粘弹性材料在结构控制中应用研究.pdf

粘弹性材料在结构控制中的应用研究1 朱必永 武汉理工大学 （430070 ） E-mail ：hkzby4570@ 摘 要：粘弹性材料是建筑结构抗震抗风中一种十分有效的耗能材料,由粘弹性材料制成的 粘弹性阻尼器是建筑结构抗震抗风被动控制应用最为广泛的一种耗能阻尼器装置。本文对影 响粘弹性材料力学性能的因素进行了试验研究；建立了适合于建筑结构抗震抗风被动控制动 力计算的有限元计算模型，推导了粘弹性阻尼器与钢支撑的组合刚度矩阵。最后将理论结果 与试验结果进行了对比，验证了理论推导的正确性。 关键词：粘弹性材料，粘弹性阻尼器，耗能装置，结构控制 1. 引 言 随着我国国民经济的发展和科学技术的进步，高强、轻质建筑材料在建筑结构中的广 泛应用，使得结构的刚度和阻尼不断降低，建筑结构对地震激励更加敏感。要减小建筑结构 的地震反应，除了研究建筑结构承重体系本身的抗震设计构造之外，在结构上设置一些耗能 装置，通过耗能材料的非线性变形来增大结构阻尼、消耗地震能量，实现减小主体结构的地 震反应，从而对结构震动进行有效抑制，是一种行之有效的方法。在这些耗能材料中，以 粘弹性材料最为人们所关注，因为由这种材料制成的阻尼器与其他耗能减震装置相比 具有以下优点[1]：（1）只要在微小干扰下结构开始震动，它就能马上耗能。因此，即使在弹 性小幅震动的情况下它也起制震作用。这使它既能抑制结构的地震反应，又避免了其他耗能 阻尼器存在的阻尼器初始刚度如何与结构侧移刚度相匹配的问题。（2 ）它的“力-位移”滞 回曲线近似于椭圆型，因此它的耗能能力很强。 本文对影响粘弹性材料力学性能的因素进行了试验研究，根据建筑结构抗震抗风被动控 制动力计算的特点，建立了有限元计算模型，在此基础上推导了粘弹性阻尼器与钢支撑的组 合刚度矩阵。最后将理论结果与试验结果进行了对比，验证了理论推导的正确性。 2. 粘弹性材料 粘弹性材料是一种同时具有某些粘性液体和 弹性固体特性的高分子聚合物材料，其结构示意图 如图 1 所示。弹性材料虽然能够储存能量，但是它 却不能耗散能量。相反，粘性液体具有耗散能量的 本领，然而却又不能储存能量，因此只有介于粘性 液体和弹性固体之间的粘弹性材料才能二者兼备。 在受到交变应力作用产生变形时，部分能量像位能 那样储存起来，另一部分能量则被耗散转化为热能 图 1 高分子聚合物的分子结构 1 国家自然科学基金资助项目） - 1 - 而耗散。 粘弹性材料的弹性和粘性表现为当它们受到拉伸的外力作用时，一方面材料的分子链将 会受到拉伸，另一方面还将产生分子与分子之间的链段的滑移。当外力去除后，被拉伸的分 子链要恢复原位，释放外力所作的功，这就是粘弹性材料的弹性。这部分分子所作的功转化 为热能而耗散在周围的环境中，从而把部分机械振动能量转化为热能。 由于粘弹性材料的动态力学性能不同于弹性材料，所以在交变应力的作用下其应力-应 变曲线与弹性材料的性质不全相同。对于弹性材料施加交变应力之后，弹性材料内部的应力 和应变几乎是同时增加或减小的，也就是说二者的相位相同或很接近，所以弹性材料的应力 -应变曲线为一直线，如图 2 所示。然而粘弹性阻尼材料的应变却滞后于应力，滞后的相位 角为α，如图 3 所示。粘弹性阻尼材料的应力-应变曲线为一椭圆形，如图 4 所示。 图4 粘弹性阻尼材料的应变 图2 弹性材料的应力 图 3 应变却滞后于应力图 -应变滞回曲线 3. 粘弹性阻尼器动力特性的实验分析 本文选用国产的 NZ2 1 粘弹性阻尼材料，采用电液伺