不同約束條件下混凝土阻尼性能的實驗研究

陽 橋 宋顯輝/武漢理工大學華夏學院

不同約束條件下混凝土阻尼性能的實驗研究

陽 橋 宋顯輝/武漢理工大學華夏學院

混凝土的阻尼性能對于提高結構穩定性、安全性和耐久性以及防震減災等具有重要意義。本文通過試驗模態方法，分析了不同約束條件下混凝土構件模態阻尼比和固有頻率的變化規律，研究了周圍介質發生改變時構件的動態特性。實驗結果表明，隨著約束的增強混凝土構件阻尼比是相應增大的，但是固有頻率基本保持穩定。

混凝土；阻尼比；試驗模態；約束條件

1.前 言

材料的阻尼比是衡量材料本身減振性能的主要指標, 混凝土自減振能力的大小對建筑物有十分重要的作用, 如果混凝土有良好的自減振性能, 一方面可較好地緩解偶然荷載、風載、海浪、地震等引起的危害, 另一方面可增強結構的可靠性和舒適性[1]。

阻尼大致可分為干摩擦阻尼、粘滯阻尼和結構阻尼[2],在實際工程中,阻尼往往不止一種。由于粘滯阻尼在數學上處理最為方便,工程中通常用粘滯阻尼理論或等效粘滯阻尼理論來對結構體系進行分析,用阻尼比來反映其大小[3]。建筑物阻尼性能主要來源于2個方面，即外部阻尼和內部阻尼。由于外部阻尼作用機理十分復雜、影響因素眾多，因此在結構設計中，通常忽略外部阻尼作用。大部分學者都是研究材料的內部阻尼對構件的影響，薄天航[4]研究了再生骨料不同取代率對混凝土構件阻尼性能的影響；柯國軍[2]、梁超鋒[5]研究不同配筋率對混凝土構件的阻尼性能影響；郭集中[6]研究不同骨料級配對混凝土構件的阻尼性能的影響。

然而對于周圍介質影響結構阻尼的外部因素研究不多，本文通過試驗模態分析法測定三種不同約束條件下混凝土構件的模態阻尼比和固有頻率，找出二者隨周圍介質不同的變化規律。這對于建筑的結構設計和結構減震有著很大的現實意義。

2.實驗部分

2.1 實驗原理

實驗采用試驗模態分析法，其阻尼比的計算原理也是用自由衰減振動法得到的，其計算公式為：

式中，ζ是結構阻尼比；

xn,xn+k是衰減曲線中第n個峰值和第n+k個峰值。

本次實驗的是通過模態分析法在給定一個隨機激勵后得到一個結構特有的振動曲線，這時候的曲線都是在時域中的振動曲線，再通過頻譜分析得到一個頻域里的振動曲線，最后通過自由振動衰減曲線圖（見圖1），采取光標帶內主頻自由振動阻尼計算法計算出結構阻尼比和固有頻率。

圖1 自由振動衰減曲線圖

2.2 實驗試件

試驗模態分析法測試試件采用混凝土矩形截面梁，其試樣尺寸為75mm×100mm×550mm，見圖2。

圖2 模態試驗試件尺寸示意圖

本次實驗試樣原料采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，混凝土配制強度等級為C30，水泥各項技術要求均滿足國家規范要求，其中骨料中砂子為中砂，石子為碎石，骨料顆粒級配均良好。各項技術要求都達到規范要求。試件的成型、振搗、養護均按照混凝土施工技術規范要求操作，為了得出不同約束條件對混凝土試樣的阻尼比、固有頻率的影響，本次試驗制作3組相同試件，分別用橡皮繩懸掛（無約束）、兩端簡支（弱約束）和整體放在泡沫板上（強約束）代表A1、A2、A3三種約束條件進行本次實驗（見圖3），這三種約束條件的約束程度是不斷增強的，即周圍介質的影響程度是不斷增大的。

圖3 試樣不同的約束方式a橡皮繩懸掛，b兩端簡支，c泡沫板支撐

2.3 實驗儀器設備

本次實驗的設備均采用武漢優泰電子有限公司生產的產品，硬件設備有UT3202FRS-ICP動態數據采集器、CA-YD-186壓電式加速度傳感器、LC-3A（ICP）力錘，分析軟件有優泰結構與機械模態分析系統uTekMa、優泰數據采集與分析系統uTekSs，其中試驗模態分析方法采用材料前兩階固有頻率作為材料阻尼比分析對照值，比固定頻率分析材料的阻尼比更加靈敏，也更加真實反映材料共振時的阻尼性能。

相對于郭集中[6]等人的實驗方法來說，試驗模態分析法基于線性疊加原理，把一個復雜的振動系統分解為許多模態的疊加，這樣就把個別離散曲線造成的誤差消除掉，從而更加準確地確定結構的動態參數，所以說模態分析法能從阻尼比，固有頻率、振型等方面全面分析混凝土構件在不同約束條件下的阻尼性能的規律，試驗結果更為真實可信。

2.4 實驗過程

根據三種不同約束條件支撐試樣，采用單點輸入單點輸出的測試方法。加速度傳感器安置在試樣中部下端，將傳感器和力錘連接到動態數據采集器上，實驗儀器和試樣的連接方式見圖4所示。

經測試實驗裝置和實驗軟件運行正常，用力錘敲擊各個測試點使之產生相應的振動，采集各個對應的振動響應，通過模態計算把各點的振動曲線進行擬合計算得出振動擬合曲線（見圖5 ），最后得到試樣不同階數的阻尼比和固有頻率。

圖4 實驗裝置示意圖

圖5 模態振動擬合曲線圖

3.實驗結果及分析

3.1 實驗結果

每一種約束條件分別做了2根試樣，取前兩階的模態參數進行比較，探索構件的模態阻尼比和固有頻率隨約束增強的變化規律。

表1 不同約束條件下的模態參數

圖6 不同約束條件下模態參數關系曲線

從表1所列的數據可以看出，一階模態阻尼比隨著約束的增強，呈現不斷增大的趨勢，A1與A2的阻尼比基本接近，阻尼比增加了不到4％，而A3與A2相比，其阻尼比大幅增加，增加幅度超過了40％。但約束條件對試樣的固有頻率影響不大。

表1和圖6表明混凝土試樣在不同約束條件下的二階模態參數的變化規律跟一階模態極為相似，其阻尼比是隨著約束的增強而不斷增大的，只是在A1和A2的二階阻尼比相同，但是A3的阻尼比就大幅增大，其增大幅度達到50％以上。而混凝土試樣的二階固有頻率變化不大。

3.2 結果分析

阻尼是指阻礙物體的相對運動、并把運動能量轉化為熱能或其他可以耗散能量的一種作用。除了構件內部的摩擦阻尼轉換為內能外，還有一部分引起周圍介質的振動，使振動的能量向四周輻射出去，變為波的能量。

約束條件A1起支撐作用的是柔度極好的橡皮繩，近似于沒有約束，所以試樣僅引起周圍空氣的振動，能量的消耗非常微小；約束條件A2，試樣除引起周圍空氣的振動外，還會引起兩端固定支座的振動，其消耗的能量就不可忽視的；約束條件A3，試樣整個埋在泡沫里，對應的能量損耗要比前兩種約束大得多。

固有頻率是構件的固有屬性，主要決取于件構的組成形式、剛度、質量分布和材料性質等，約束條件對固有頻率的影響遠沒有對阻尼比的影響大。因此，在約束條件A1、A2、A3下，試樣的固有頻率基本保持穩定。

4.結論

用試驗模態分析法，在自由衰減振動的狀態下，精確測得不同約束條件下的混凝土構件的各階的固有頻率和阻尼比。得出如下結論：

⑴ 通過試驗模態分析得出隨著約束的逐漸增強，構件的阻尼比也在逐漸增大。并且可以看出結構與周圍環境的聯系方式對結構的阻尼性能有明顯的影響，這對我們實踐中的結構抗震設計有重要意義。

⑵ 結構約束程度的增強對結構本身的固有頻率影響不大，總體上保持穩定。同時可以看出對結構支撐方式的不同，有可能改變結構的固有頻率。

[1] 柯國軍, 陳俊杰, 石建軍混凝土阻尼試驗研究及其機理分析[J].噪聲與振動控制.2005,（5）：60-63.

[2] 柯國軍,郭長青,胡紹全.混凝土阻尼比研究[J].建筑材料學報.2004,7(1):35-40.

[3] 石建軍,胡紹全,柯國軍.鋼筋混凝土材料阻尼值得實驗研究[J].四川建筑科學研究.2003，29(3):14-15.

[4] 薄天航,劉鐵軍.再生混凝土骨料阻尼性能的研究[D]. 哈爾濱工業大學.2012,12.

[5] 梁超鋒,劉鐵軍,鄒篤建.配筋對鋼筋混凝土阻尼性能的影響[J].建筑材料學報.2011,14(6):839-843.

[6] 郭集中,白英. 碎石混凝土骨料分形級配阻尼比的實驗研究[J].內蒙古農業大學學報.2012,33(5-6):321-324.

Concrete damping function in improving the structure stability, safety and durability, and mitigation of earthquake disasters, etc. It is of great significance. In this article, through concrete members under the conditions of different constraint condition damping ratio and natural frequency of the experimental research, find out in the outside support under the condition of the dynamic characteristics of components. The experimental results show that with the increase of restraining force concrete member is damping ratio increases accordingly, but the basic natural frequency stability.

concrete；damping ratio；experimental modal；constraint condition