粘弹性阻尼器温频影响效应的计算模型及结构分析

　　0 引 言

　　结构振动控制是一种新兴的抗震方式,利用粘弹性阻尼器进行结构减震就是一种有效的被动控制方法。由于它具有构造简单、施工方便、造价低廉、性能良好等许多优点,越来越多地被用于建筑结构的抗风抗震工程中,如美国纽约的世界贸易中心大厦和西雅图的哥伦比亚中心大厦[1]。大量的研究[2-5]和实际应用证明:粘弹性阻尼器具有很好的耗能特性,能有效地减小建筑结构的风振和地震反应。

　　粘弹性阻尼器的耗能性能受温度和频率的影响较为显著,然而,目前对于粘弹性阻尼器,缺乏一体现温度及频率影响且计算较为简便的力学模型。为此,本文根据粘弹性阻尼器的力学性能提出了一种能够体现温度和频率影响的新型计算模型--等效标准固体模型,并通过对无锡中策减震器公司生产的9050A阻尼材料及对加有粘弹性阻尼器的建筑结构进行实例分析,得出有关结论。

　　1 粘弹性阻尼器的力学性能

　　粘弹性阻尼器是由粘弹性材料和约束钢板所组成。典型的粘弹性阻尼如图1所示,它是由三块钢板夹两层粘弹性层所组成。常用的粘弹性材料为高分子聚合物,这种材料既具有粘性又具有弹性,在受到交变应力作用产生变形时,一部分能量象位能那样储存起来,另一部分能量则被转化成热能耗散掉,在材料学中常用储能模量G1来衡量其储能特性,用损耗模量G2来衡量其耗能特性,并引入一损耗因子η(η=G2/G1)。粘弹性材料的剪切模量和损耗因子受环境温度和频率的影响尤为显著,其影响规律为:G1随温度的升高而降低,随频率的升高而升高;η随温度的变化有一最大值,随频率的变化也有一最大值。这就说明:对于用特定的粘弹性材料制成的粘弹性阻尼器,其耗能性能受到温度和频率的影响,而且对于该阻尼器存在一最优使用温度和最优使用频率。

　　如果确定了粘弹性材料的参数G1、G2和η,就可按下式求解粘弹性阻尼器的实刚度Kd1和虚刚度Kd2。

式中,As和h分别为粘弹性阻尼器的剪切面积和粘弹性层厚度。

　　目前,描述粘弹性阻尼器力学性能的计算模型主要有:Maxwell模型、Kelvin模型、标准线性固体模型、四参数模型和有限元模型。

　　Maxwell模型认为粘弹性阻尼器可以等效为一个弹簧和一个粘壶元件相串联的形式;Kelvin模型认为粘弹性阻尼器可以等效为弹性元件和粘壶元件相互并联的形式;标准线性固体模型认为粘弹性阻尼器可以等效为弹性元件和Kelvin元件相串联的形式。这三种模型均不能准确地反映粘弹性阻尼器的力学性能随温度和频率的变化关系[6]。

　　四参数模型[7]是由Kasai提出的,该模型能够反映频率对粘弹性阻尼器力学性能的影响,但不能体现温度对粘弹性阻尼器力学性能的影响,而且模型的概念不太明确,计算公式较为繁杂,在进行实际结构的分析中较为少用。有限元模型[8]是由于Tsai提出的,在该模型中,环境温度的影响是以存储在材料中的初应变能的形式表现出来,并进而影响粘弹性材料特性的,频率的影响是以应变能的累积速度体现的,因此该模型同时考虑了温度和频率对粘弹性阻尼器性能的影响,是较为精确的,但是该模型相当复杂,应用起来比较困难。