黏弹性阻尼器的力学性能试验研究

陈 国 谊

(海南师范大学，海南 海口 571158)

消能减震装置按所用材料主要可分为金属阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器、智能材料阻尼器等，其中黏弹性阻尼器是一种具有独特力学性能的消能阻尼器。与金属阻尼器相比，黏弹性阻尼器不需要发生较大的相对位移，在较小的振动幅值下便可以耗散能量；另一方面，与黏滞阻尼器相比，黏弹性阻尼器能够为结构提供较大的附加刚度，在生产工艺和制造成本方面优于黏滞阻尼器和智能材料阻尼器。由于加载频率、应变幅值、温度和加载周期可能对黏弹性阻尼器的耗能效果有较大影响，国外学者就这四个外界条件对黏弹性阻尼器性能的影响已进行了大量研究[1-8]。尽管国内外学者对黏弹性阻尼器进行了大量研究，但对具有大变形能力的黏弹性阻尼器的研究相对较少。

1 试验概况

本次试验采用足尺试件，阻尼器由三块钢板和两层黏弹性材料层组成，其中黏弹性材料的尺寸为200 mm×200 mm，厚度为16 mm，如图1所示。约束钢板与高阻尼黏弹性材料在模具中一体硫化成型。加载过程中，通过加载装置使中间的钢板和两侧的钢板发生相对位移，带动黏弹性材料发生剪切变形。

试验采用的加载装置为四连杆机构，通过MTS电液压伺服加载系统施加水平推拉荷载，加载系统如图2所示。

本次试验中，高阻尼黏弹性阻尼器进行三组工况加载，分别为频率组、幅值组和疲劳组，分别研究加载频率、应变幅值及加载周期数对阻尼器力学性能的影响。试验过程中的环境温度保持在21 ℃～25 ℃下，不考虑温度变化的影响。作动器输入的正弦波为u=u0sin(ωt)，根据试验结果需要计算的力学性能指标包括最大剪应力、储能剪切模量、损耗剪切模量、第3圈耗能、损耗因子和等效黏滞阻尼比。

2 试验现象与结果分析

2.1 试验现象

阻尼器在起始加载直至加载结束的过程中，约束钢板外观无明显变化，高阻尼橡胶层与约束钢板黏结完好，高阻尼橡胶层无撕裂、破坏，也无明显残余变形，如图3所示。

2.2 加载频率的影响

高阻尼黏弹性阻尼器各力学性能指标与加载频率相关性较小，其大小在一定值附近保持稳定。高阻尼黏弹性阻尼器在两种幅值工况下，最大剪应力、储能剪切模量、损耗剪切模量和第3圈耗能在0.1 Hz～0.3 Hz的频段内随着加载频率的增大而增大，损耗因子和等效黏滞阻尼比在0.1 Hz～0.5 Hz加载频段内变化较小，表现出良好的稳定性，在剪切应变为60%的幅值下，损耗因子和等效黏滞阻尼比的最大变化率分别为4.57%和5.01%，在剪切应变为80%的幅值下，最大变化率分别为5.26%和6.09%。整体而言，高阻尼黏弹性阻尼器的各项力学性能指标受频率影响较小，变化率不超过10%。

2.3 应变幅值的影响

阻尼器的储能剪切模量和损耗剪切模量均随着剪切应变的增大而不断减小，并且在变形小于200%的剪切应变时下降幅度最大，其中储能剪切模量在起始加载至200%剪切应变的范围内下降率分别为51.37%,64.54%,53.84%，损耗剪切模量在起始加载至200%剪切应变的范围内下降率分别为70.43%,54.90%,68.22%，在200%～600%的剪切应变范围内储能剪切模量和损耗剪切模量的变化趋缓。三个阻尼器的耗能随着剪切应变的增大而不断增大，其中B和C在分别加载至600%和500%剪切应变的过程中耗能不断增加，直至二者在剪切应变分别达到650%和550%时发生破坏后，其耗能开始减小。

综上所述，该种高阻尼黏弹性阻尼器的力学性能与应变幅值相关性较明显，损耗因子和等效黏滞阻尼比较大，耗能效果良好。

2.4 疲劳性能研究

采用正弦激励法，对试验黏弹性阻尼器施加频率为f1=0.1 Hz的正弦力，输入位移u=u0sin(ωt)，连续加载30个循环。对比试验得到的第3圈数据和第30圈数据，分析循环荷载作用下黏弹性阻尼器力学性能的变化。如表1所示，主要评价指标为黏弹性阻尼器的最大阻尼力、表观剪切模量、损耗因子的变化率。

表1 阻尼器的疲劳指标

从表1可知黏弹性阻尼器在30圈循环加载后，最大阻尼力、表观剪切模量、损耗因子均有一定程度的下降，上述变化率均满足JG/T 209—2012建筑消能阻尼器中疲劳性能指标变化率不超过15%的要求。图4为阻尼器的疲劳性能曲线，阻尼器的滞回曲线饱满，未出现明显的强度退化，表现出良好的抗疲劳性能。

3 结语

本文基于某国产橡胶材料，研发了具有大变形能力的剪切型黏弹性阻尼器，使其能够安装在结构变形较大的部位进行振动反应控制。对其进行了试验研究，初步得出以下结论：

1)在0.1 Hz～0.5 Hz的加载频率范围内，黏弹性阻尼器的力学性能指标变化较小，在一定值附近保持稳定，表明其力学性能受加载频率影响较小。2)黏弹性阻尼器的力学性能指标与应变幅值相关性较明显，其损耗因子和等效黏滞阻尼比较大，滞回曲线比较饱满，具备良好的耗能性能。3)黏弹性阻尼器在30圈循环加载后，各项力学性能指标均满足JG/T 209—2012建筑消能阻尼器对疲劳性能的要求，表明其具备较强的抗疲劳性能。