粘彈性阻尼器耗能性的影響因素分析

封雨捷 劉 濤 孫繼瑋

(中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

1 概述

近年來，消能減震技術日益成熟，并有大量工程應用實例。實踐證明，消能減震技術可以有效提升房屋建筑的抗震設防能力。消能減震技術的特點是不需要外部提供控制力，也不需要向結構輸入能量，從而實現(xiàn)自動消能控制，主要形式有耗能減震與吸能減震。

結構耗能減震是通過在結構內(nèi)部某些部位設置附加耗能元件，使該結構被動地消耗結構的震動能量。耗能減震裝置按耗能材料可以分為粘彈性阻尼器、粘滯阻尼器、金屬阻尼器和智能材料阻尼器。本文主要對影響粘彈性阻尼器耗能性能的因素進行分析，為提高阻尼器性能提供研究依據(jù)。

2 粘彈性阻尼器簡介

粘彈性阻尼器是一種速度相關型阻尼器，以夾層方式將粘彈性阻尼材料和約束鋼板組合在一起，基本構造如圖1所示。粘彈性阻尼材料是一種介入粘性液體和彈性體之間的，具有儲存能量和耗散的材料，它的基本特點是應變滯后于應力。阻尼器主要依靠粘彈性材料的滯回耗能特性，增加結構的阻尼，減小結構的動力反應。在震動過程中，阻尼器通過粘彈性材料的剪切變形或拉壓變形耗散能量，可提供附加精剛度和附加阻尼，耗能效果較好。還可降低結構位移響應和加速度響應，提高結構舒適度，可同時用于結構的地震和風振控制。造價低廉，具有較好的綜合效益和較寬的適用性。

粘彈性材料的力學特性介于粘性液體和彈性固體之間，同時具備彈簧和流體的性質，通常用儲能模量G′(表示材料的剛度性能)、損耗模量G″(表示材料的阻尼性能)和損耗因子Z(表示材料的粘性程度)來描述，三種特性參數(shù)之間的關系為：

3 粘彈性阻尼器耗能影響因素

粘彈性阻尼器的種類很多，由于構造和阻尼材料都有所不同，不同類別的粘彈性阻尼器的性能差異很大，但是影響阻尼器耗能性能的因素卻是一致的。許多研究者對各類粘彈性阻尼器進行了相關的性能試驗研究，如表1所示，從這些試驗和研究中可以發(fā)現(xiàn)影響粘彈性阻尼器的主要因素。

3.1 溫度

表1 粘彈性阻尼器的試驗研究

羅威等人[1]基于常規(guī)的粘彈性阻尼器進行實驗，發(fā)現(xiàn)當溫度由20 ℃升至70 ℃時，阻尼器耗能下降了40%。這說明隨著環(huán)境溫度的升高，阻尼器的耗能能力大幅度降低。此外，在控制其他參數(shù)不變時，儲能模量和損耗模量均隨著溫度的升高而逐漸下降。由于在長期往復荷載作用下，粘彈性材料內(nèi)部溫度也會產(chǎn)生變化，他們也對此進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)阻尼器的耗能特性受材料內(nèi)部溫度變化的影響并不顯著。

朱晨飛等人[2]介紹了一種新型的粘彈性阻尼器，可補償溫度軟化效應。該阻尼器將粘彈性材料與磁流變液智能材料相結合，使得阻尼器在任意環(huán)境溫度下都能保證最佳溫度的耗能特性。隋杰英等人[3]將分別適用于高溫和低溫的兩種粘彈性材料串聯(lián)起來，研制了一種大溫差粘彈性阻尼器。通過試驗發(fā)現(xiàn)，該阻尼器可在較大溫度范圍內(nèi)保持較好的性能，應用于實際工程中可發(fā)揮阻尼器良好的效能效果，減輕溫度的影響。

3.2 頻率

周云等人[4]對粘彈性阻尼器的性能研究試驗表明，粘彈性阻尼器的儲能剪切模量、損耗剪切模量和損耗因子等參數(shù)都隨著頻率的升高而升高。Chang K C等人[5]指出，隨著頻率的增加，損耗因子也隨之增加，但是當頻率達到一定值后，耗損因子將趨于穩(wěn)定，這是粘彈性材料的特性所決定的。徐趙東[6]指出，粘彈性阻尼器的屈服力不會隨著加荷頻率的改變而改變，但是初始剛度和屈服后剛度受頻率變動的影響較大。因此，研究粘彈性材料在不同頻率下的性能變化，對于了解和把握粘彈性阻尼器的減震作用是十分重要的。

3.3 應變幅值

徐趙東[6]對粘彈性阻尼器受應變幅值的影響進行了試驗研究，結果表明阻尼器的儲能模量、損耗模量和損耗因子均是隨著應變幅值的增大而減小，其中在極小的應變下(10%)下降極快。粘彈性阻尼器隨著變形的增加，粘彈性材料因內(nèi)部溫度升高而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，阻尼器的耗能能力衰減。因此，應變幅值也是影響粘彈性阻尼器性能的重要因素之一。

3.4 粘彈性材料

粘彈性阻尼材料是以高分子聚合物為基礎的一種工程材料，工程材料的技術要求一般包括基本要求和使用要求兩個方面，基本要求有物理和化學方面的常規(guī)性能要求，每種材料有其不同的使用要求。對于粘彈性阻尼材料來說，減震性能是其主要要求，材料應具有較高的內(nèi)耗和對應高內(nèi)耗的較寬溫度范圍和頻帶寬度[7]。

對于粘彈性阻尼器，在分析不同阻尼材料對阻尼器性能的影響時，可比較材料以下幾個方面的性能：1)動態(tài)力學性能，包括材料的損耗因子和動態(tài)模量等參數(shù)；2)耐環(huán)境性能，對阻尼器來說，主要是耐水性能；3)安全性，包括阻燃性、煙密度等；4)理化性能，如密度、硬度、拉伸性能等；5)施工工藝性，保證阻尼材料在規(guī)定的條件下順利地粘貼在被處理的金屬基體上。上述技術要求是對阻尼材料的總要求，有些技術要求是相互對立的，要獲得這些技術要求都優(yōu)良的阻尼材料實際也比較困難。在工程應用中，要根據(jù)實際情況的要求，合理選擇合適的阻尼材料，同時優(yōu)化設計合理的阻尼結構。

4 結語

除了這些影響粘彈性阻尼器自身性能的因素，要保證阻尼器發(fā)揮其最佳性能，在減震設計時還需要確定阻尼器的相關參數(shù)、數(shù)量及布置方案，可利用計算機算法對阻尼器的布置位置進行優(yōu)化，并考慮實際結構、支撐布置等對阻尼器性能的影響。

要分析阻尼器的理論耗能效果，可采用有限元建模方法得到滯回曲線,分析滯回曲線形狀、滯回面積。但在實際工程應用中，仍有很多問題尚待解決，如阻尼器與結構或支撐連接構造及安裝、施工、維修等的研究，各種因素(溫度、加載、濕度等)對已有阻尼器結構的可靠性、耐久性的綜合影響等，這些都會影響阻尼器發(fā)揮其最佳耗能減震性能。