一種新型黏彈性材料的力學性能試驗研究

李衛(wèi)勇，陳長海，張雷

(1.陜西省高速公路建設集團公司，陜西 西安 710061；2.陜西省交通規(guī)劃設計研究院)

地震作為一種自然現(xiàn)象，產(chǎn)生的災害嚴重威脅著人類生命財產(chǎn)安全。同時，伴隨產(chǎn)生的火災、滑坡、海嘯等次生災害，對抗震救災帶來不便。由于地震的隨機性，目前還不能準確估計未來地震作用的強度和特性，按傳統(tǒng)抗震方法設計的結構不具備自我調節(jié)功能，很可能在地震作用下不滿足安全性能要求而產(chǎn)生嚴重破壞。減震技術是指在結構的連接部之間設置阻尼器等耗能減震裝置，通過耗能減震裝置產(chǎn)生彈塑性滯回變形來耗能或吸收地震輸入結構中的能量，以減輕或抑制結構的地震反應。

黏彈性阻尼器是一種有效的被動減震(振)控制裝置，通過黏彈性體的滯回耗能特性，給結構提供附加阻尼，減小結構的動力反應，以達到減震(振)的目的。黏彈性阻尼材料應用于土木工程結構始于1969年，紐約世貿大廈安裝近萬個黏彈性阻尼裝置以減小風振，隨后黏彈性阻尼裝置在高層結構的抗風設計中得到了廣泛應用。與風振控制相比，黏彈性阻尼在結構減震控制中的應用較少，其主要原因有以下兩個方面：① 黏彈性阻尼材料的剪切變形能力有限，不適用于結構大變形的工程抗震設計；② 黏彈性阻尼材料的耗能能力有限，實際工程中需要使用大量的黏彈性阻尼器才能達到一定的減震效果。

為了將黏彈性阻尼器更好地應用于結構物的抗震，國內外學者對黏彈性阻尼裝置進行了試驗研究。Chang、Soong T T、Tsai等對黏彈性阻尼裝置在不同溫度、不同應變幅值、不同激勵頻率下進行了正弦激勵試驗，大量的試驗結果表明：應變幅值、激振頻率和溫度是影響?zhàn)椥宰枘崞餍阅艿闹饕蛩兀籏asai等利用振動臺試驗對分別安裝了不同類型阻尼裝置的5層足尺鋼框架進行了試驗研究，對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；歐進萍、吳波等對不同形式的國產(chǎn)黏彈性材料阻尼裝置進行了力學性能試驗，研究了其主要性能指標——剪切模量、損耗因子的變化規(guī)律；徐趙東對基于不同橡膠基體的兩種黏彈性阻尼裝置進行了試驗研究；周云等對某種高阻尼黏彈性阻尼裝置的力學性能及其力學模型進行了分析研究。

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黏彈性體在300%剪應變以內的試驗研究，針對黏彈性材料在大變形下的研究報道較少。該文對一種新型黏彈性材料制作的阻尼裝置——TRC黏彈性阻尼裝置進行了力學性能試驗研究。首先通過對不同尺寸的阻尼裝置進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性；其次通過不同工況下的力學性能試驗，研究該新型黏彈性材料在變形、加載頻率、溫度等方面的相關性；最后通過老化試驗考察該材料的老化性能。

1 新型黏彈性體的性能試驗概況

1.1 TRC黏彈性阻尼裝置的基本構造和原理

TRC黏彈性阻尼裝置(Total Response Control Damper)是一種對由于震動產(chǎn)生的加速度與位移進行控制的黏彈性阻尼裝置，由鋼板和新型的黏彈性體黏結而成。在構造物由于震動發(fā)生變形時，阻尼裝置鋼板中間的黏彈性體產(chǎn)生剪應變，將震動能量轉換為其他形式，從而實現(xiàn)抑制結構振動，減少結構損傷。其基本構造如圖1所示。

圖1 黏彈性阻尼裝置的基本構造和原理

1.2 試件設計

試驗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硫化處理與三塊鋼板連接而成。此次試驗共采用1個TRC黏彈性阻尼裝置足尺試件(編號TRC.1)和9個縮尺試件(編號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電液伺服作動器分別對足尺試件和縮尺試件進行力學性能試驗。

對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行試驗，研究新型黏彈性體的尺寸相關性。對NO.2～NO.9試件進行正弦激勵加載，加載圈數(shù)5圈。試驗測量內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行控制加載。除溫度相關性試驗外，其他試驗均在20 ℃常溫下進行。加載方案見表1。

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

為研究新型黏彈體的加載頻率相關性，對NO.3試件進行不同加載頻率下的循環(huán)剪切試驗，各工況加載應變幅值均為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性，先將NO.4、NO.5、NO.6試件置于溫度箱內進行溫度控制。在環(huán)境溫度分別達到0、10、20、30、40 ℃時進行黏彈性體溫度相關性試驗。3個試件分別在0.33、0.5、1 Hz加載頻率下進行循環(huán)加載，各工況加載應變幅值均為300%，加載5圈。

為考察新型黏彈性體的抗老化性能，對NO.7、NO.8、NO.9試件進行熱老化試驗。其中3個試件老化溫度分別設置為50、60、70 ℃，老化時間最長為4個月。將老化后試件在環(huán)境溫度20 ℃、應變幅值100%、加載頻率1 Hz條件下進行加載。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

各工況下的試驗結果顯示，加載前后新型黏彈性體未發(fā)生材料破壞，且與鋼板黏結完好。在每個工況加載結束后，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至加載前的溫度。

2.2 新型黏彈性體的尺寸相關性

在正弦激勵和地震作用下，對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)進行尺寸相關性試驗，結果如表2所示?？梢娮愠咴嚰c縮尺試件的對應關系良好。

表1 加載方案

注：黏彈性阻尼裝置試件在每個工況結束后靜置20 min。

表2 尺寸相關性試驗結果

由此推斷，縮尺試件表現(xiàn)出的力學性能完全適用于實際TRC黏彈性阻尼器。為簡化試驗，其余試驗均采用縮尺試件進行。

2.3 新型黏彈性體的變形相關性

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

(1)剪應變γ=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對應的剪應力。

(4)等效阻尼比heq=ΔW/(4πW),ΔW為黏彈性材料剪切試驗一圈滯回曲線所包絡的面積，W=Pu0/2為黏彈性體在最大剪切位移時對應的應變能。

新型黏彈性體各項性能指標的取值均來自第3圈試驗數(shù)據(jù)的實測值。圖3為應變幅值對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 等效剪切模量與應變幅值成反比，并在應變幅值200%～400%的范圍內趨于平緩；② 等效阻尼比隨著應變幅值的增加先增大后減小，在應變幅值為200%時等效阻尼比heq達到最大值43%，當應變幅值到達400%時等效阻尼比heq也可達35%以上。

圖3 等效剪切模量、等效阻尼比的變形相關性(f=1 Hz)

表明該新型黏彈性材料具有極強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，耗能能力先增強而后緩慢減弱，應變幅值為200%時該材料耗能能力最為顯著。

2.4 新型黏彈性體的頻率相關性

在0.2、0.33、0.5、1、2 Hz 5種頻率下，對新型黏彈性體進行頻率相關性試驗。圖4為加載頻率對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準頻率1 Hz相比變化幅度均在10%以內；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準頻率1 Hz相比變化幅度均在12%以內。

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

2.5 新型黏彈性體的溫度相關性

溫度對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性

圖6 等效阻尼比的溫度相關性

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。以20 ℃為標準溫度，±10 ℃內等效阻尼比的變化在8%以內。表明在0～40 ℃范圍內，溫度的變化對新型黏彈性體的力學性能影響不大。

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間的變化關系，可以看到等效剪切模量和等效阻尼比在每個試驗溫度下均與老化時間的對數(shù)呈線性關系。

采用阿倫尼烏斯方程式(Arrhenius Theory)進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，等效阻尼比的變化率均在6%以內，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 性能推算結果

3 結論

通過對新型黏彈性材料進行試驗研究，得出以下結論：

(1)該新型黏彈性材料不具備尺寸相關性，具有極強的耗能能力和良好的變形能力。該材料在200%剪應變下等效阻尼比可達40%以上，當剪應變達到400%時其力學性能仍保持穩(wěn)定。

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

(3)新型黏彈性材料具有良好的抗老化性能。