新型黏彈性阻尼器溫度相關(guān)性試驗研究

夏雨 潘文 周嫻 王道航 蘇何先

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南省抗震工程技術(shù)研究中心 昆明 650500)

0 引言

黏彈性阻尼器是一種典型的被動減振控制裝置[1]。它有著構(gòu)造簡單、制作方便、經(jīng)濟實用等特點，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。但其耗能部件黏彈性材料受環(huán)境溫度影響顯著，從而使其適用溫度范圍受到了限制。

國內(nèi)外研究人員針對黏彈性阻尼器的溫度相關(guān)性做了很多的研究工作。 龔順明等[2]在一座8層框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)了黏彈性阻尼器，對其力學(xué)性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度升高，黏彈性阻尼器提供的附加剛度和附加阻尼比呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)的下降趨勢。為了改善溫度對它的影響，日本HAGIWARA N等[3]在黏彈性阻尼器中增加了溫控裝置，通過智能溫控器的調(diào)節(jié)使阻尼器溫度保持在20 ℃左右。隋杰英等[4]對由分別適用于高、低溫區(qū)間的2種黏彈材料串聯(lián)而成的黏彈性阻尼器進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)該黏彈性阻尼器可在較大溫度范圍內(nèi)保持性能的穩(wěn)定，但難以進一步優(yōu)化2種材料比例。朱晨飛等[5]則在黏彈性阻尼器上加設(shè)了磁流變裝置，通過增大外加磁場使磁流變液產(chǎn)生流變效應(yīng)補償黏彈性阻尼器的性能衰減，然而磁流變裝置需要進行額外通電，在地震等極端自然災(zāi)害情況下容易失效并發(fā)生危險。

本文根據(jù)復(fù)合材料的特點，在聚丙烯橡膠中加入4層芳綸網(wǎng)眼織物，利用芳綸纖維的耐高溫、高模量和阻熱性強等特點，研制出了一種兼具高性能和寬工作溫度區(qū)間的新型黏彈性阻尼器。通過在不同環(huán)境溫度下的加載試驗，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能和耗能能力相比原始阻尼器均有較大的提升。在不同環(huán)境溫度下對2類阻尼器滯回曲線進行分析發(fā)現(xiàn)，其滯回曲線具有相似性，可通過相似性系數(shù)進行不同環(huán)境溫度下滯回曲線的相互轉(zhuǎn)換。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗采用原始黏彈性阻尼器和新型黏彈性阻尼器進行溫度相關(guān)性的對比測試。二者關(guān)鍵受力構(gòu)件均由聚丙烯橡膠制成，前者相較后者疊層添加了4層芳綸纖維網(wǎng)。聚丙烯橡膠是在天然橡膠基礎(chǔ)上加入配合劑，經(jīng)塑煉—混煉—壓延—模壓—硫化等工序制成。試驗中的橡膠物理性能參數(shù)見表1。芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，具有模量高、阻尼高、熱阻性強等特點。其分子之間存在較強的氫鍵，具有穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)和較好的耐熱性能，可耐220 ℃的高溫，在400 ℃下才會熔融。將芳綸網(wǎng)眼織物加入橡膠中可以有效增強其抗撕裂性能和耐磨性，因此加入該材料能有效提高黏彈阻尼器性能并降低溫度對它的影響。

表1 橡膠物理性能參數(shù)

試驗開始前需對芳綸纖維材料進行預(yù)處理，預(yù)處理主要包括清洗、烘干、噴膠3個步驟。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《硫化橡膠與金屬粘接拉伸剪切強度測定方法》(GB/T 13936—2014)，試件采用Q235鋼板，寬25 mm，長100 mm，中間的聚丙烯橡膠和芳綸纖維平面尺寸為25 mm×25 mm，厚度為6 mm。將芳綸纖維分4層粘結(jié)在橡膠之中制成新型黏彈材料。復(fù)合材料的硫化溫度為150 ℃，每模硫化30 min，壓強為151 MPa，最后將制成的試件靜置于溫度為(23±2)℃，相對濕度為(64.5±2)%的恒溫房中24 h[6]。本試驗的阻尼器試件如圖1所示，試件豎向鋪設(shè)圖如圖2所示，試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸如圖3所示。

圖1 黏彈性阻尼器試件

圖2 阻尼器試件豎向鋪設(shè)

圖3 阻尼器試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸(單位：mm)

1.2 試驗方案

本試驗在-20 ℃至40 ℃加載溫度下將新老阻尼器進行對比。試驗采用可程式恒溫恒濕試驗機，試件加載圖見圖4。試驗采用正弦波加載，所有溫度的加載均在同個試件上完成，應(yīng)變加載幅值均為100%，荷載大小以達到試驗所需應(yīng)變大小為標(biāo)準(zhǔn)。2種阻尼器均做3個試件檢測，試驗數(shù)據(jù)取其第3圈平均值。試驗加載方案如下表2。

圖4 試件加載

表2 試驗加載方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滯回曲線圖

圖5為試件滯回曲線，通過圖5可以看出阻尼器在各溫度下滯回曲線形狀飽滿、光滑，但0 ℃上下的滯回曲線重合率較低，這是由于黏彈性材料處于低溫區(qū)時，整個加載階段有大部分處于彈性范圍內(nèi)[7]。從圖5中還可以看出新型阻尼器的滯回曲線相比于原始阻尼器有明顯上翹的趨勢，這是由于材料硬化提前導(dǎo)致[8]。

(a)原始試件

(b)新型試件

2.2 試驗分析

通過下列公式可以計算出2種阻尼器的滯回曲線面積、最大剪應(yīng)力、存儲剪切模量和損失剪切模量[9]。

耗能能力(滯回曲線面積)：

(1)

最大剪應(yīng)力：

(2)

存儲剪切模量：

(3)

損失剪切模量：

(4)

式中，u0為試件加載的最大幅值，mm；t為試件內(nèi)部黏彈性材料的厚度，mm；P為作用在試件上的最大荷載， N；As為試件內(nèi)部黏彈性材料剪切面的面積， mm2；γ為試件加載最大幅值與試件內(nèi)黏彈性材料剪切面的面積的比值；τ′為試件加載最大幅值所對應(yīng)的荷載大小與試件內(nèi)黏彈性材料剪切面的面積的比值，N/mm2；τ″為試件加載零位移所對應(yīng)的荷載大小與試件內(nèi)黏彈性材料剪切面的面積的比值，N/mm2。

2種阻尼器在不同溫度下的性能參數(shù)對比圖見圖6。

(a)滯回曲線面積

(b)最大剪應(yīng)力

(c)存儲剪切模量

(d)損失剪切模量

由圖6可以看出，隨著試驗溫度的增加，2種黏彈性阻尼器的性能均大幅衰減。從-20 ℃到40 ℃，原始阻尼器和新型阻尼器各性能分別衰減了50%與46%。因此在工程應(yīng)用中必須考慮不同地區(qū)的溫度變化情況。新型阻尼器各性能在同等工況下均優(yōu)于原始阻尼器，其滯回曲線面積和損失剪切模量優(yōu)于原始阻尼器10%左右，而最大剪應(yīng)力和存儲剪切模量提高了25%以上。即使在40 ℃環(huán)境下，新型阻尼器各項性能參數(shù)仍接近原始阻尼器20 ℃最佳溫度性能，極大的擴充了黏彈性阻尼器正常工作的溫度范圍。因此加入芳綸纖維能顯著提高黏彈性阻尼器的力學(xué)性能和耗能能力，擴大其適宜工作范圍。

2.3 溫度相似性關(guān)系

由上文可知，2種黏彈性阻尼器的各性能參數(shù)隨著溫度上升呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)趨勢。普通黏彈性阻尼器在不同溫度下具有相似性關(guān)系。為了驗證本次試驗的阻尼器是否也具有溫度相似性，通過對不同工況下2種阻尼器最大阻尼力的擬合，原始阻尼器和新型阻尼器的最大阻尼力隨溫度變化的表達式分別為式(5)、式(6)，擬合曲線見圖7。

F0=0.554 2+0.0.220 9e(-T/20.849 98)

(5)

(6)

以20 ℃作為基準(zhǔn)溫度，將所有溫度下的擬合最大阻尼力與其擬合值相除得到修正系數(shù)，再將其滯回曲線下的阻尼力除以該修正系數(shù)，即可得到所有溫度根據(jù)相似性原則轉(zhuǎn)換為20 ℃時的滯回曲線。根據(jù)式(1)—式(6)，將轉(zhuǎn)化后的滯回曲線得出的4項力學(xué)指標(biāo)與試驗值進行對比，具體數(shù)值與誤差見表3和表4。

(a)原始阻尼器

(b)新型阻尼器

表3 原始阻尼器各性能參數(shù)

表4 新型阻尼器各性能參數(shù)

由表3和表4中數(shù)據(jù)計算可得，2種阻尼器的性能參數(shù)與擬合值誤差均在15%以內(nèi)，根據(jù) 《建筑消能阻尼器》(JG/T 209—2007)以及《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013),2種阻尼器在不同溫度下均具有相似性關(guān)系。由于阻尼器的尺寸效應(yīng)，表3和表4中的擬合值大多小于試驗值，在實際應(yīng)用中可微調(diào)存儲剪切模量和損失剪切模量的比值來平衡其影響[10]。由于新型阻尼器硬化提前導(dǎo)致的滯回曲線翹曲，其各性能參數(shù)在-20 ℃和40 ℃時相比原始阻尼器誤差較大。

3 結(jié)論

將新型復(fù)合黏彈性阻尼器與只含聚丙烯橡膠的黏彈性阻尼器進行溫度相關(guān)性的試驗研究，得出如下結(jié)論：

(1)加入芳綸材料能明顯提高黏彈性阻尼器的各項性能，同工況下新型阻尼器相比聚丙烯阻尼器的耗能能力和損失剪切模量提高了10%，而最大剪應(yīng)力和存儲剪切模量提高了近25%。這使得新型黏彈阻尼器在40 ℃環(huán)境下性能優(yōu)于原始阻尼器20 ℃時，極大地拓寬了黏彈阻尼器的適宜工作范圍。

(2)2種黏彈性阻尼器具有明顯的溫度相關(guān)性，隨著溫度下降，損失系數(shù)較為穩(wěn)定，其他性能參數(shù)均呈負(fù)指數(shù)趨勢。2種黏彈阻尼器在不同溫度下均具有相似關(guān)系，可以通過阻尼力的縮放來實現(xiàn)滯回曲線的轉(zhuǎn)換。