一种新型阻尼器的开发与研究_资道铭

传统的桥梁横向振动控制方法主要是通过改变 桥 梁 自 身 刚 度 ，达 到 减 小 桥 梁 振 动 响 应 的 目 的 ，但 成 本 较 高 ，经 济 性 较 差 。 作 为 一 种 新 兴 的 减 振 方 法 ，阻 尼器由于具有较好 的 经 济 性、广 阔 的 适 用 范 围 以 及 便于拆换等优势，目 前 已 经 越 来 越 多 的 被 应 用 于 结
2． 2 金属材料铅的基本性能特点［13］ 铅是 一 种 理 想 的 弹 塑 性 材 料，在 小 变 形 下 就 可
获 得 良 好 的 耗 能 能 力 ，具 有 密 度 大 、熔 点 低 、塑 性 高 、 强 度 低 、线 膨 胀 系 数 大 、导 热 率 小 、耐 腐 蚀 、润 滑 能 力 强等特点。
耗能阻尼器主 要 包 括 粘 滞 阻 尼 器［2］、摩 擦 耗 能 阻尼器［3］、金属耗能 阻 尼 器［4］ 以 及 粘 弹 性 阻 尼 器［5］ 等四新 型 阻 尼 器 ——— 铅 橡 胶 组 合 式 阻 尼 器 是 利 用 金属铅和粘弹性材 料 橡 胶 两 者 的 优 点，设 计 出 的 一 种新型阻尼器。铅 橡 胶 阻 尼 器 的 性 能 非 常 稳 定，基 本不受环境的影响，具 有 较 大 的 阻 尼 值 和 初 始 水 平 刚度，即使在几毫米 的 水 平 位 移 下 也 有 较 高 的 阻 尼 参 数 ，是 一 种 理 想 的 耗 能 阻 尼 器 ，可 用 于 控 制 幅 值 较 小的位移超限。
资道铭1 ，张欣心2 ，张建经2
（ 1． 柳州东方工程橡胶制品有限公司，广西 柳州 545005； 2． 西南交通大学 土木学院，四川 成都 610031）
［提 要］ 桥梁横向振幅超限一直是困扰铁路桥梁的一个重要问题。在全国铁路全面提速的 大 环 境 下，这 个 问 题 益 发 突 出， 列车速度的提高势必造成更大的桥梁横向位移，进 而 给 行 车 安 全 造 成 不 利 的 影 响 。 传 统 的 桥 梁 横 向 振 动 控 制 方 法 主 要 是 通 过改变桥梁自身刚度，达到减小桥梁振动响应的目 的，但 成 本 较 高，经 济 性 较 差。 耗 能 减 振 思 想 的 提 出 为 桥 梁 横 向 振 动 控 制 提供了一种新的思路，即用阻尼器加固桥梁。阻尼器的安装能够将输入桥梁 的 能 量 转 化 为 阻 尼 器 的 滞 回 能，通 过 阻 尼 器 的 往 复加卸载循环，先于结构消耗部分输入能量。这种方 法 的 优 势 在 于 经 济 节 省，易 于 更 换，但 目 前 国 内 尚 缺 乏 该 类 型 阻 尼 器 产 品及相关的应用研究。本文对铅橡胶阻尼器的结构及 力 学 性 能 进 行 了 阐 述，提 出 该 型 式 阻 尼 器 能 够 适 用 于 铁 路 横 向 小 位 移 振动条件下的能量消耗。 ［关键词］ 横向振动控制； 铅橡胶阻尼器； 拉压循环试验； 疲劳试验
［中图分类号］ TB123
［文献标识码］ A
Development and Study About A New Type of Damper
Zi Dao-ming1 ，Zhang Xin-xin2 ，Zhang Jian-jing2 （ 1． Liuzhou Orient Engineering Rubber Products Co． LTD，Liuzhou 545005，
铅的 低 刚 度 及 自 身 的 晶 体 结 构 特 征，使 其 具 有 较 高 的 柔 性 和 延 展 性 ，因 此 ，在 变 形 过 程 中 可 以 吸 收 大量的能量，并 具 有 很 好 的 变 形 跟 踪 能 力。 铅 在 变 形 中 会 发 热 、融 化 、再 结 晶 ，铅 的 熔 点 低 ，再 结 晶 温 度 在室温以下。铅在 室 温 条 件 下 变 形，将 会 同 时 发 生 动 态 恢 复 ，即 动 态 再 结 晶 过 程 ，通 过 恢 复 和 再 结 晶 过 程 ，应 变 硬 化 将 消 失 ，铅 的 组 织 和 性 能 将 恢 复 到 变 形 前的状态。因此，在 理 论 上 铅 是 一 种 仅 有 的 室 温 下 作塑性循环时不会发生累积疲劳现象的普通金属。 铅 的 物 理 性 质 中 ，高 密 度 、低 刚 度 和 高 阻 尼 的 结 合 使 其成为减振的极 好 材 料。 此 外，纯 度 较 高 的 铅 易 于 得到，荷载的频率、循 环 次 数 对 其 性 能 影 响 较 小，从 而保证了其稳定的力学性能。 2． 3 粘弹性材料高阻尼橡胶的特性
一般 的 铅 橡 胶 阻 尼 器 由 铅 橡 胶 阻 尼 器 元 件、中 间 板 、侧 向 连 接 板 组 成 。 在 剪 切 作 用 下 ，铅 和 橡 胶 共 同 作 用 ，提 供 饱 满 的 耗 能 滞 回 圈 ，消 耗 输 入 结 构 的 能 量。铅在工作中能 提 供 足 够 的 初 始 刚 度，使 得 阻 尼 器在微小的变形作用下即能提供相当大的反力。铅 还具有体积 绝 对 不 变，且 能 自 动 恢 复 的 性 能 （ 记 忆 性） ，在发生塑性变 形 后，能 通 过 材 料 内 部 晶 体 的 重 新组合，恢复到 受 力 前 的 形 状。 橡 胶 是 一 种 稳 定 的 粘弹性材料，它不仅 可 以 通 过 自 身 的 剪 切 滞 回 变 形 提 供 耗 能 ，更 因 为 其 性 能 稳 定 和 耐 久 性 好 的 优 点 ，能 为铅提供足够的外侧保护。
冼巧玲等 人［7］ 对 不 同 铅 芯 直 径 的 铅 橡 胶 阻 尼 器进行了试验研 究，得 出 了 铅 芯 直 径、初 始 刚 度、屈 服刚度和阻尼比的关系； 周云等人对其自行研发的 铅橡胶阻尼器进行了力学性能和疲劳性能试 验［8 ～ 12］，主 要 研 究 了 加 荷 频 率、应 变 幅 值 和 铅 芯 直 径对阻尼器性能的 影 响 以 及 阻 尼 器 的 疲 劳 性 能，得 到了与冼巧玲等所做试验的类似结果。
China； 2． School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）
Abstract： It is always a troubling problem that railway bridges go beyond their lateral vibration limits． This problem appears even more significant in the case of national railway network speed lift because the raising speed of train increases the effect of lateral vibration which will lead to serious potential danger，derailment，for example． The generally traditional vibration control methods is concentrate on the enhancement of lateral stiffness of bridge to reduce the structural vibration response of bridges，which need considerable investment． The thoughts of energy dissipation indicates an alternative way of vibration control － reducing the lateral displacement by installing damping device． Damping device which connected properly to the bridge can dissipate the energy input before the deformation of the structure and reduces the response of structure itself． This method is economical and easy to replace damping devices though there is no much research in this field． The new typle of damper is developed in this paper． Keywords： lateral vibration control； lead-rubber damper； tension-compression cycling test； fatigue test
橡胶 作 为 一 种 主 要 的 粘 弹 性 材 料，已 经 被 广 泛 的 运 用 于 航 空 航 天 、机 械 和 建 筑 领 域 ，它 是 一 种 高 分 子 聚 合 物 ，其 性 质 介 于 粘 性 液 体 和 弹 性 固 体 之 间 ，同 时具备流体和弹 簧 的 性 能。 一 方 面，它 可 以 迅 速 地 回 复 到 原 来 的 形 状 ，具 有 弹 性 性 能 ，另 外 一 方 面 具 有 一 定 的 抗 剪 能 力 ，却 又 不 像 弹 簧 一 样 储 存 能 量 ，而 是 以热能的形式耗散。 2． 4 两种材料结合时的特性
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 34，No. 1 2012
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工程抗震与加固改造
2012 年 2 月
构的减振设计中［1，6］。 阻 尼 器 是 一 种 耗 散 能 量 的 结 构构件，通过消耗输 入 结 构 的 能 量 来 减 小 在 动 力 荷 载作用下结构自身 的 动 力 响 应，从 而 达 到 减 振 的 效 果。本文研究对象是用于控制铁路桥梁横向振动的 新型阻尼器。
第 34 卷第 1 期 2012 年 2 月
工程抗震与加固改造 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting