金屬橡膠材料剪切力學(xué)性能的研究

張笑塵 　 張 萍 　 趙亞哥白　* 　 趙 淼 　 趙佳紅

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

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金屬橡膠材料剪切力學(xué)性能的研究

張笑塵 張 萍 趙亞哥白* 趙 淼 趙佳紅

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

摘要：針對(duì)現(xiàn)階段金屬橡膠材料剪切力學(xué)性能研究尚未普及的狀況,開(kāi)展了金屬橡膠試件承受剪切荷載的試驗(yàn)，分析了加載方向、循環(huán)加載次數(shù)、加載頻率、應(yīng)力幅值、成型密度等因素對(duì)剪切力學(xué)性能的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：金屬橡膠材料的剪切性能不受加載方向、加載次數(shù)和加載頻率的影響，隨著應(yīng)力幅值、成型密度的增加而增大。

關(guān)鍵詞：金屬橡膠，剪切力學(xué)性能，加載實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力幅值

0引言

目前超高層建筑日益興起，使得鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，作為主要的受力構(gòu)件，剪力墻的整體剛度大，在地震作用下易發(fā)生脆性剪切破壞。因此，剪力墻抗震性能的研究對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全性和減少后期加固及修復(fù)的損失顯得尤為重要。針對(duì)這種現(xiàn)狀，急需一種新的耗能裝置進(jìn)行替換。

目前由金屬橡膠制成的阻尼器，具有阻尼大、受溫度影響小、耐腐蝕等特點(diǎn)，是一種新型的阻尼減震材料。金屬橡膠材料的變形自恢復(fù)耗能減震性能，可以減小結(jié)構(gòu)塑性損傷充分耗散地震能量，相關(guān)減震裝置在地震后變形可自恢復(fù)，無(wú)需替換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是金屬絲相互交錯(cuò)勾聯(lián)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼?zhèn)浣饘偬攸c(diǎn)和橡膠的彈性，有良好的形狀記憶性能，應(yīng)用領(lǐng)域除抗震與抗沖擊外還涉及航空航天、軍事、降噪等多個(gè)方面。

現(xiàn)今關(guān)于金屬橡膠的研究主要涉及到金屬橡膠材料在承受壓縮荷載時(shí)的性能變化規(guī)律，而關(guān)于剪切荷載作用下金屬橡膠性能變化的實(shí)驗(yàn)研究尚未廣泛開(kāi)展。因此，文章了解到目前研究中的這一現(xiàn)狀，從而針對(duì)不同的金屬橡膠試件，研究在改變密度、加載頻率、加載幅值和循環(huán)加載次數(shù)等變量時(shí)，金屬橡膠材料在剪切荷載作用下的剪切性能變化規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到等效阻尼比和剪切應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線等數(shù)據(jù)，為未來(lái)關(guān)于金屬橡膠材料剪切性能的研究提供了進(jìn)一步的可行性方向。

1試驗(yàn)材料

金屬橡膠結(jié)構(gòu)性能與制成材料密度、形狀因子、熱處理工藝等參數(shù)息息相關(guān)，因此試件選用Fe-Cr-Ni 系合金即奧氏體不銹鋼制成，所得試件具有塑性好、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)。試件尺寸為邊長(zhǎng)為25 mm的立方體。通過(guò)增加剪切方向的金屬絲數(shù)量來(lái)提高抗剪切性能，制成的試件按質(zhì)量和成型密度的不同分別編號(hào)OMR-1，OMR-2，OMR-3，所得試件參數(shù)見(jiàn)表1。

2試驗(yàn)方法

金屬橡膠的剪切性能實(shí)驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置是哈爾濱工程大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的INSTRON FastTrackTM8801電液伺服動(dòng)力疲勞試驗(yàn)機(jī)。靜力剪切試驗(yàn)和動(dòng)力剪切試驗(yàn)中沿圖1中x和y方向施加剪切循環(huán)荷載，該方向與研究壓縮性能實(shí)驗(yàn)時(shí)施加力的方向相垂直。在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)傳感器采集基本數(shù)據(jù)并將其換算成應(yīng)力和應(yīng)變。試驗(yàn)裝置內(nèi)部和模擬的試件剪切方向如圖2所示，即通過(guò)夾具兩側(cè)相互搓動(dòng)施加剪切荷載。

為研究各變量因素對(duì)金屬橡膠材料剪切性能的影響，在保證試件變形可恢復(fù)性的基礎(chǔ)上，改變各變量的取值，來(lái)分析和總結(jié)剪切性能變化規(guī)律。各變量具體變化為：

1)加載方向：沿圖1中相互正交的ox，oy方向分別進(jìn)行加卸載實(shí)驗(yàn)；

2)加載頻率：0.1 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz，3.0 Hz；

3)應(yīng)力幅值：5%，10%，15%，20%；

4)各試件構(gòu)件成型密度不同。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1加載方向和加卸載循環(huán)次數(shù)的影響

為了確定金屬橡膠中非受壓成型面和加載次數(shù)是否會(huì)影響剪切性能，沿圖1中相互正交的ox，oy方向分別進(jìn)行多次的加卸載實(shí)驗(yàn)，并比較沿每個(gè)方向加載時(shí)，加載次數(shù)的增多是否會(huì)使遲滯曲線發(fā)生變化。在確定加載頻率為1.0 Hz和應(yīng)變幅值為10%的前提下，繪制ox和oy兩個(gè)方向的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變遲滯曲線，如圖3所示。由圖可知，兩個(gè)方向的曲線基本一致，可以得出金屬橡膠中兩個(gè)非受壓成型面的剪切性能基本相同。同時(shí)，通過(guò)發(fā)現(xiàn)ox方向或oy方向的遲滯曲線加載前后趨于一致，可以總結(jié)出加卸載循環(huán)次數(shù)對(duì)金屬橡膠試件的滯變性能基本無(wú)影響。另外，通過(guò)曲線可以分析出剪應(yīng)力—剪應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的應(yīng)變硬化特征。

3.2加載頻率的影響

為了確定不同加載頻率時(shí)金屬橡膠材料的剪切性能是否有差異，對(duì)試件OMR-1按不同頻率進(jìn)行加載，得到試件OMR-1在應(yīng)變幅值為20%時(shí)在0.1 Hz，0.5 Hz，1.0 Hz，3.0 Hz的加載頻率下的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變曲線，如圖4所示。根據(jù)該曲線，可以得出在應(yīng)變幅值、成型密度確定的情況下，不同加載頻率下的曲線基本重合。這意味著金屬橡膠的剪切性能與加載頻率的大小無(wú)關(guān)。

3.3應(yīng)力幅值的影響

為了研究不同加載幅值對(duì)金屬橡膠材料剪切性能的影響，采用的具體方法為對(duì)三個(gè)試件在其他條件相同時(shí)分別采用5%，10%，15%，20%的應(yīng)力幅值進(jìn)行剪切加載，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制出試件在不同幅值下的遲滯曲線。如圖5所示為試件OMR-3在不同幅值下的遲滯曲線。由圖5可知在不同幅值下，曲線所包絡(luò)的面積大小有所不同。具體表現(xiàn)為應(yīng)力幅值越大，所包絡(luò)的面

積越大，即金屬橡膠耗能能力增強(qiáng)。直接原因是因?yàn)檫^(guò)大的加載幅值使得金屬絲之間發(fā)生明顯的滑移現(xiàn)象，克服了它們之間的摩擦力，最終表現(xiàn)為耗能增加。

3.4成型密度的影響

為了比較不同成型密度的阻尼性能，在其他變量因素確定的條件下對(duì)不同試件進(jìn)行剪切加載，此時(shí)影響變量只有成型密度，并繪制不同試件的剪應(yīng)力—剪應(yīng)變遲滯曲線。由圖6可知，隨著成型密度的增加，應(yīng)力—應(yīng)變曲線的切線彈性模量變大，即剪切剛度變大。造成該結(jié)果的直接原因是成型密度的增加使金屬絲越密集，在相同的受力情況下金屬絲之間的摩擦力勢(shì)必增多，剪切剛度隨之增加。因此，可以總結(jié)出隨著成型密度的增加，金屬橡膠材料沿剪切方向的減震耗能能力逐漸增強(qiáng)。

4結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)利用控制變量法對(duì)金屬橡膠材料剪切力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并分析試驗(yàn)結(jié)果可以總結(jié)出以下結(jié)論：當(dāng)金屬橡膠試件承受剪切荷載變形時(shí)，循環(huán)加載次數(shù)、加載方向和加載頻率并不影響試件的剪切性能，同時(shí)，試件的耗能減震效果和阻尼性能與成型密度和應(yīng)力幅值成正比。另外，剪應(yīng)力—剪應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的應(yīng)變硬化特征。因此，金屬橡膠材料適于應(yīng)用在承受剪切荷載的結(jié)構(gòu)中，來(lái)達(dá)到耗能減震的作用。

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Study on the shear mechanical properties of metal rubber

Zhang XiaochenZhang PingZhao Yagebai*Zhao MiaoZhao Jiahong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Key words:metal rubber, shear mechanical properties, loading experiments, stress amplitude

Abstract:According to the present situation that the research on the shear mechanical properties of metal rubber is not yet popular, the experiment for the shear load-bearing capacity of metal rubber was carried out. It analyzes and summarizes how the several factors including loading direction, circulation loading times, loading frequency, stress amplitude and forming density influence shear mechanical properties. According to the experimental data, the conclusion is metal rubber’s shear mechanical properties is unrelated to loading direction, circulation loading times and loading frequency and increase with the increase of tress amplitude and forming density.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0106-02

收稿日期：2016-03-04

作者簡(jiǎn)介：張笑塵(1995- )，男，在讀本科生；張萍(1995- )，女，在讀本科生；趙淼(1994- )，男，在讀本科生；

通訊作者：趙亞哥白(1979- )，男，博士，講師

中圖分類(lèi)號(hào)：TU502.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

趙佳紅(1994- )，女，在讀本科生