彈性阻尼裝置的基本構(gòu)造和原理

TRC黏彈性阻尼裝置(Total Response Control Damper)是一種對(duì)由于震動(dòng)產(chǎn)生的加速度與位移進(jìn)行控制的黏彈性阻尼裝置，由鋼板和新型的黏彈性體黏結(jié)而成。在構(gòu)造物由于震動(dòng)發(fā)生變形時(shí)，阻尼裝置鋼板中間的黏彈性體產(chǎn)生剪應(yīng)變，將震動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為其他形式，從而實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，減少結(jié)構(gòu)損傷。其基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 黏彈性阻尼裝置的基本構(gòu)造和原理

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩片剪切型黏彈性阻尼裝置試件，試件由兩層新型黏彈性體通過(guò)硫化處理與三塊鋼板連接而成。此次試驗(yàn)共采用1個(gè)TRC黏彈性阻尼裝置足尺試件(編號(hào)TRC.1)和9個(gè)縮尺試件(編號(hào)NO.1～NO.9)，足尺試件黏彈性體的平面尺寸為800 mm×600 mm，厚度10 mm；縮尺試件黏彈性體的平面尺寸為80 mm×70 mm，厚度5 mm，縮尺試件的形狀和規(guī)格如圖2所示。

圖2 縮尺試件的形狀和規(guī)格(單位：mm)

1.3 加載方案

采用100 t電液伺服系統(tǒng)和2 t電液伺服作動(dòng)器分別對(duì)足尺試件和縮尺試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

對(duì)TRC黏彈性阻尼裝置足尺試件和NO.1縮尺試件在正弦波和地震作用下進(jìn)行試驗(yàn)，研究新型黏彈性體的尺寸相關(guān)性。對(duì)NO.2～NO.9試件進(jìn)行正弦激勵(lì)加載，加載圈數(shù)5圈。試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容為黏彈性阻尼器的阻尼力和剪切位移。采用變量控制法，以剪切位移、加載頻率、環(huán)境溫度等為變量分別進(jìn)行控制加載。除溫度相關(guān)性試驗(yàn)外，其他試驗(yàn)均在20 ℃常溫下進(jìn)行。加載方案見表1。

為研究新型黏彈性體的變形相關(guān)性，在環(huán)境溫度20 ℃、加載頻率1.0 Hz情況下對(duì)NO.2試件進(jìn)行不同應(yīng)變幅值的循環(huán)剪切試驗(yàn)，各工況加載5圈。加載位移幅值分別為2.5、5、10、15、20 mm，其中對(duì)應(yīng)應(yīng)變幅值分別為50%、100%、200%、300%、400%。

為研究新型黏彈體的加載頻率相關(guān)性，對(duì)NO.3試件進(jìn)行不同加載頻率下的循環(huán)剪切試驗(yàn)，各工況加載應(yīng)變幅值均為400%，加載5圈。加載頻率分別為0.2、0.33、0.5、1、2 Hz。

為研究新型黏彈性體的溫度相關(guān)性，先將NO.4、NO.5、NO.6試件置于溫度箱內(nèi)進(jìn)行溫度控制。在環(huán)境溫度分別達(dá)到0、10、20、30、40 ℃時(shí)進(jìn)行黏彈性體溫度相關(guān)性試驗(yàn)。3個(gè)試件分別在0.33、0.5、1 Hz加載頻率下進(jìn)行循環(huán)加載，各工況加載應(yīng)變幅值均為300%，加載5圈。

為考察新型黏彈性體的抗老化性能，對(duì)NO.7、NO.8、NO.9試件進(jìn)行熱老化試驗(yàn)。其中3個(gè)試件老化溫度分別設(shè)置為50、60、70 ℃，老化時(shí)間最長(zhǎng)為4個(gè)月。將老化后試件在環(huán)境溫度20 ℃、應(yīng)變幅值100%、加載頻率1 Hz條件下進(jìn)行加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

各工況下的試驗(yàn)結(jié)果顯示，加載前后新型黏彈性體未發(fā)生材料破壞，且與鋼板黏結(jié)完好。在每個(gè)工況加載結(jié)束后，新型黏彈性體表面溫度略有上升，將試件靜置20 min左右，新型黏彈性體表面溫度可恢復(fù)至加載前的溫度。

2.2 新型黏彈性體的尺寸相關(guān)性

在正弦激勵(lì)和地震作用下，對(duì)黏彈性阻尼器足尺試件(黏彈性體尺寸:800 mm×600 mm×10 mm)和縮尺試件(黏彈性體尺寸:80 mm×70 mm×5 mm)進(jìn)行尺寸相關(guān)性試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示?？梢娮愠咴嚰c縮尺試件的對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

表1 加載方案

注：黏彈性阻尼裝置試件在每個(gè)工況結(jié)束后靜置20 min。

表2 尺寸相關(guān)性試驗(yàn)結(jié)果

由此推斷，縮尺試件表現(xiàn)出的力學(xué)性能完全適用于實(shí)際TRC黏彈性阻尼器。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，其余試驗(yàn)均采用縮尺試件進(jìn)行。

2.3 新型黏彈性體的變形相關(guān)性

黏彈性阻尼器的性能可以用剪應(yīng)變、最大剪應(yīng)力、等效剪切模量和等效阻尼比來(lái)表征。等效剪切模量用來(lái)描述黏彈性體的剛度大小，等效阻尼比用來(lái)衡量黏彈性體的耗能能力，相應(yīng)定義如下：

(1)剪應(yīng)變?chǔ)?u0/t，u0為黏彈性體的剪切位移，t為黏彈性體層的厚度。

(2)最大剪應(yīng)力τ=P/A，P為黏彈性體的最大阻尼力，A為黏彈性體的剪切面積。

(3)等效剪切模量G=τ/γ，τ為黏彈性材料在最大剪切變形時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力。

(4)等效阻尼比heq=ΔW/(4πW),ΔW為黏彈性材料剪切試驗(yàn)一圈滯回曲線所包絡(luò)的面積，W=Pu0/2為黏彈性體在最大剪切位移時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能。

新型黏彈性體各項(xiàng)性能指標(biāo)的取值均來(lái)自第3圈試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)值。圖3為應(yīng)變幅值對(duì)新型黏彈性體等效剪切模量和等效阻尼比的影響曲線。由圖3可見：① 等效剪切模量與應(yīng)變幅值成反比，并在應(yīng)變幅值200%～400%的范圍內(nèi)趨于平緩；② 等效阻尼比隨著應(yīng)變幅值的增加先增大后減小，在應(yīng)變幅值為200%時(shí)等效阻尼比heq達(dá)到最大值43%，當(dāng)應(yīng)變幅值到達(dá)400%時(shí)等效阻尼比heq也可達(dá)35%以上。

圖3 等效剪切模量、等效阻尼比的變形相關(guān)性(f=1 Hz)

表明該新型黏彈性材料具有極強(qiáng)的耗能能力和良好的剪切變形能力。該新型黏彈性材料具有明顯的變形相關(guān)性,隨著剪切變形的增加，新型黏彈性體的剛度不斷減小，耗能能力先增強(qiáng)而后緩慢減弱，應(yīng)變幅值為200%時(shí)該材料耗能能力最為顯著。

2.4 新型黏彈性體的頻率相關(guān)性

在0.2、0.33、0.5、1、2 Hz 5種頻率下，對(duì)新型黏彈性體進(jìn)行頻率相關(guān)性試驗(yàn)。圖4為加載頻率對(duì)新型黏彈性體等效剪切模量和等效阻尼比的影響曲線。

圖4 等效剪切模量、等效阻尼比的頻率相關(guān)性(Y=200%)

由圖4可以看出：① 隨著加載頻率的增加，等效剪切模量略有增加，各工況下的等效剪切模量與標(biāo)準(zhǔn)頻率1 Hz相比變化幅度均在10%以內(nèi)；② 隨著頻率的增加，等效阻尼比隨著加載頻率的增加先增大后減小，各工況下的等效阻尼比與標(biāo)準(zhǔn)頻率1 Hz相比變化幅度均在12%以內(nèi)。

表明該新型黏彈性材料的力學(xué)性能與頻率相關(guān)性較小。在0.2～2 Hz范圍內(nèi)，頻率的變化對(duì)新型黏彈性體的力學(xué)性能影響并不明顯。

2.5 新型黏彈性體的溫度相關(guān)性

溫度對(duì)新型黏彈性體的等效剪切模量、等效阻尼比的影響曲線見圖5、6。

圖5 等效剪切模量的溫度相關(guān)性

圖6 等效阻尼比的溫度相關(guān)性

由圖5、6可見：在同一頻率下隨著溫度的升高，新型黏彈性材料剛度減小、耗能能力略有增強(qiáng)。以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，±10 ℃內(nèi)等效阻尼比的變化在8%以內(nèi)。表明在0～40 ℃范圍內(nèi)，溫度的變化對(duì)新型黏彈性體的力學(xué)性能影響不大。

2.6 新型黏彈性體的抗老化性能

圖7、8為不同老化溫度下等效剪切模量、等效阻尼比的變化率隨老化時(shí)間的變化關(guān)系，可以看到等效剪切模量和等效阻尼比在每個(gè)試驗(yàn)溫度下均與老化時(shí)間的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。

采用阿倫尼烏斯方程式(Arrhenius Theory)進(jìn)行新型黏彈性體的性能推算。如表3所示，推算得到新型黏彈性體在環(huán)境溫度分別為10、20、30 ℃正常使用100年后，等效剪切模量的變化率均在4%以內(nèi)，等效阻尼比的變化率均在6%以內(nèi)，該新型黏彈性材料具有良好的抗老化性能。

圖7 等效剪切模量變化率

圖8 等效阻尼比變化率

表3 性能推算結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新型黏彈性材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)該新型黏彈性材料不具備尺寸相關(guān)性，具有極強(qiáng)的耗能能力和良好的變形能力。該材料在200%剪應(yīng)變下等效阻尼比可達(dá)40%以上，當(dāng)剪應(yīng)變達(dá)到400%時(shí)其力學(xué)性能仍保持穩(wěn)定。

(2)該新型黏彈性材料的力學(xué)性能與應(yīng)變幅值相關(guān)性明顯，與加載頻率相關(guān)性不大，與溫度相關(guān)性較小。隨著應(yīng)變幅值的增加，該材料的耗能能力先增強(qiáng)后緩慢減弱。加載頻率和溫度的變化對(duì)新型黏彈性材料的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)影響不大。

(3)新型黏彈性材料具有良好的抗老化性能。