不同约束条件下混凝土阻尼性能的实验研究

阳桥++宋显辉

【摘 要】混凝土的阻尼性能对于提高结构稳定性、安全性和耐久性以及防震减灾等具有重要意义。本文通过试验模态方法，分析了不同约束条件下混凝土构件模态阻尼比和固有频率的变化规律，研究了周围介质发生改变时构件的动态特性。实验结果表明，随着约束的增强混凝土构件阻尼比是相应增大的，但是固有频率基本保持稳定。

【关键词】混凝土；阻尼比；试验模态；约束条件

【Abstract】Concrete damping function in improving the structure stability， safety and durability， and mitigation of earthquake disasters， etc. It is of great significance. In this article， through concrete members under the conditions of different constraint condition damping ratio and natural frequency of the experimental research， find out in the outside support under the condition of the dynamic characteristics of components. The experimental results show that with the increase of restraining force concrete member is damping ratio increases accordingly， but the basic natural frequency stability.

【Key words】concrete；damping ratio；experimental modal；constraint condition

1.前 言

材料的阻尼比是衡量材料本身減振性能的主要指标， 混凝土自减振能力的大小对建筑物有十分重要的作用， 如果混凝土有良好的自减振性能， 一方面可较好地缓解偶然荷载、风载、海浪、地震等引起的危害， 另一方面可增强结构的可靠性和舒适性[1]。

阻尼大致可分为干摩擦阻尼、粘滞阻尼和结构阻尼[2]，在实际工程中，阻尼往往不止一种。由于粘滞阻尼在数学上处理最为方便，工程中通常用粘滞阻尼理论或等效粘滞阻尼理论来对结构体系进行分析，用阻尼比来反映其大小[3]。建筑物阻尼性能主要来源于2个方面，即外部阻尼和内部阻尼。由于外部阻尼作用机理十分复杂、影响因素众多，因此在结构设计中，通常忽略外部阻尼作用。大部分学者都是研究材料的内部阻尼对构件的影响，薄天航[4]研究了再生骨料不同取代率对混凝土构件阻尼性能的影响；柯国军[2]、梁超锋[5]研究不同配筋率对混凝土构件的阻尼性能影响；郭集中[6]研究不同骨料级配对混凝土构件的阻尼性能的影响。

然而对于周围介质影响结构阻尼的外部因素研究不多，本文通过试验模态分析法测定三种不同约束条件下混凝土构件的模态阻尼比和固有频率，找出二者随周围介质不同的变化规律。这对于建筑的结构设计和结构减震有着很大的现实意义。

2.实验部分

2.1 实验原理

实验采用试验模态分析法，其阻尼比的计算原理也是用自由衰减振动法得到的，其计算公式为：

（1）

式中，是结构阻尼比；

是衰减曲线中第n个峰值和第n+k个峰值。

本次实验的是通过模态分析法在给定一个随机激励后得到一个结构特有的振动曲线，这时候的曲线都是在时域中的振动曲线，再通过频谱分析得到一个频域里的振动曲线，最后通过自由振动衰减曲线图（见图1），采取光标带内主频自由振动阻尼计算法计算出结构阻尼比和固有频率。

2.2 实验试件

试验模态分析法测试试件采用混凝土矩形截面梁，其试样尺寸为75mm×100mm×550mm，见图2。

本次实验试样原料采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，混凝土配制强度等级为C30，水泥各项技术要求均满足国家规范要求，其中骨料中砂子为中砂，石子为碎石，骨料颗粒级配均良好。各项技术要求都达到规范要求。试件的成型、振捣、养护均按照混凝土施工技术规范要求操作，为了得出不同约束条件对混凝土试样的阻尼比、固有频率的影响，本次试验制作3组相同试件，分别用橡皮绳悬挂（无约束）、两端简支（弱约束）和整体放在泡沫板上（强约束）代表A1、A2、A3三种约束条件进行本次实验（见图3），这三种约束条件的约束程度是不断增强的，即周围介质的影响程度是不断增大的。

2.3实验仪器设备

本次实验的设备均采用武汉优泰电子有限公司生产的产品，硬件设备有UT3202FRS-ICP动态数据采集器、CA-YD-186压电式加速度传感器、LC-3A（ICP）力锤，分析软件有优泰结构与机械模态分析系统uTekMa、优泰数据采集与分析系统uTekSs，其中试验模态分析方法采用材料前两阶固有频率作为材料阻尼比分析对照值，比固定频率分析材料的阻尼比更加灵敏，也更加真实反映材料共振时的阻尼性能。

相对于郭集中[6]等人的实验方法来说，试验模态分析法基于线性叠加原理，把一个复杂的振动系统分解为许多模态的叠加，这样就把个别离散曲线造成的误差消除掉，从而更加准确地确定结构的动态参数，所以说模态分析法能从阻尼比，固有频率、振型等方面全面分析混凝土构件在不同约束条件下的阻尼性能的规律，试验结果更为真实可信。

2.4实验过程

根据三种不同约束条件支撑试样，采用单点输入单点输出的测试方法。加速度传感器安置在试样中部下端，将传感器和力锤连接到动态数据采集器上，实验仪器和试样的连接方式见图4所示。

经测试实验装置和实验软件运行正常，用力锤敲击各个测试点使之产生相应的振动，采集各个对应的振动响应，通过模态计算把各点的振动曲线进行拟合计算得出振动拟合曲线（见图5 ），最后得到试样不同阶数的阻尼比和固有频率。

3.實验结果及分析

3.1 实验结果

每一种约束条件分别做了2根试样，取前两阶的模态参数进行比较，探索构件的模态阻尼比和固有频率随约束增强的变化规律。

从表1所列的数据可以看出，一阶模态阻尼比随着约束的增强，呈现不断增大的趋势，A1与A2的阻尼比基本接近，阻尼比增加了不到4%，而A3与A2相比，其阻尼比大幅增加，增加幅度超过了40%。但约束条件对试样的固有频率影响不大。

表1和图6表明混凝土试样在不同约束条件下的二阶模态参数的变化规律跟一阶模态极为相似，其阻尼比是随着约束的增强而不断增大的，只是在A1和A2的二阶阻尼比相同，但是A3的阻尼比就大幅增大，其增大幅度达到50%以上。而混凝土试样的二阶固有频率变化不大。

3.2结果分析

阻尼是指阻碍物体的相对运动、并把运动能量转化为热能或其他可以耗散能量的一种作用。除了构件内部的摩擦阻尼转换为内能外，还有一部分引起周围介质的振动，使振动的能量向四周辐射出去，变为波的能量。

约束条件A1起支撑作用的是柔度极好的橡皮绳，近似于没有约束，所以试样仅引起周围空气的振动，能量的消耗非常微小；约束条件A2，试样除引起周围空气的振动外，还会引起两端固定支座的振动，其消耗的能量就不可忽视的；约束条件A3，试样整个埋在泡沫里，对应的能量损耗要比前两种约束大得多。

固有频率是构件的固有属性，主要决取于件构的组成形式、刚度、质量分布和材料性质等，约束条件对固有频率的影响远没有对阻尼比的影响大。因此，在约束条件A1、A2、A3下，试样的固有频率基本保持稳定。

4.结论

用试验模态分析法，在自由衰减振动的状态下，精确测得不同约束条件下的混凝土构件的各阶的固有频率和阻尼比。得出如下结论：

⑴ 通过试验模态分析得出随着约束的逐渐增强，构件的阻尼比也在逐渐增大。并且可以看出结构与周围环境的联系方式对结构的阻尼性能有明显的影响，这对我们实践中的结构抗震设计有重要意义。

⑵ 结构约束程度的增强对结构本身的固有频率影响不大，总体上保持稳定。同时可以看出对结构支撑方式的不同，有可能改变结构的固有频率。

参考文献：

[1] 柯国军， 陈俊杰， 石建军混凝土阻尼试验研究及其机理分析[J].噪声与振动控制.2005，（5）：60-63.

[2] 柯国军，郭长青，胡绍全.混凝土阻尼比研究[J].建筑材料学报.2004，7（1）：35-40.

[3] 石建军，胡绍全，柯国军.钢筋混凝土材料阻尼值得实验研究[J].四川建筑科学研究.2003，29（3）：14-15.

[4] 薄天航，刘铁军.再生混凝土骨料阻尼性能的研究[D]. 哈尔滨工业大学.2012，12.

[5] 梁超锋，刘铁军，邹笃建.配筋对钢筋混凝土阻尼性能的影响[J].建筑材料学报.2011，14（6）：839-843.

[6] 郭集中，白英. 碎石混凝土骨料分形级配阻尼比的实验研究[J].内蒙古农业大学学报.2012，33（5-6）：321-324.