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结构振动控制是一种新型的抗震技术,其中以被动控制技术的理论最为成熟,因而得到了广泛的应用。利用粘弹性阻尼器进行结构的耗能减震是一种有效的被动控制方法,它不仅具有构造简单、施工方便、耐久性好、造价低廉等诸多优点,而且具有很好的耗能特性。因此,国内外越来越多的专家学者对其进行了研究,并已取得一些成果。但是,目前现有的国产粘弹性材料主要是针对高频振动控制领域研制和生产的,迫切需要开发适用于建筑结构减振控制领域的、在低频振动下具有较高耗能特性和较低剪切刚度的新型高耗能粘弹性材料。
本文对课题组已有的粘弹性材料配方进行了优化设计和试验研究,研发出了一种适用于低频振动环境激励下的高耗能粘弹性材料,将该材料制成粘弹性阻尼器进行了力学性能试验研究,并提出了一种能够考虑温度频率影响效应的粘弹性材料力学模型。
本文对高耗能粘弹性材料及阻尼器进行了试验研究分析,所开展的主要工作和结论如下:
1,本文根据粘弹性材料的特性及其阻尼作用机理,针对土木建筑结构中使用的粘弹性材料需要在低频激励下具有的高阻尼、良好的耐老化性能和较低剪切刚度等性能要求,对课题组已有的粘弹性材料配方进行改进,设计出多批次不同成分和不同配比的粘弹性材料配方,通过对各批次的粘弹性材料配方制成的胶体进行性能试验研究和分析,总结出了粘弹性材料胶体的物理性能、力学性能和耐老化性能随各种添加剂的选取与用量的变化规律,进而优化设计出新一批的配方,最终通过对三批配方胶体的性能试验结果进行对比分析,确定了高耗能粘弹性材料最佳配方的成分及用量。
2,将优选出的高耗能粘弹性材料加工成粘弹性阻尼器,对高耗能粘弹性阻尼器进行了力学性能试验研究,试验分析表明:加载频率对高耗能粘弹性阻尼器的等效刚度和等效阻尼有着显著影响,位移幅值对高耗能粘弹性阻尼器的等效刚度和等效阻尼也具有一定影响;当位移幅值不超过10mm且加载频率不超过1Hz时,高耗能粘弹性阻尼器的动态性能参数剪切储能模量G1、剪切耗能模量G2、损耗因子叩和每圈耗能Ed均随着频率的增大而增大;但当位移幅值较大时,高耗能粘弹性阻尼器的动态性能参数随着频率的增大呈现出先增大后减小的变化规律;剪切储能模量G1、剪切耗能模量G2和损耗因子η均随着位移幅值的增大而减小;每圈耗能Ed随着位移幅值的增大而增大;
3,对目前常用的粘弹性材料的力学模型进行了阐述和评价,为了更好地描述粘弹性材料的力学性能随温度影响的变化规律,本文通过温频等效原理推导出的温度移位因子将温度因素等效为频率影响效应,结合分数导数Kelvin模型,提出了等效分数导数Kelvin模型,该模型能够同时考虑粘弹性材料的力学性能受湿度和频率的影响。为了验证所提模型的正确性,用该模型分别对两种粘弹性材料储能模量G1和损耗因子叩的试验值进行拟合,数值分析结果表明:储能模量G1和损耗因子叩的试验值与计算值拟合的较好,满足应用要求。该模型能够较好地计算粘弹性材料的储能模量G1和损耗因子η在不同温度和频率下的值,以便实际应用。
4,将高耗能粘弹性阻尼器安装到一框架结构中,通过对比分析加入该阻尼器前后框架结构时程响应再次表明:该新型高耗能粘弹性阻尼器具有良好的耗能减震效果。