粘弹性阻尼器耗能性的影响因素分析

封雨捷 刘 涛 孙继玮

(中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

1 概述

近年来，消能减震技术日益成熟，并有大量工程应用实例。实践证明，消能减震技术可以有效提升房屋建筑的抗震设防能力。消能减震技术的特点是不需要外部提供控制力，也不需要向结构输入能量，从而实现自动消能控制，主要形式有耗能减震与吸能减震。

结构耗能减震是通过在结构内部某些部位设置附加耗能元件，使该结构被动地消耗结构的震动能量。耗能减震装置按耗能材料可以分为粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、金属阻尼器和智能材料阻尼器。本文主要对影响粘弹性阻尼器耗能性能的因素进行分析，为提高阻尼器性能提供研究依据。

2 粘弹性阻尼器简介

粘弹性阻尼器是一种速度相关型阻尼器，以夹层方式将粘弹性阻尼材料和约束钢板组合在一起，基本构造如图1所示。粘弹性阻尼材料是一种介入粘性液体和弹性体之间的，具有储存能量和耗散的材料，它的基本特点是应变滞后于应力。阻尼器主要依靠粘弹性材料的滞回耗能特性，增加结构的阻尼，减小结构的动力反应。在震动过程中，阻尼器通过粘弹性材料的剪切变形或拉压变形耗散能量，可提供附加精刚度和附加阻尼，耗能效果较好。还可降低结构位移响应和加速度响应，提高结构舒适度，可同时用于结构的地震和风振控制。造价低廉，具有较好的综合效益和较宽的适用性。

粘弹性材料的力学特性介于粘性液体和弹性固体之间，同时具备弹簧和流体的性质，通常用储能模量G′(表示材料的刚度性能)、损耗模量G″(表示材料的阻尼性能)和损耗因子Z(表示材料的粘性程度)来描述，三种特性参数之间的关系为：

3 粘弹性阻尼器耗能影响因素

粘弹性阻尼器的种类很多，由于构造和阻尼材料都有所不同，不同类别的粘弹性阻尼器的性能差异很大，但是影响阻尼器耗能性能的因素却是一致的。许多研究者对各类粘弹性阻尼器进行了相关的性能试验研究，如表1所示，从这些试验和研究中可以发现影响粘弹性阻尼器的主要因素。

3.1 温度

表1 粘弹性阻尼器的试验研究

罗威等人[1]基于常规的粘弹性阻尼器进行实验，发现当温度由20 ℃升至70 ℃时，阻尼器耗能下降了40%。这说明随着环境温度的升高，阻尼器的耗能能力大幅度降低。此外，在控制其他参数不变时，储能模量和损耗模量均随着温度的升高而逐渐下降。由于在长期往复荷载作用下，粘弹性材料内部温度也会产生变化，他们也对此进行了试验研究，发现阻尼器的耗能特性受材料内部温度变化的影响并不显著。

朱晨飞等人[2]介绍了一种新型的粘弹性阻尼器，可补偿温度软化效应。该阻尼器将粘弹性材料与磁流变液智能材料相结合，使得阻尼器在任意环境温度下都能保证最佳温度的耗能特性。隋杰英等人[3]将分别适用于高温和低温的两种粘弹性材料串联起来，研制了一种大温差粘弹性阻尼器。通过试验发现，该阻尼器可在较大温度范围内保持较好的性能，应用于实际工程中可发挥阻尼器良好的效能效果，减轻温度的影响。

3.2 频率

周云等人[4]对粘弹性阻尼器的性能研究试验表明，粘弹性阻尼器的储能剪切模量、损耗剪切模量和损耗因子等参数都随着频率的升高而升高。Chang K C等人[5]指出，随着频率的增加，损耗因子也随之增加，但是当频率达到一定值后，耗损因子将趋于稳定，这是粘弹性材料的特性所决定的。徐赵东[6]指出，粘弹性阻尼器的屈服力不会随着加荷频率的改变而改变，但是初始刚度和屈服后刚度受频率变动的影响较大。因此，研究粘弹性材料在不同频率下的性能变化，对于了解和把握粘弹性阻尼器的减震作用是十分重要的。

3.3 应变幅值

徐赵东[6]对粘弹性阻尼器受应变幅值的影响进行了试验研究，结果表明阻尼器的储能模量、损耗模量和损耗因子均是随着应变幅值的增大而减小，其中在极小的应变下(10%)下降极快。粘弹性阻尼器随着变形的增加，粘弹性材料因内部温度升高而出现软化现象，阻尼器的耗能能力衰减。因此，应变幅值也是影响粘弹性阻尼器性能的重要因素之一。

3.4 粘弹性材料

粘弹性阻尼材料是以高分子聚合物为基础的一种工程材料，工程材料的技术要求一般包括基本要求和使用要求两个方面，基本要求有物理和化学方面的常规性能要求，每种材料有其不同的使用要求。对于粘弹性阻尼材料来说，减震性能是其主要要求，材料应具有较高的内耗和对应高内耗的较宽温度范围和频带宽度[7]。

对于粘弹性阻尼器，在分析不同阻尼材料对阻尼器性能的影响时，可比较材料以下几个方面的性能：1)动态力学性能，包括材料的损耗因子和动态模量等参数；2)耐环境性能，对阻尼器来说，主要是耐水性能；3)安全性，包括阻燃性、烟密度等；4)理化性能，如密度、硬度、拉伸性能等；5)施工工艺性，保证阻尼材料在规定的条件下顺利地粘贴在被处理的金属基体上。上述技术要求是对阻尼材料的总要求，有些技术要求是相互对立的，要获得这些技术要求都优良的阻尼材料实际也比较困难。在工程应用中，要根据实际情况的要求，合理选择合适的阻尼材料，同时优化设计合理的阻尼结构。

4 结语

除了这些影响粘弹性阻尼器自身性能的因素，要保证阻尼器发挥其最佳性能，在减震设计时还需要确定阻尼器的相关参数、数量及布置方案，可利用计算机算法对阻尼器的布置位置进行优化，并考虑实际结构、支撑布置等对阻尼器性能的影响。

要分析阻尼器的理论耗能效果，可采用有限元建模方法得到滞回曲线,分析滞回曲线形状、滞回面积。但在实际工程应用中，仍有很多问题尚待解决，如阻尼器与结构或支撑连接构造及安装、施工、维修等的研究，各种因素(温度、加载、湿度等)对已有阻尼器结构的可靠性、耐久性的综合影响等，这些都会影响阻尼器发挥其最佳耗能减震性能。