增铺马赛克对约束阻尼结构阻尼性能的影响

孟凡迪，黄微波，桑英杰，吕 平，梁龙强，李 鹏 （青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

0 引言

1959年，Kriwin［1］首次提出了约束阻尼的概念，Ross等［2］对阻尼层产生耗能的机理进行了分析。随后，Ditaranto［3］和Mead等［4］分别推导出描述约束阻尼梁纵向位移和横向位移的6阶微分方程。黄微波等［5］对沙浆夹层板结构各层厚度与层间厚度比对结构的影响进行了分析，发现当约束层厚度与基层厚度的比值为1时，结构的复合损耗因子最大。吕平等［6］研究了阻尼层材料、约束层厚度和环境温度对约束阻尼结构阻尼性能的影响。李华阳［7］从约束层铺设面积和约束层厚度两方面研究了局部约束阻尼结构的减振性能。赵才友等［8］通过加设一层带槽扩展层的方式，增加阻尼层的剪切变形，从而达到降低钢轨辐射噪音的效果。燕碧娟［9］等通过在基材与阻尼层之间加设过渡层，使结构在振动时，阻尼层的变形在过渡层中进一步扩大，从而使总耗能增加。武迪等［10］研究了垫高层的开槽宽度对约束阻尼结构减振性能的影响，得出当开槽宽度在30 mm时减振效果最为理想的结论。

考虑到实际情况，一般的金属材料在使用过程中具有局限性，例如当基材为圆弧形或者为异型时，环氧类刮涂型材料在铺设的灵活性方面便要优于金属钢板，能够更好地贴附在基材表面，但是环氧类材料的刚度较小。因此，本研究利用约束层增强骨料来增加约束层的弹性模量，从而加大约束层的剪切变形，提高结构整体的阻尼性能。通过单点锤击试验，研究了在约束层中正、反铺设骨料的约束阻尼结构的阻尼性能。

1 试验部分

1.1 原材料与模型制备

增铺马赛克约束阻尼结构由基材、阻尼层、约束层和马赛克四部分构成。本研究中基材采用市售的Q235钢板，尺寸为500 mm×43 mm×3.5 mm，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为2.1×105 MPa；阻尼层采用Qtech T413，约束层采用环氧树脂，均由青岛沙木新材料有限公司提供；增铺于约束层的马赛克尺寸为：20 mm×15 mm×2 mm。

阻尼层和约束层都采用刮涂的方式施工，利用质量法控制刮涂厚度，阻尼层厚度为1 mm，将马赛克埋设于约束层中，模型示意图如图1所示，各组的式样编号见表1。制作完成后在温度25～30℃、相对湿度54 %～58 %的条件下养护7 d，方可进行测试。

图1 增铺马赛克约束阻尼结构Figure 1 Constrained damping structure with laying of mosaic

表1 结构编号以及约束层厚度Table 1 Structure number and constraint layer thickness

1.2 振动测试方案

图2 为模态振动系统示意图，试验采用悬臂梁单点锤击法，测试采用的采集仪类型为INV-3018，采用频率为51.2 kHz，变时倍数设置为8，传感器标定值为4.95 mV/（m·s2）。采样方式设为多次触发（锤击试验），触发次数为3次，单次激励采样点数为16 384，滞后点数设为32。测试时，进行锤击的力控制在（60±0.2） N，单个试样测试重复2次。

图2 模态振动系统示意图Figur 2 Schematic diagram of modal vibration system

2 试验结果与分析

2.1 DMA研究结果分析

图3 是Qtech T413阻 尼 材 料 的DMA（Dynamic Mechanical Analysis，动态力学性能分析）图。

由图3a可知，在某一固定的频率下，阻尼材料的储能模量随温度的升高，呈现出总体下降的趋势，且随着频率的增加，变化曲线向右方偏移。以阻尼材料在25 Hz频率下的储能模量变化为例，当温度在-60～20 ℃时，储能模量迅速下降，由658.70 MPa下降至29.81 MPa，此时阻尼材料处于玻璃化转变区，在此区域范围内，分子链段产生了运动，但是应变不能跟上应力的变化，产生了应力滞后现象，从而使阻尼材料具备了阻尼性能。当温度在20～80 ℃时，材料的储能模量仅从29.81 MPa下降至 0.93 MPa，下降速度缓慢，且趋于水平，此时阻尼材料处于高弹区域，变化不明显。

图3 Qtech T413阻尼材料的DMA图Figure 3 DMA figure of damping material Qtech T413

由图3b可知，在某一固定的频率下，阻尼材料的损耗因子随温度的升高，总体呈现出先上升后下降的趋势。以25 Hz频率下为例，在玻璃化转变区范围内，当温度由-50 ℃上升到0 ℃时，材料的损耗因子由0.039 7上升至0.307 8，0～20 ℃时的损耗因子由0.307 8上升至0.361 9，变化曲线基本趋于水平。在高弹区域范围内，各个频率下的损耗因子在温度达到40～70 ℃时，呈现出峰值，处于0.560 6～0.632 9之间。

2.2 传递函数分析

增铺马赛克约束阻尼结构的传递函数曲线如图4所示。

图4 增铺马赛克约束阻尼结构的传递函数曲线Figure 4 Transmission function curves of constrained damping structure with laying of mosaic

由图4可知，有无增铺马赛克约束阻尼结构的传递函数前三阶的模态主要集中在0～500 Hz的频率范围内，其中二、三阶响应幅值变化最为明显。以二、三阶为例，约束层为环氧的结构a的振动响应最大，响应幅值分别为4.98 m/ （s2·N），7.84 m/ （s2·N）；正铺马赛克约束阻尼结构b2的振动响应最小，响应幅值分别为3.86 m/ （s2·N），5.69 m/ （s2·N），分别较结构a下降了22.50 %，27.42 %；反铺马赛克约束阻尼结构b1的振动响应幅值较结构a分别下降了8.23 %，12.63 %。图4结果表明，增铺马赛克约束阻尼结构较传统结构在单位力下的振动响应更小，减振性能更优。在阻尼层厚度不变的前提下，环氧材料作为约束层时的刚度不足，不能迫使阻尼层产生较大的剪切变形，从而导致耗能较低。采用增铺马赛克的约束层，能够有效地减少这种弊端，使结构整体的弯曲力矩增大，耗能增加。与结构b1相比较，凹凸面接触阻尼层的正铺马赛克约束阻尼结构b2的振动响应幅值在二、三阶分别下降了15.54 %，16.93 %。在约束层刚度相同的情况下，正铺马赛克的凹凸面起到了垫高的作用，在单位力的作用下，加大了阻尼层的拉压变形，使结构的弯曲力矩进一步增大，耗能得到进一步提高。

图5 是在约束层中正铺两层马赛克，中间有无阻尼层的对比试验的传递函数曲线图。

图5 增铺两层马赛克约束阻尼结构的传递函数曲线Figure 5 Transmission function curves of constrained damping structure with laying two layers of mosaic

由图5可知，正铺两层马赛克的结构c1的前三阶振动响应幅值分别为1.51 m/ （s2·N）、2.87 m/ （s2·N）和4.05 m/ （s2·N），较结构b2分别下降了41.47 %，25.65 %，28.82 %；在正铺的两层马赛克中间加铺1 mm阻尼层的结构c2的前三阶振动响应幅值分别为1.38 m/ （s2·N）、2.66 m/ （s2·N）和3.69 m/ （s2·N），与结构c1相比，变化不大，仅分别下降了8.61 %、7.32 %、8.89 %。即增铺两层马赛克确实能进一步提高约束阻尼结构的阻尼性能，但在两层马赛克间加铺1 mm的阻尼层，结构的阻尼性能变化并不明显。

2.3 复合损耗因子分析

表2 为以不同方式增铺马赛克的约束阻尼结构a、b1、b2、c1、c2的前三阶模态频率及复合损耗因子。由表2可知，采用不同方式增铺马赛克的约束阻尼结构的复合损耗因子均呈现二阶＞三阶＞一阶的规律，且二阶复合损耗因子变化最为明显。以二阶复合损耗因子为例，与纯环氧约束层的约束阻尼结构a相比较，反铺马赛克的约束阻尼结构b1的复合损耗因子为0.115 4，提高了23.29 %，正铺马赛克的约束阻尼结构b2的复合损耗因子提高了29.81 %。表2结果表明，增铺马赛克约束阻尼结构较传统结构阻尼复合损耗因子更大，减振性能更优。与结构b2相比较，正铺两层马赛克的约束阻尼结构c1的复合损耗因子为0.222 3，提高了82.96 %，阻尼性能提高显著；在结构c1的基础上，在两层马赛克中间加设1 mm阻尼层的结构c2与结构c1相比，复合损耗因子仅提高了3.33 %，增加并不明显。

表2 不同方式增铺马赛克阻尼结构的模态频率及损耗因子Table 2 Modal frequency and loss factor of damping structure with different laying of mosaic

通过上述分析发现，增铺马赛克的约束阻尼结构与传统结构相比，能够提高减振性能，且采用正铺的方式减振效果最好，增加马赛克的铺设层数能够进一步提高结构的损耗因子，但在两层马赛克之间加铺阻尼层，减振效果并没有明显提高，这与传递函数曲线的分析结果相一致。

3 结语

通过对以不同方式增铺马赛克的约束阻尼结构进行振动测试，并对测试结果进行传递函数分析以及复合损耗因子分析，得出以下结论：

（1）与传统的约束阻尼结构相比较，增铺马赛克的约束阻尼结构的振动响应值较低，复合损耗因子值更大，其中，采用正铺马赛克的方式增大了阻尼层的变形，阻尼性能更好。

（2） 增铺两层马赛克的约束阻尼结构的振动响应值进一步降低，复合损耗因子明显增大，结构阻尼性能进一步提高，在两层马赛克中间增铺1 mm的阻尼层时，振动响应值与复合损耗因子的变化均不明显。

（3） 虽然增铺多层马赛克的约束阻尼结构的阻尼性能能够得到明显的提升，但结构厚度和附加质量也随之大幅度增加，因此，要根据实际需要进行增铺马赛克层数的选择。