許俊紅 李愛群

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

短軸向剪切加載模式下超大型黏彈阻尼墻力學(xué)性能試驗

許俊紅 李愛群

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

為了提高黏彈性阻尼裝置溫度相關(guān)性的準確度、最大阻尼力和力學(xué)性能,首先開展了黏彈性材料的溫度掃描試驗,然后設(shè)計了一種新式阻尼裝置試驗方法,即短軸向剪切加載模式方法,采用該試驗方法對新型“5+4”式超大型黏彈性阻尼墻構(gòu)件進行了力學(xué)性能試驗.試驗給出了黏彈性材料的tanδ-T,G′-T,G″-T曲線、黏彈性阻尼墻構(gòu)件力-位移滯回曲線以及力學(xué)性能參數(shù)(最大阻尼力、損耗因子、等效阻尼系數(shù)、存儲剛度、損耗剛度、剪切損耗模量、剪切儲能模量等)的頻率相關(guān)性和位移幅值相關(guān)性等.結(jié)果表明:黏彈性阻尼墻損耗因子峰值(0.77)與由黏彈性材料溫度掃描試驗得出的損耗因子峰值(0.79)只有微小差別,說明所設(shè)計的“5+4”黏彈性阻尼墻構(gòu)件在短軸向剪切加載模式下可以很好發(fā)揮黏彈性阻尼材料的阻尼性能.

溫度掃描;短軸向剪切加載;“5+4”黏彈性阻尼墻;最大阻尼力;損耗因子

1969年,為減小紐約世界貿(mào)易中心大樓(110層)在風振作用下的側(cè)位移,在支撐樓板的桁架梁的下翼緣處,從第10層至110層共計10 000個黏彈性阻尼器被安裝在雙子塔兩側(cè)[1].1994年,經(jīng)由美國科羅拉多州立大學(xué)1/120縮尺模型風洞試驗后[2],中國臺北捷運系統(tǒng)Chien-Tan火車站懸吊屋頂采用8個黏彈性阻尼器以降低風振影響.隨后黏彈性阻尼器應(yīng)用于以減小地震反應(yīng)為目標的工程領(lǐng)域,美國圣克拉拉市的一棟13層鋼框架結(jié)構(gòu)開始采用黏彈性阻尼器控制地震響應(yīng)[3].黏彈性阻尼器不僅在新建結(jié)構(gòu)中,而且對已有結(jié)構(gòu)的抗震(振)加固也能有很好的功能.在土木工程領(lǐng)域，黏彈性阻尼裝置被公認為是抗風抗振方面最為有效的振動控制裝置之一[4].

近年來,有關(guān)研究表明,黏彈性阻尼裝置能提供給建筑結(jié)構(gòu)相應(yīng)的阻尼比,從而有效降低結(jié)構(gòu)的層間剪力、層間位移和樓層加速度[5-9].因此涌現(xiàn)了大量的關(guān)于黏彈性阻尼裝置的研究成果和實踐工程,產(chǎn)生了不同構(gòu)造形式的黏彈性阻尼裝置,但目前在黏彈性阻尼裝置的研究中尚存在以下問題:① 對黏彈性阻尼裝置所用的耗能材料尚缺乏相關(guān)的試驗研究分析,對黏彈性材料的溫度相關(guān)性缺少試驗支撐數(shù)據(jù).通常情況下,黏彈性阻尼裝置的溫度相關(guān)性采取設(shè)置保溫箱的形式.② 常用的方柱形黏彈性阻尼器以支撐的形式應(yīng)用于建筑層間,其應(yīng)用范圍受到了較大的限制,而黏彈性阻尼墻可較好地適應(yīng)建筑的需要,但國內(nèi)外有關(guān)黏彈性阻尼墻的研究尤其是試驗研究開展得很少,這在很大程度上限制了其實際工程應(yīng)用.③ 黏彈性阻尼裝置的試驗加載模式普遍采用平行于長軸向施加循環(huán)荷載,為了更符合構(gòu)件在實際受荷狀況下的模型,本文設(shè)計了一種新式加載方法,即短軸向剪切加載.④ 傳統(tǒng)的黏彈性阻尼構(gòu)件力學(xué)性能分析一般集中在模量和損耗因子兩方面,而對于黏彈性阻尼裝置的其他力學(xué)性能如存儲剛度、損耗剛度和等效阻尼系數(shù)等尚缺乏應(yīng)有的研究.

為此,本文針對黏彈性阻尼墻開展了黏彈性阻尼裝置所用阻尼材料的動態(tài)力學(xué)試驗;設(shè)計了一種“5+4”式(即5層鋼板夾4層黏彈性材料)的超大型阻尼墻足尺模型,并對其開展了一系列相關(guān)試驗研究.

1 黏彈阻尼材料溫度掃描試驗

為了提高黏彈性阻尼裝置溫度相關(guān)性的準確度,本文首先對構(gòu)件所用的黏彈性阻尼材料進行了溫度掃描試驗.試驗儀器采用日本UBM公司的Rheogel-E4000DMA測試儀,得到了該材料在0.5,1.5,2.5 Hz三種頻率、0～40 ℃溫域內(nèi)的基本力學(xué)性能曲線,即G′-T,G″-T和tanδ-T曲線,如圖1所示.圖中，G′，G″分別為剪切儲存模量和剪切損耗模量.由圖可知,該阻尼材料性能穩(wěn)定,在3種頻率工況下,都于常溫20 ℃左右到達玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū).而且從曲線上可明確看出材料阻尼性能隨溫度的變化趨勢,損耗因子的峰值為0.79.因此,本次黏彈性阻尼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗可只考慮位移幅值和頻率2種因素.

(a) 0.5 Hz時黏彈性阻尼材料的模量值和損耗因子

(b) 1.5 Hz時黏彈性阻尼材料的模量值和損耗因子

(c) 2.5 Hz時黏彈性阻尼材料的模量值和損耗因子

2 黏彈性阻尼墻試驗

2.1 黏彈性阻尼墻構(gòu)件規(guī)格

本次試驗的“5+4”新型黏彈性阻尼墻(VDW)是由東南大學(xué)抗震設(shè)計研究中心和常州蘭錦橡塑有限公司合作開發(fā)研制,為足尺構(gòu)件,其構(gòu)造及尺寸如圖2(a)所示,其中4層黏彈性材料層每層厚度為10 mm,中間鋼板為20 mm,兩側(cè)4塊約束鋼板為12 mm.VDW截面有效尺寸為500 mm×500 mm,黏彈性材料層覆占面積為10 000 mm2,中間鋼板及外側(cè)鋼板上下各延出200 mm,總尺寸為900 mm×500 mm.

2.2 短軸向剪切加載裝置設(shè)計

由上述構(gòu)件尺寸及規(guī)格設(shè)計的加載裝置,3D示意圖如圖2(b)所示.整個系統(tǒng)由底部固定支架和上端施載夾具構(gòu)成,中間部分為黏彈性阻尼墻構(gòu)件.已安裝到位的試驗裝置立面、平面圖如圖2(c)和(d)所示.

(a) VDW尺寸圖(單位：mm)

(b) 加載裝置3D圖

(c) 試驗裝置立面

(d) 試驗裝置平面

2.3 試驗工況及構(gòu)件阻尼性能評價方法

按照《建筑消能阻尼器》[10]行業(yè)標準中規(guī)定,加載5個循環(huán),并取第3個滯回圈作為試驗標準曲線.試驗在室溫條件下進行,并考慮頻率相關(guān)性和位移幅值相關(guān)性,試驗工況選用了0.5,1.0,1.5,2.0 Hz四種頻率和22.5,30.0,37.5,45.0,60.0 mm五種位移幅值.

2.4 力-位移滯回曲線

試驗在室溫(現(xiàn)場測量溫度為21.2 ℃)條件下進行.圖3為黏彈性阻尼墻分別在頻率為0.5,1.0,1.5,2.0 Hz和位移幅值為22.5,30.0,37.5,45.0, 60.0 mm時的力-位移(F-u)滯回曲線.由圖可知,滯回環(huán)并非光滑的橢圓,而是出現(xiàn)了棱角,說明組成該阻尼墻的黏彈性材料分子之間及分子-填充料之間的摩擦阻尼單元以黏滯性為主體.

3 力學(xué)性能指標分析

由試驗得出的滯回曲線組計算得出黏彈性阻尼墻的一系列力學(xué)性能指標.

3.1 最大阻尼力

最大阻尼力Fmax為當黏彈性阻尼墻構(gòu)件達到某一位移幅值時構(gòu)件所能承受的最大荷載.由圖4(a)可知,當頻率為0.5 Hz、位移幅值為60.0 mm時,構(gòu)件出現(xiàn)的最大阻尼力為241.5 kN.四種頻率下最大阻尼力的增長斜率基本保持一致,當頻率低于1.0 Hz時,最大阻尼力呈單調(diào)增長模式；當頻率為1.5和2.0 Hz時,最大阻尼力在位移幅值達到45.0 mm前單調(diào)遞增，大于45.0 mm后，則單調(diào)遞減，呈拋物線型變化.對于最大阻尼力與頻率相關(guān)性來說,除位移幅值為60.0 mm外,整個頻率段的最大阻尼力保持不變.

(a) 0.5 Hz

(b) 1.0 Hz

(c) 1.5 Hz

(d) 2.0 Hz

(a) 最大阻尼力的位移相關(guān)性分析圖

(b) 最大阻尼力的頻率相關(guān)性分析圖

3.2 存儲剛度

3.3 損耗剛度

損耗剛度K″d定義為構(gòu)件的最大黏滯力(零位移時的荷載)與最大位移的比值.它反應(yīng)了黏彈性阻尼墻構(gòu)件在能量損耗方面的能力.從圖6(a)可知,在每種頻率下,構(gòu)件損耗剛度皆隨位移幅值的增大呈單調(diào)遞減變化,遞減率幾乎保持一致.而對于損耗剛度的頻率相關(guān)性分析來看,除最大位移幅值60.0 mm外,其他位移幅值與頻率幾乎零相關(guān).

3.4 等效阻尼系數(shù)

(a) 存儲剛度的位移相關(guān)性分析圖

(b) 存儲剛度的頻率相關(guān)性分析圖

(a) 損耗剛度的位移相關(guān)性分析圖

(b) 損耗剛度的頻率相關(guān)性分析圖

等效阻尼系數(shù)Cd即等效黏滯系數(shù),定義為損耗剛度與加載頻率的比值.由此定義可知,等效阻尼系數(shù)在某種程度上與損耗剛度保持一定的關(guān)聯(lián),如圖7(a)所示,在位移相關(guān)性上,在每種頻率下,構(gòu)件等效阻尼系數(shù)皆隨位移幅值的增大呈單調(diào)遞減變化,當頻率為0.5 Hz時等效阻尼系數(shù)遠大于其他頻率的等效阻尼系數(shù).但等效阻尼系數(shù)在頻率相關(guān)性上則與損耗剛度不同,在每種位移幅值工況下,等效阻尼系數(shù)隨著頻率的減小也在逐漸減小,其中在頻率為0.5 Hz、位移幅值為22.5 mm時等效阻尼系數(shù)達到最大(1.52 kN·s/mm).

(a) 等效阻尼系數(shù)的位移相關(guān)性分析圖

(b) 等效阻尼系數(shù)的頻率相關(guān)性分析圖

3.5 剪切儲存模量

剪切儲存模量G′定義為存儲剛度和黏彈性材料層厚度的乘積再與黏彈性材料受剪面積的比值.從該定義可知,剪切儲存模量的位移相關(guān)性和頻率相關(guān)性與存儲剛度保持高度一致.由圖8(a)可知,每種頻率工況下構(gòu)件的剪切儲存模量隨位移幅值呈拋物線型變化,4種頻率下皆當位移幅值為45.0 mm時剪切儲存模量達到最大,最大值隨著頻率的增大而減小,當頻率最小(0.5 Hz)時剪切儲存模量達到最大(3.54 MPa),當頻率最大(2.0 Hz)時剪切儲存模量達到最小(2.7 MPa).由圖8(b)的整個趨勢來看,除位移幅值為30.0和37.5 mm兩種情況出現(xiàn)偏差外,其他位移幅值工況下構(gòu)件的剪切儲存模量則隨頻率呈單調(diào)遞減變化.

3.6 剪切損耗模量

剪切損耗模量G″定義為損耗剛度和黏彈性材料層厚度的乘積再與黏彈性材料受剪面積的比值.從該定義可知,剪切儲存模量的位移相關(guān)性和頻率相關(guān)性與損耗剛度保持高度一致.由圖9(a)可知,在每種頻率下,構(gòu)件剪切損耗模量皆隨位移幅值的增大呈單調(diào)遞減變化,遞減率幾乎保持一致.而從剪切損耗模量的頻率相關(guān)性分析來看,除最大位移幅值60.0 mm外,其他位移幅值與頻率幾乎零相關(guān).

(a) 剪切儲存模量的位移相關(guān)性分析圖

(b) 剪切儲存模量的頻率相關(guān)性分析圖

(a) 剪切損耗模量的位移相關(guān)性分析圖

(b) 剪切損耗模量的頻率相關(guān)性分析圖

3.7 損耗因子

損耗因子η即損失系數(shù),定義為損失剛度與存儲剛度之比,即最大黏滯力(零位移時的荷載)與最大彈性力(最大位移時的荷載)的比值.由圖10(a)可知,損耗因子在4種頻率工況下,其值皆隨著位移幅值的增大而減小,當頻率為2.0 Hz、位移幅值為22.5 mm情況下，損耗因子出現(xiàn)峰值(0.77),處于一個比較高的狀態(tài).

(a) 損耗因子的位移相關(guān)性分析圖

(b) 損耗因子的頻率相關(guān)性分析圖

4 結(jié)論

1) 通過直接對黏彈性阻尼材料進行溫度掃描試驗,可間接得出黏彈性阻尼墻構(gòu)件隨溫度的變化規(guī)律,更精確和直觀.

2) 等效阻尼系數(shù)與頻率呈遞減關(guān)系,最大阻尼力、損耗剛度、損耗因子和剪切損耗模量與頻率則呈現(xiàn)零相關(guān),存儲剛度、剪切儲存模量則在位移幅值為30.0和37.5 mm時,隨著頻率的升高先減后增.

3) 存儲剛度和剪切儲存模量與位移幅值呈拋物線型變化,當位移幅值達到45.0 mm、頻率為0.5 Hz時存儲剛度和剪切儲存模量達到峰值,分別為3.54 kN/mm和2.7 MPa;損耗剛度、損耗因子和剪切損耗模量則與位移呈單調(diào)遞減變化;當頻率為0.5和1.0 Hz時,最大阻尼力呈單調(diào)增加;當頻率升高至1.5和2.0 Hz時最大阻尼先增后減,最大阻尼力皆在位移幅值達到45.0 mm時達到峰值,分別為173.5 kN和175.7 kN.

4) 當頻率為2.0 Hz、位移幅值為22.5 mm情況下,損耗因子出現(xiàn)峰值0.77,這與黏彈性材料溫度掃描試驗得出的損耗因子的峰值0.79只有微小差別,說明本文設(shè)計的“5+4”式黏彈性阻尼墻在短軸向剪切加載模式下可以很好地發(fā)揮黏彈性阻尼材料的阻尼性能,為黏彈性阻尼墻在實際工程中應(yīng)用奠定了必要的基礎(chǔ).

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Experiments of mechanical properties of super large viscoelastic damping wall under shear loading along transverse direction

Xu Junhong Li Aiqun

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the accuracy of temperature dependence of viscoelastic damping device, the temperature scan experiments of viscoelastic material were conducted. Then, the system of shear loading along the transverse direction was put forward and the experiments of mechanical properties of “5+4” super large viscoelastic damping wall (VDW) were developed using this system. The curves of tanδ-T,G′-TandG″-Tof the viscoelastic material and the force displacement hysteretic curves were obtained through experiments. In addition, dynamical performance, such as the maximum damping force, loss factor, equivalent damping coefficient, storage stiffness, loss stiffness,loss modulus, storage modulus of VDW, were obtained. Results show that the loss factor (0.79) of viscoelastic material only slightly differ from the loss factor (0.77) of VDW, which proves that the “5+4” super large VDW has excellent damping properties under the system of shear loading along the transverse direction.

temperature scan; shear loading along the transverse direction; “5+4” viscoelastic damping wall; maximum damping force; loss factor

2014-09-08. 作者簡介: 許俊紅(1984—)，女，博士生；李愛群(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，aiqunli@seu.edu.cn.

“十一五”國家科技支撐計劃資助項目(2006BAJ03A04)、國家自然科學(xué)基金資助項目(51278104)、中建股份科技資助項目(CSCEC-2010-Z-01).

許俊紅,李愛群.短軸向剪切加載模式下超大型黏彈阻尼墻力學(xué)性能試驗[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,45(1):133-138.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.024

TU317.2

A

1001-0505(2015)01-0133-06