約束阻尼襯砌結(jié)構(gòu)的減震效果試驗(yàn)研究

藺子涵，楊逸帆，梅賢丞，崔 臻,3，曹 俊

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.暨南大學(xué) 重大工程災(zāi)害與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632)

地震災(zāi)害嚴(yán)重威脅著道路、橋梁、隧道等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。以往震害資料表明[1-3]，隧道結(jié)構(gòu)在歷年地震中大肆遭受損壞，使得國(guó)家經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p失，人民生命安全受到嚴(yán)重威脅。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同特征的隧道開(kāi)展了大量震害機(jī)理和抗減震措施的相關(guān)研究，吳廣盛[4]基于ANSYS有限元數(shù)值模型，模擬了有無(wú)減震層的隧道條件，并探討了不同因素對(duì)減震層減震效果的影響；孫鐵成等[5]針對(duì)雙洞隧道洞口段有無(wú)減震層的條件進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模型模擬試驗(yàn)，得到設(shè)置減震層對(duì)圍巖破壞程度有所減輕的結(jié)論；信春雷等[6]基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究分析了跨斷層隧道的洞身段不同減震措施的減震效果，對(duì)比分析減震縫、減震層和無(wú)抗減震措施條件下的動(dòng)力響應(yīng)特征，得到減震層的減震效果好于減震縫措施的結(jié)論；Kim D S等[7]通過(guò)理論分析，研究了隧道隔震層的減震效果及不同因素的影響效果。孫常新等[8]分析了影響隧道在地震作用下的破壞因素，分別探究了不同圍巖等級(jí)、不同結(jié)構(gòu)形式和不同埋深等條件下隧道結(jié)構(gòu)在地震中的破壞機(jī)理?？梢?jiàn)，在橫斷面上采用恰當(dāng)?shù)臏p震、隔震設(shè)計(jì)，是有效提高隧洞在地震作用下結(jié)構(gòu)安全的重要措施，需要開(kāi)展深入研究。

約束阻尼減震結(jié)構(gòu)作為基于粘彈性阻尼理論的一種減震隔振結(jié)構(gòu)，其原理是當(dāng)體系受力產(chǎn)生形變時(shí)，由于基層-阻尼層接觸面和阻尼層-約束層接觸面之間受力狀況的差異，導(dǎo)致阻尼層上下表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力應(yīng)變，從而阻尼層發(fā)生剪切變形，與此同時(shí)阻尼層也會(huì)發(fā)生拉、壓變形，從而耗散更多的能量[9-10]，達(dá)到減震的效果。目前，在橋梁建筑抗震領(lǐng)域及汽車減振降噪等領(lǐng)域內(nèi)，約束阻尼減震結(jié)構(gòu)的運(yùn)用均獲得了極大的發(fā)展和成功，例如，劉全民等[11]提出了一種約束阻尼層橋梁車致振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲理論計(jì)算方法，探究了約束阻尼層參數(shù)對(duì)高速鐵路鋼桁結(jié)合梁橋噪聲的影響規(guī)律。鞠家輝[12]通過(guò)單點(diǎn)錘擊法，研究了針對(duì)路面工程的約束阻尼結(jié)構(gòu)中阻尼材料和阻尼層厚度對(duì)約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能影響。王立聰[13]基于某汽車的車身結(jié)構(gòu)，建立了針對(duì)汽車模型的約束阻尼結(jié)構(gòu)的建模方式，并開(kāi)展了車身結(jié)構(gòu)的NVH性能仿真分析，進(jìn)行了設(shè)置約束阻尼結(jié)構(gòu)的車身傳遞函數(shù)穩(wěn)健性優(yōu)化分析。但是對(duì)于地下隧道工程的抗震設(shè)計(jì)，約束阻尼結(jié)構(gòu)的研究?jī)H停留在早期學(xué)者提出復(fù)合阻尼減震層結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)設(shè)想階段,尚未開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。如崔光耀[14]建立了基于地形效應(yīng)的山嶺隧道洞口淺埋段地動(dòng)峰值加速度確定方法及隧道洞口淺埋段縱向和斷裂粘滑隧道抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并對(duì)采用減縫或減層的六種方式進(jìn)行了靜力錯(cuò)動(dòng)模型試驗(yàn)研究，得出二襯設(shè)減震縫(12 m)的減震方式效果最好。

因此，本文基于約束阻尼理論，將約束阻尼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地下隧道工程，制作代表隧道襯砌結(jié)構(gòu)的約束阻尼曲梁構(gòu)件模型，開(kāi)展系統(tǒng)的材料力學(xué)與力錘動(dòng)力沖擊試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同阻尼層厚度及其結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)曲梁及直梁狀約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼減震性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果可為隧道地下工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

本文依托于川藏鐵路控制性重點(diǎn)工程折多山隧道，結(jié)合工程場(chǎng)地特性，代表性地選取了折多山隧道中弧形隧道與矩形隧道部分進(jìn)行模擬研究。折多山隧道地處四川省康定市，屬于我國(guó)西部強(qiáng)震區(qū)，該地區(qū)地震基本烈度高達(dá)Ⅷ度。本文提出一種適用于地下隧道工程的約束阻尼減震襯砌結(jié)構(gòu)，通過(guò)分別設(shè)計(jì)與制作約束阻尼曲梁與直梁結(jié)構(gòu)對(duì)折多山隧道的弧形隧道部分與矩形隧道部分進(jìn)行模擬。本試驗(yàn)以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，采用力錘單點(diǎn)錘擊振動(dòng)試驗(yàn)的研究方法，并使用DASP-V11系列分析系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及對(duì)比。

1.1 試驗(yàn)材料制備

本試驗(yàn)采用的約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，由約束層，基層及阻尼層三部分構(gòu)成，三者由內(nèi)向外依次緊密粘結(jié)從而形成約束阻尼耗能結(jié)構(gòu)。其中試驗(yàn)中阻尼層材料選用自行研發(fā)的橡膠-砂混凝土材料，該材料由橡膠顆粒、砂和水泥澆筑而成，其配比為橡膠∶砂∶水泥=1∶1∶1.333。橡膠顆粒由廢棄輪胎研磨而來(lái)，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)土工篩篩至粒徑為0.075 mm～0.250 mm。所用砂來(lái)自天然清潔的河流，也采用土工篩進(jìn)行篩分為0.5 mm～1.0 mm粒徑，并將篩分后的砂置于120℃的干燥箱內(nèi)進(jìn)行8 h以上的烘干，使其保持干燥。所選水泥為Ⅰ型普通硅酸鹽水泥(I-OPC)，該水泥的28 d抗壓強(qiáng)度為42.5 MPa，符合《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[15](SL/T 352—2020)要求。橡膠-砂混凝土制作及性能測(cè)試過(guò)程如圖2所示。阻尼層的橡膠-砂混凝土材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。約束層及基層材料均為混凝土，由試驗(yàn)室配置，其材料配比為水∶水泥∶砂∶石子=0.38∶1.00∶1.11∶2.72。在上述混凝土配比下的立方體試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d后，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度為31.46 MPa，彈性模量為30.25 GPa，因此強(qiáng)度等級(jí)滿足C30要求。

圖1 約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)

圖2 橡膠-砂混凝土制作及性能測(cè)試

表1 阻尼層橡膠混凝土材料力學(xué)性能參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)方案

分別制作模具澆筑約束阻尼結(jié)構(gòu)的基層，阻尼層，約束層并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。通過(guò)拼合各結(jié)構(gòu)層得到約束阻尼結(jié)構(gòu)，并在各結(jié)構(gòu)層間均勻涂抹潮濕沙子使得各結(jié)構(gòu)層間接觸緊密。本試驗(yàn)共設(shè)置兩種阻尼結(jié)構(gòu)：約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)與約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)分別將阻尼層澆筑時(shí)未埋設(shè)塑料管、埋設(shè)一排塑料管、埋設(shè)兩排塑料管形成的無(wú)孔阻尼層、一排孔阻尼層及兩排孔阻尼層稱為阻尼層平整型、鏤空Ⅰ型與鏤空Ⅱ型三種不同形態(tài)的阻尼層結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)共設(shè)有13個(gè)工況，如表2、表3所示，其中全部工況基層及約束層厚度皆為200 mm。通過(guò)對(duì)比不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)和阻尼層厚度來(lái)分析各工況條件下約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能。

表2 約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)工況設(shè)計(jì)

表3 約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)工況設(shè)計(jì)

1.3 監(jiān)測(cè)方案

用型號(hào)為Inv-9314的聚能力錘進(jìn)行單點(diǎn)錘擊試驗(yàn)；采用型號(hào)為Inv-3062T的24位動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀和型號(hào)為Inv-9828的加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)振動(dòng)的加速度信號(hào)和應(yīng)變信號(hào)。

由于結(jié)構(gòu)試件質(zhì)量體積較大，同時(shí)避免地面接觸對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，澆筑前在結(jié)構(gòu)兩端放置兩塊木方作為墊層支座。按照?qǐng)D3及圖4所示方式布置采樣傳感器及連接各設(shè)備，其中測(cè)點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)下表面，激振點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)上表面。設(shè)備連接完成后，加速度采集儀的1號(hào)通道將采集力錘的信號(hào)數(shù)據(jù)，加速度采集儀的2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)通道分別采集模型底部測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的加速度傳感器的信號(hào)，同時(shí)錘擊試驗(yàn)的開(kāi)始條件設(shè)置為多次出發(fā)，次數(shù)選擇為3次，力錘錘頭材料為尼龍頭，同時(shí)敲擊時(shí)盡量保持每次的敲擊力度相近，并且避免連擊。

圖3 單點(diǎn)錘擊試驗(yàn)示意圖

圖4 測(cè)點(diǎn)及激振點(diǎn)位置示意圖

2 約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)阻尼性能分析

基于DASP-V11系列分析系統(tǒng)中的時(shí)域分析、自譜分析、倍頻程譜分析模塊，對(duì)錘擊振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得約束阻尼結(jié)構(gòu)的時(shí)域波形圖、復(fù)合損耗因子、阻尼比和振動(dòng)總級(jí)值曲線等振動(dòng)特性。同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)不同厚度及結(jié)構(gòu)形態(tài)的弧形阻尼層來(lái)對(duì)比分析不同約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的阻尼性能，研究阻尼層厚度及其結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響規(guī)律。

在對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了減少在沖擊結(jié)構(gòu)時(shí)不同沖擊力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每個(gè)工況分別進(jìn)行3次沖擊，選取相近沖擊力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。對(duì)于工況1—工況9的約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)，各工況結(jié)構(gòu)沖擊時(shí)沖擊力錘的自譜曲線如圖5所示。同由圖可知，各個(gè)工況受力錘沖擊時(shí)力錘激勵(lì)的主要輸出頻率在1 Hz～10 Hz范圍內(nèi)，與工程結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)激勵(lì)的主要影響頻率相近，符合試驗(yàn)?zāi)M考慮結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)影響的要求。

圖5 各曲梁工況結(jié)構(gòu)沖擊時(shí)力錘自譜曲線

2.1 時(shí)域分析

時(shí)域分析是最基本的信號(hào)分析方法之一，它直觀的給出了信號(hào)在最初狀態(tài)時(shí)的時(shí)域波形?？梢詫?duì)信號(hào)從時(shí)間域上進(jìn)行分析，可以分析信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律以及在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的幅值大小。

在對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，得到具有代表性的測(cè)點(diǎn)2的時(shí)域波形圖。進(jìn)行對(duì)比分析不同阻尼層厚度及其結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)加速度幅值的影響規(guī)律。結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值越小，表明減振效果越好。

2.1.1 阻尼層厚度的影響

為了能夠?qū)Ρ炔煌枘釋雍穸葘?duì)約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響，得到如圖6和圖7所示不同阻尼層厚度的約束阻尼結(jié)構(gòu)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形圖及加速度幅值對(duì)比圖。由圖6、圖7可知，工況1對(duì)照組的振動(dòng)加速度幅值為13.38 mm/s2。相比于對(duì)照組，無(wú)論平整型阻尼層還是鏤空Ⅰ型及鏤空Ⅱ型阻尼層不同厚度條件下的約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值均有所減小。同時(shí)對(duì)于三種不同阻尼層形態(tài)，均呈現(xiàn)出阻尼層厚度越大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值越小，其中60 mm厚阻尼層結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值平均下降了7.14%，為12.42 mm/s2；100 mm厚阻尼層結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值平均下降了14.08%，為11.50 mm/s2；140 mm厚阻尼層結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度幅值平均下降了24.02%，為10.17 mm/s2；綜合上述分析可知，阻尼減震層的存在能明顯降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的阻尼性能，同時(shí)由現(xiàn)有工況數(shù)量設(shè)置可知，阻尼層厚度與約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)阻尼性能成正比關(guān)系，但在實(shí)際工程中需同時(shí)考慮阻尼層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度的影響。

圖6 不同阻尼層厚度工況2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖7 不同阻尼層厚度2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度幅值對(duì)比

2.1.2 阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

為了能夠?qū)Ρ炔煌枘釋咏Y(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響，得到如圖8和圖9所示平整型、鏤空Ⅰ型和鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形圖及加速度幅值對(duì)比圖。由圖8、圖9可知，相比于工況1對(duì)照組結(jié)構(gòu)的時(shí)域分析試驗(yàn)結(jié)果，不同的阻尼層厚度條件下，均呈現(xiàn)出鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值<空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)<平整型阻尼層結(jié)構(gòu)<對(duì)照組結(jié)構(gòu)。以對(duì)照組為參照，相比于平整型阻尼層結(jié)構(gòu)，3種不同阻尼層厚度的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值平均多下降了4.76%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值為12.30 mm/s2，11.88 mm/s2和11.05 mm/s2，而平整型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值為12.55 mm/s2，12.47 mm/s2和11.05 mm/s2；同時(shí)3種不同阻尼層厚度的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值比鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)平均多下降了20.50%，其中100 mm厚和140 mm厚的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值為10.14 mm/s2和7.31 mm/s2。綜合上述分析可知，結(jié)構(gòu)的阻尼性能與阻尼層結(jié)構(gòu)的不同形態(tài)有關(guān)。并且，相同條件下，鏤空Ⅱ型約束阻尼結(jié)構(gòu)比鏤空Ⅰ型和平整型約束阻尼結(jié)構(gòu)具有更佳的阻尼性能。

2.2 自譜分析

對(duì)于一個(gè)振動(dòng)信號(hào)或其它類型的隨機(jī)信號(hào)，有時(shí)為了研究其內(nèi)在規(guī)律，需要分析隨機(jī)信號(hào)的周期性，這就需要將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，得到的頻譜中每個(gè)頻率都對(duì)應(yīng)信號(hào)的一個(gè)周期諧波分量。自譜分析就是對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。在自譜分析模塊中可以通過(guò)INV頻率阻尼計(jì)法得到結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子及阻尼比[16]。

進(jìn)行對(duì)比分析不同阻尼層厚度及其結(jié)構(gòu)形態(tài)的復(fù)合損耗因子及阻尼比，結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子及阻尼比越大，表明減振效果越好。

圖8 不同阻尼層形態(tài)結(jié)構(gòu)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖9 不同阻尼層形態(tài)結(jié)構(gòu)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度幅值對(duì)比

2.2.1 阻尼層厚度的影響

不同阻尼層厚度工況結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子及阻尼比分布如圖10所示。由圖10可知，相對(duì)于工況1對(duì)照組的結(jié)構(gòu)，設(shè)置有阻尼層結(jié)構(gòu)的工況2—工況9的復(fù)合損耗因子及阻尼比均有所增大。再次表明阻尼層的設(shè)置可以提高結(jié)構(gòu)的阻尼性能。同時(shí)不同形態(tài)的阻尼層條件下，結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子和阻尼比隨阻尼層厚度變化的影響規(guī)律具有相同趨勢(shì)。即隨著結(jié)構(gòu)阻尼層厚度的增大，三種弧形阻尼層結(jié)構(gòu)中的復(fù)合損耗因子和阻尼比均增大。其中，對(duì)于60 mm厚阻尼層結(jié)構(gòu)，復(fù)合損耗因子比對(duì)照組結(jié)構(gòu)平均增大了16.54%，而阻尼比也平均增大了16.39%；同時(shí)對(duì)于100 mm厚阻尼層結(jié)構(gòu)，復(fù)合損耗因子比對(duì)照組結(jié)構(gòu)平均增大了39.87%，而阻尼比平均增大了39.80%；最后對(duì)于140 mm厚的阻尼層結(jié)構(gòu)，復(fù)合損耗因子比對(duì)照組結(jié)構(gòu)平均增大了54.62%，阻尼比增大了51.97%。綜合上述分析可知，阻尼減震層的存在能明顯提高約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的阻尼性能，但與前文時(shí)域分析結(jié)果一致，由于現(xiàn)有工況數(shù)量設(shè)置有限，在實(shí)際工程中仍需同時(shí)考慮阻尼層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度的影響。

圖10 不同阻尼層厚度結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子及阻尼比分布

2.2.2 阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)工況結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子及阻尼比分布如圖11所示。由圖11可知，相對(duì)于工況1對(duì)照組結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)結(jié)果，不同阻尼層厚度條件下，均呈現(xiàn)出鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子和阻尼比>鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)>平整型阻尼層結(jié)構(gòu)>對(duì)照組結(jié)構(gòu)。以對(duì)照組為參照，相比于平整型阻尼層結(jié)構(gòu)，3種不同阻尼層厚度的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子分別多提高了10.00%，16.15%和23.08%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子為0.32，0.35和0.37，而平整型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子為0.29，0.31和0.31；同時(shí)，3種不同阻尼層厚度的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的阻尼比比對(duì)照組結(jié)構(gòu)分別多提高了10.06%，16.26%和30.54%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的阻尼比為15.80%，17.51%和18.44%，而平整型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子為14.49%，15.39%和14.47%；而相比于鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)，100 mm及140 mm厚阻尼層的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子分別多提高了31.92%和61.15%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子為0.43和0.53；同時(shí)，2種不同阻尼層厚度的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的阻尼比分別多提高了31.91%和61.13%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的阻尼比為21.66%和26.39%；綜合上述分析可知，與前文時(shí)域分析結(jié)果一致，結(jié)構(gòu)的阻尼性能與阻尼層結(jié)構(gòu)的不同形態(tài)有關(guān)。相同條件下，鏤空Ⅱ型約束阻尼結(jié)構(gòu)比鏤空Ⅰ型和平整型約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能更佳。

圖11 不同阻尼層形態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子及阻尼比分布

2.3 倍頻程譜分析

對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析，除了傳遞函數(shù)分析外，通常還采用倍頻程譜分析方法。常用的倍頻程分析包括1/3倍頻程譜和1/1倍頻程譜，二者分別將頻譜按1/3倍和1/1倍的關(guān)系劃分頻帶計(jì)算各頻帶內(nèi)的譜值。本實(shí)驗(yàn)選取1/3倍頻程譜進(jìn)行計(jì)算。工程中通常使用級(jí)值來(lái)表示振動(dòng)的大小[17]。振動(dòng)信號(hào)的總級(jí)值稱為振動(dòng)級(jí)，簡(jiǎn)稱振級(jí)，單位為分貝(dB)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)總級(jí)值是表征結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)弱的重要參量，也是評(píng)價(jià)阻尼結(jié)構(gòu)減振效果的重要指標(biāo)。

在倍頻程譜分析模塊中點(diǎn)選全程分析(平均計(jì)算)、線性平均、顯示總級(jí)值等選項(xiàng)得到結(jié)構(gòu)不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)總級(jí)值[17]。對(duì)每個(gè)工況結(jié)構(gòu)進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，每個(gè)結(jié)構(gòu)可以得到3個(gè)測(cè)點(diǎn)不同的振動(dòng)總級(jí)值，通過(guò)計(jì)算3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總級(jí)值的平均數(shù)為結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)總級(jí)值。振動(dòng)總級(jí)值越小，表明結(jié)構(gòu)減振效果越好。

2.3.1 阻尼層厚度的影響

不同阻尼層厚度工況結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值分布如圖12所示。由圖12可知，相對(duì)于工況1對(duì)照組的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為114.52 dB，設(shè)置有阻尼層結(jié)構(gòu)的工況2～工況9結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值均有所減小。再次驗(yàn)證了阻尼層的設(shè)置可以提高結(jié)構(gòu)的阻尼減震性能。在三種不同阻尼層形態(tài)結(jié)構(gòu)中，60 mm厚約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值比對(duì)照組平均下降了0.33%；而100 mm厚約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值比對(duì)照組平均下降了1.25%；140 mm厚約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值比對(duì)照組平均下降了2.49%；三種厚度約束阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值分別為114.14 dB、113.09 dB、11.67 dB；由上述結(jié)果可知，阻尼減震層的存在能減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)總級(jí)值，即阻尼層能明顯提高約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的阻尼減震性能，同時(shí)與前文時(shí)域分析結(jié)果一致，在現(xiàn)有工況數(shù)量設(shè)置中，不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)條件下，阻尼層厚度與約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼性能成正比關(guān)系，但在實(shí)際工程中由于阻尼層厚度的增加會(huì)減弱結(jié)構(gòu)的支撐強(qiáng)度，因此需要謹(jǐn)慎選擇阻尼層厚度。

2.3.2 阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)工況結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值分布如圖13所示。由圖13可知，相對(duì)于工況1對(duì)照組結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值，不同阻尼層厚度條件下，均呈現(xiàn)出鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值<鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)<平整型阻尼層結(jié)構(gòu)<對(duì)照組結(jié)構(gòu)。以對(duì)照組為參考，相比于平整型阻尼層結(jié)構(gòu)，三種厚度

圖12 不同阻尼層厚度結(jié)構(gòu)振動(dòng)總級(jí)值分布

的鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值分別多下降了0.13%，0.48%和0.03%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為114.07，112.98和111.92，而平整型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為114.21，113.53和111.95；而100 mm和140 mm厚的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值分別多下降了0.67%和0.72%，對(duì)應(yīng)的鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為112.76和111.13；綜合上述分析可知，與前文時(shí)域分析結(jié)果一致，不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能具有一定的影響，在相同條件下，鏤空型約束阻尼結(jié)構(gòu)比平整型約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能更佳。

3 約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)阻尼性能研究

基于DASP-V11系列分析系統(tǒng)中的時(shí)域分析、自譜分析、和倍頻程譜分析模塊，對(duì)約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)錘擊振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到結(jié)構(gòu)的時(shí)域波形、復(fù)合損耗因子、阻尼比、振動(dòng)總級(jí)值等振動(dòng)特性。通過(guò)設(shè)計(jì)不同厚度及結(jié)構(gòu)形態(tài)的直梁阻尼層，研究直梁阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)及阻尼層厚度對(duì)直梁約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼性能的影響規(guī)律。

圖13 不同阻尼層形態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)振動(dòng)總級(jí)值分布

與上述約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)工況一致，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，每個(gè)工況分別進(jìn)行3次沖擊，取相近沖擊力的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。對(duì)于工況10～工況13的直梁約束阻尼結(jié)構(gòu)，各工況結(jié)構(gòu)沖擊時(shí)沖擊力錘的自譜曲線如圖14所示。由圖14可知，各個(gè)工況受力錘沖擊時(shí)力錘激勵(lì)的主要輸出頻率同樣在1 Hz～10 Hz范圍內(nèi)，符合試驗(yàn)?zāi)M考慮結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)影響的要求。

3.1 時(shí)域分析

在對(duì)各個(gè)直梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，得到具有代表性的測(cè)點(diǎn)2的時(shí)域波形圖。進(jìn)行對(duì)比分析不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)加速度幅值的影響規(guī)律。

不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的直梁約束阻尼結(jié)構(gòu)2號(hào)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形圖及加速度幅值對(duì)比圖如圖15、圖16所示。由圖15、圖16可知，三種不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)中，鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值<鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)<平整型阻尼層結(jié)構(gòu)<對(duì)照組結(jié)構(gòu)。其中，各直梁約束阻尼結(jié)構(gòu)中對(duì)照組即工況10的振動(dòng)加速度幅值為19.94 mm/s2，平整型阻尼層直梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值為18.95 mm/s2，鏤空Ⅰ型阻尼層直梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值為14.79 mm/s2，而鏤空Ⅱ型阻尼層直梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值為13.30 mm/s2；表明在約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)中，鏤空Ⅱ型約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能也最優(yōu)。

圖14 各直梁結(jié)構(gòu)沖擊時(shí)力錘自譜曲線

同時(shí)對(duì)比分析相同阻尼層厚度條件下，不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)約束阻尼直梁與曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值的影響。由圖可知，對(duì)于平整型阻尼層，約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度幅值下降率大于約束阻尼直梁，分別為6.83%和5.00%；而鏤空Ⅰ型和鏤空Ⅱ型阻尼層中，約束阻尼直梁振動(dòng)加速度幅值下降率大約約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)，其中直梁的下降率分別為25.83%和33.33%，曲梁結(jié)構(gòu)的下降率分別為11.18%和24.22%。

圖15 不同阻尼層形態(tài)的直梁結(jié)構(gòu)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖16 不同阻尼層形態(tài)的直梁結(jié)構(gòu)2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度幅值對(duì)比

3.2 自譜分析

通過(guò)對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自譜分析后，可以得到各個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子和阻尼比分布情況。

圖17展示了不同阻尼層形態(tài)條件下約束阻尼直梁與曲梁結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子及阻尼比的情況。由圖17可知，對(duì)于約束阻尼直梁與曲梁結(jié)構(gòu)，三種不同阻尼層形態(tài)下約束阻尼結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子及阻尼比的變化趨勢(shì)相同，即鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的損耗因子和阻尼比>大于鏤空Ⅰ型>平整型且均>各自的對(duì)照組結(jié)構(gòu)。同時(shí)，每種不同阻尼層形態(tài)中約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子及阻尼比均大于相應(yīng)地約束阻尼直梁。其中，平整型的約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子和阻尼比分別為0.31和15.39%，而直梁分別為0.23和11.43%，鏤空Ⅰ型的約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子和阻尼比分別為0.35和17.51%，而直梁分別為0.26和13.01%，鏤空Ⅱ型的約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因子和阻尼比分別為0.43和21.66%，而直梁分別為0.36和17.75%，表明相比于直梁，約束阻尼結(jié)構(gòu)在曲梁結(jié)構(gòu)中具有更好的阻尼減震表現(xiàn)。

3.3 倍頻程譜分析

在倍頻程譜分析模塊中點(diǎn)選全程分析(平均計(jì)算)、線性平均、顯示總級(jí)值等選項(xiàng)得到結(jié)構(gòu)不同測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)總級(jí)值。通過(guò)對(duì)每個(gè)工況結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，每個(gè)結(jié)構(gòu)可以得到3各測(cè)點(diǎn)不同的振動(dòng)總級(jí)值，通過(guò)計(jì)算3個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)總級(jí)值的平均數(shù)為結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)總級(jí)值。

圖17 不同阻尼層形態(tài)的直梁與曲梁結(jié)構(gòu)復(fù)合損耗因子及阻尼比對(duì)比

圖18描述了不同阻尼層形態(tài)條件下約束阻尼直梁與曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值對(duì)比結(jié)果。

圖18 不同阻尼層形態(tài)的直梁與曲梁振動(dòng)總級(jí)值對(duì)比

由圖18可知，三種不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)中，鏤空Ⅱ型阻尼層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值<小于鏤空Ⅰ型阻尼層結(jié)構(gòu)<平整型阻尼層結(jié)構(gòu)<對(duì)照組結(jié)構(gòu)。其中，各直梁約束阻尼結(jié)構(gòu)中對(duì)照組即工況10的振動(dòng)總級(jí)值為117.83 dB，平整型阻尼層直梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為116.53 dB，鏤空Ⅰ型阻尼層直梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為116.48 dB，而鏤空Ⅱ型阻尼層直梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值為115.20 dB；表明在約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)中，鏤空Ⅱ型約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果最好。同時(shí)可以看出，三種不同阻尼層形態(tài)的約束阻尼曲梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)總級(jí)值均小于相應(yīng)結(jié)構(gòu)的約束阻尼直梁結(jié)構(gòu)，再次表明約束阻尼結(jié)構(gòu)在曲梁結(jié)構(gòu)中具有更好的減振性能。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)約束阻尼襯砌結(jié)構(gòu)的減震性能問(wèn)題，制作約束阻尼曲梁與直梁結(jié)構(gòu)模型開(kāi)展動(dòng)力沖擊試驗(yàn)，研究阻尼減震層結(jié)構(gòu)及其厚度、形態(tài)、曲率半徑的動(dòng)力響應(yīng)特征。通過(guò)研究動(dòng)力試驗(yàn)中的時(shí)域曲線、自譜分析及倍頻程譜分析，得到以下結(jié)論：

(1) 三種不同參量的分析中均驗(yàn)證了設(shè)有阻尼減震層能夠提升結(jié)構(gòu)的阻尼的減震性能，同時(shí)在現(xiàn)有的工況設(shè)置中結(jié)構(gòu)阻尼性能與阻尼層厚度成正比關(guān)系，但在實(shí)際工程中由于阻尼層會(huì)減弱結(jié)構(gòu)的支撐強(qiáng)度，因此需要謹(jǐn)慎選擇阻尼層厚度。

(2) 對(duì)比不同阻尼層結(jié)構(gòu)形態(tài)的約束阻尼結(jié)構(gòu)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同阻尼層厚度條件下，相比于平整型約束阻尼結(jié)構(gòu)，鏤空型約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼減震性能更佳，并且鏤空Ⅱ型的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減震性能最佳。

(3) 同時(shí)對(duì)比約束阻尼曲梁和直梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，約束阻尼結(jié)構(gòu)在曲梁結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出更佳的減震效果。在所有工況中，140 mm厚的弧形鏤空Ⅱ型約束阻尼減震結(jié)構(gòu)的阻尼減震性能最佳。

(4) 本文作為對(duì)約束阻尼襯砌減震結(jié)構(gòu)的初步探索，采用試驗(yàn)手段驗(yàn)證了約束阻尼襯砌減震結(jié)構(gòu)的減震性能。目前，基于試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值仿真模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作正在進(jìn)一步開(kāi)展。