新型复合粘弹阻尼器不同加载波下的性能研究

周娜敏 潘文 王道航 黄兆明

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南省抗震工程技术研究中心 昆明 650500；3.云南震安减震科技股份有限公司 昆明 650041)

0 引言

粘弹阻尼器主要利用粘弹性材料通过滞回耗能减小地震影响[1]，目前粘弹性阻尼器逐渐成为减震体系的主流，众多学者对其进行了力学性能分析。YAMAMOTO M等[2]、TUBALDI E[3]在不同温度、频率和应变幅值下对多个粘弹性阻尼器进行了特性试验。周云等[4]对新型高阻尼粘弹阻尼器进行了性能试验研究，研究表明其阻尼器性能良好。

新型复合粘弹阻尼器是指在传统粘弹阻尼器的橡胶中加入芳纶网，通过橡胶和芳纶网相互叠加而成。以往对粘弹阻尼器的性能研究都是在正弦波加载下进行分析的，没有在三角波加载下的力学性能分析，故本文针对新型复合粘弹阻尼器分别施加正弦波与三角波进行抗疲劳与变幅相关性试验，研究新型复合粘弹阻尼器在2种加载波下的性能差异。

1 试验材料特性

1.1 橡胶

试验所用的合成橡胶是将天然橡胶和顺丁橡胶按一定比例配比，经塑炼—混炼—压延—模压—硫化等工序制成。经拉伸测试后测得其硫化胶物理性能参数见表1。

表1 硫化胶物理性能

1.2 芳纶纤维网

试验所用的芳纶纤维网具有强度高、抗切割和抗腐蚀性高、密度小、易加工成型等特点，对芳纶纤维网进行3个方向拉伸性能测试，测试的拉伸力学性能如表2所示。

表2 芳纶纤维网的拉伸力学性能

芳纶纤维网试验所采用芳纶网的网孔为菱形，短对角边长4 mm，长对角边长5 mm，孔隙率70.4%，芳纶纤维直径为1 mm。弹性材料硫化于两块钢板之间而制成剪切型粘弹阻尼器，试件采用Q235钢板，钢板宽25 mm，长90 mm，中间复合材料平面尺寸为25 mm×25 mm，厚为6 mm，复合材料的硫化采用平板硫化机，硫化温度为150 ℃，每模硫化时间为30 min，压力为151 MPa，最后将制成的试件静置于恒温房中24 h。

2 试验概况

在合成橡胶中加入8层芳纶纤维网，相互叠加，经过硫化处理制成新型复合粘弹性阻尼器，如图1所示。

图1 新型阻尼器试样

试验采用拟动力、阻尼器性能试验系统，该装置最大加载力为1 500 kN，最大行程为500 mm，最大加载速度为1 m/s，工作频率为0～40 Hz。

因试验所用试样较小，故采取外接力传感器和位移传感器的方法对新型复合粘弹阻尼器进行性能测试，试件与力传感器相连后再与仪器连接，并在其上方设置位移传感器。对其进行抗疲劳试验与变幅相关性试验，对新型复合粘弹性阻尼器试样的加载均采用正弦波与三角波2种方式，进行抗疲劳试验时保持频率、应变变形和加载圈数不变，只改变每种试样的加载方式；变幅相关性试验时保持频率、加载圈数不变，分析应变和加载方式不同时其力学性能的变化。分别测力与位移的关系和各项力学性能指标，每次均做3个试样测试，对结果求平均值[5]，以此来探究在三角波和正弦波的加载方式下对新型复合粘弹阻尼器的疲劳性能及变幅相关性能的影响程度。试验方案详见表3。

表3 试验方案

3 试验结果与分析

对此新型复合粘弹阻尼器分别进行上述试验项目，试验的过程与分析结果如下。

3.1 不同加载下抗疲劳相关性试验

在不同加载下对新型复合粘弹阻尼器进行抗疲劳相关性试验，抗疲劳性能的所有试样均保持同一频率0.1 Hz，每种试样的应变幅值均保持为200%，通过试验可得出新型复合粘弹性阻尼器下的滞回曲线和各项力学性能指标。其中各项力学性能指标的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，u0为试件加载的最大幅值， mm；t为试件内粘弹性材料的厚度， mm；P为作用在试件上的最大荷载，N；A为试件内粘弹性材料剪切面的面积，mm2；τ'为试件加载的最大幅值所对应的荷载大小与试件内粘弹性材料剪切面面积的比值，N/mm2；△ω为试件滞回曲线加载卸载一圈包围的面积，mm2；ω为试件加载的最大幅值所对应的荷载大小与试件加载的最大幅值乘积的一半，N·mm。

抗疲劳试验中正弦波加载与三角波加载下的滞回曲线如图2所示。

(a)正弦波加载下的滞回曲线

由图2可得到，不同加载方式下的试件经过30圈的反复加载之后，试件的滞回曲线有明显的上翘趋势，随着加载圈数的增加，滞回曲线的耗能能力有所衰减，但滞回曲线始终保持饱满，其力学性能也比较稳定。不同加载方式下滞回曲线有较大差别，两种加载方式下的滞回曲线均出现反S型，这是由于新型复合粘弹阻尼器橡胶与芳纶网的粘接滑移导致的[6]，三角波加载下较正弦波加载下有更加明显的反S型，说明三角波加载下橡胶与芳纶网的粘接滑移更大。2种加载下试件的滞回曲线斜率不同，当荷载增加时两者的滞回曲线斜率都增加，正弦波加载下试件的滞回曲线斜率增大的幅度更大，其刚度大于三角波加载。同时，比较新型复合粘弹阻尼器不同圈次的滞回曲线[7]发现，滞回曲线均是后次圈数的斜率小于前次圈数的斜率，证明在不同加载方式下，试件的刚度都在退化，正弦波加载下的试件刚度退化小于三角波加载。

不同加载方式下粘弹阻尼器的力学性能指标如图3所示。

(a)最大剪应力 (b)存储剪切模量 (c)等效阻尼比图3 不同加载方式下粘弹阻尼器的力学性能指标

由图3(a)可得，在不同加载方式的抗疲劳试验中，试件在正弦波加载下的最大剪应力均远远大于三角波加载，此趋势表明正弦波加载下的试件较三角波加载下能承受更大的阻尼力，耗能能力也优于三角波加载。不同加载方式下试件的最大剪应力随着加载圈数的增加而迅速降低，反复加载30圈后，正弦波加载的最大剪应力仍远大于三角波加载。由图3(b)可看出，存储剪切模量随加载圈数变化的规律与新型复合粘弹性阻尼器最大剪应力随加载圈数变化的规律一致，两者曲线规律和走势都一致。由图3(c)可得不同加载方式下的试件等效阻尼比变化不大，正弦波下的等效阻尼比较高，耗能效果较好。

综上所述，2种加载波相比之下，正弦波加载下的新型复合粘弹阻尼器耗能能力较好，性能较优。

3.2 不同加载下变幅相关性试验

本文试验的粘弹性阻尼器是混合非线性粘弹性阻尼器[8]，即在试验过程中同时存在材料的软化和硬化现象，材料的软化是由马林斯效应引起的[8]，而材料的硬化是由捏缩现象引起的[9]。

对正弦波与三角波加载下的新型阻尼器进行变幅相关性试验，变幅相关性试验的应变幅值依次为50%、100%、150%、200%、250%、300%，每个应变幅值均加载8圈，荷载加载的大小以达到试验所需应变幅值大小为标准。每个应变幅值加载圈数完成后均需放置15 min，避免因粘弹性材料反复加载和卸载产生的生化热影响后面幅值试验的结果。每种试样均做3个试件测试，结果取3个试件第3圈的平均值。通过试验可得出在应变幅值不同时2种加载方式下新型复合粘弹性阻尼器的滞回曲线，如图4所示。

(a)正弦波加载下的滞回曲线

由图4可得：加载方式和应变幅值不同的试验条件下试件的滞回曲线也不相同，但都稳定且变化规律相同。从图4(a)可得：正弦波加载下的试件在不同应变幅值下的滞回曲线贴合较为紧密。从图4(b)可得：三角波加载下的滞回曲线均呈发散状，并有明显的上翘趋势。综上所述，2种加载方式下的滞回曲线均表现出突出的捏缩效应，随着应变幅值的增大，捏缩效应更为显著，这表明随着应变幅值的增大，材料的硬化现象越来越明显。三角波加载下的捏缩现象更为明显并伴随着逐渐增大的上翘趋势，这表明三角波加载下试件的材料硬化现象比正弦波加载下的提前了。

随着荷载的反复加载和卸载，新型复合粘弹性阻尼器前一次滞回曲线的陡峭程度均大于后一次滞回曲线的陡峭程度，即后续的加载刚度小于初次的加载刚度，这是新型复合粘弹性材料发生软化引起的，材料的软化现象主要表现为：随着应变幅值的增大，试件的力学性能反而减小，这可从不同加载方式下新型复合粘弹性阻尼器力学性能指标的变幅相关性规律图中看出。其中等效刚度计算公式如下所示[10]：

(5)

式中，Q1为试验加载过程中的最大正向剪力， N；Q2为试验加载过程中的最大负向剪力，N；X1为试验加载过程中的最大位移， mm；X2为试验加载过程中的最小位移，mm。

不同加载下粘弹性阻尼器力学性能指标的变幅相关性规律见图5。

由图5可得：除最大剪应力外，新型复合粘弹性阻尼器的其他几项力学性能指标均随着应变幅值的增大而降低。从图5(a)看出剪应力的最大值是随着粘弹性阻尼器应变幅值的增大而增大，三角波加载下新型复合粘弹性阻尼器不同应变下最大剪应力均远远大于正弦波加载，说明三角波加载下的新型复合粘弹性阻尼器很大程度地增大了粘弹性阻尼器所能承受的阻尼力，有效地提高了新型复合粘弹性阻尼器的剪应力。从新型复合粘弹性阻尼器不同应变幅值的最大剪应力图中还可以得到，三角波加载下的新型复合粘弹性阻尼器在应变幅值达到300%时，最大剪应力略有下降，而正弦波加载下的新型复合粘弹性阻尼器剪应力的最大值却一直增大，由此可知，为了充分、安全地使用新型复合粘弹性阻尼器需要选择合适的加载方式。由图5(b)和图5(d)看出， 当应变幅值在50%～100%时新型复合粘弹阻尼器的储存剪切模量和等效刚度在2种加载方式下都急剧减小，但当应变幅值较大时，正弦波加载下的储存剪切模量和等效刚度的减小程度大于其在三角波加载下。由图5(c)可得2种加载方式下新型复合粘弹性阻尼器等效阻尼比都表现为小幅度的衰减。

综上所述，三角波加载下新型复合粘弹阻尼器的最大剪应力、存储剪切模量、等效刚度均优于正弦波加载，其等效阻尼比小于正弦波加载。三角波加载下的力学性能衰减率大于正弦波加载。

(a)最大剪应力

4 结论

将三角波加载下的新型复合粘弹阻尼器与正弦波加载下的新型复合粘弹阻尼器作试验比较，所得结论如下：

(1)不同加载方式下的新型复合粘弹性阻尼器在抗疲劳试验中，三角波加载下加剧了新型复合粘弹阻尼器的滑移影响，呈现出更加明显的反S型。正弦波加载下的新型复合粘弹阻尼器较三角波加载下的新型复合粘弹阻尼器表现出较强的耗能性能。

(2)通过变幅相关性试验发现三角波加载下的新型复合粘弹性阻尼器材料硬化现象比正弦波加载下的提前了，三角波加载下新型复合粘弹阻尼器捏缩现象比正弦波加载下的明显。

(3)在变幅试验中，2种加载方式下新型复合粘弹阻尼器的力学性能均随着应变幅值的增大而逐渐衰减且三角波加载下的力学性能优于正弦波加载，但是其力学性能衰减趋势大于正弦波加载，其等效阻尼比小于正弦波加载。