張會峰 李佳躍/華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

摩擦耗能阻尼器研究綜述

張會峰 李佳躍/華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院

近40年來，特別是唐山大地震之后，對于建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力研究越來越被研究學(xué)者們重視，并且已經(jīng)取得了顯著的研究成果。研究學(xué)者不再局限于簡單的抗振動能力的研究方法，而是通過結(jié)構(gòu)自身的動力性能，利用吸能、耗能等結(jié)構(gòu)外裝置組成 “結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)”來減小地震、風(fēng)力的破壞。例如阻尼器吸能、摩擦耗能等都已經(jīng)走向了工程實際應(yīng)用。重點(diǎn)介紹摩擦耗能阻尼器的研究進(jìn)展工作原理、研究進(jìn)展與實際應(yīng)用。

抗震；保護(hù)系統(tǒng)；摩擦耗能；阻尼器

前言

建筑結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的抗震方法主要是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的抗震性能來滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。在古代，摩擦減振就應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)中，1972年姚冶平提出了結(jié)構(gòu)振動控制的概念，才開始系統(tǒng)地開發(fā)研制摩擦耗能阻尼器進(jìn)而運(yùn)用到結(jié)構(gòu)工程中達(dá)到減震的目的。隨后大批的研究學(xué)者進(jìn)行了深入的研究和探索，在摩擦耗能減震、半主動控制、主動控制等方面取得了顯著的成果。

減震耗能技術(shù)是指在建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位設(shè)置耗能裝置或阻尼器來消耗地震能量，減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減輕主體結(jié)構(gòu)的破壞以達(dá)到減震的目的。近些年來,國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛研究的各種耗能阻尼器裝置正是因此展開的。

1.摩擦耗能阻尼器發(fā)展概況

為應(yīng)對不同建筑結(jié)構(gòu)類型的地震反應(yīng)，國內(nèi)外研究學(xué)者陸續(xù)研制開發(fā)了多種摩擦耗能阻尼器?，F(xiàn)階段研究較為成熟并且已經(jīng)得到實際應(yīng)用的摩擦耗能阻尼器主要有：普通鋼板摩擦阻尼器、Pall型摩擦阻尼器、滑移型螺栓節(jié)點(diǎn)阻尼器、多級摩擦阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器以及一些復(fù)合摩擦耗能阻尼器。其基本原理主要是從摩擦力大小控制、螺栓預(yù)緊力確定、摩擦耗能材料選取來展開。

2.摩擦耗能阻尼器的原理

摩擦耗能阻尼器的基本原理為經(jīng)典庫倫摩擦定律[1]。簡易構(gòu)造如圖1 所示：主要是通過開有槽孔的中間鋼板相對于上下兩塊鋼板的摩擦運(yùn)動而耗能，通過調(diào)整螺栓的預(yù)緊力來控制滑動摩擦力。利用經(jīng)典庫倫摩擦原理建立摩擦耗能阻尼器滑動摩擦力的模型為:

(1) f=2μFP

其中：2代表有兩個摩擦面；μ為滑動摩擦系數(shù)。

由式（1）可知，可以通過增大螺栓預(yù)緊力和滑動摩擦系數(shù)來增大摩擦力，從而達(dá)到耗能的效果。

耗能能力是評價摩擦耗能阻尼器性能的重要指標(biāo)，在低周往復(fù)荷載下，每次循環(huán)形成的滯回環(huán)所包圍的面積就是該次循環(huán)的耗能值。為了便于摩擦耗能阻尼器的推廣與應(yīng)用，采用理想彈塑性模型來擬合恢復(fù)力模型[2]?；謴?fù)力模型如圖2所示。

圖1 摩擦耗能阻尼器簡易構(gòu)造

圖2 恢復(fù)力模型

3.摩擦耗能阻尼器在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

摩擦耗能阻尼器在近幾十年的研究中無論從理論基礎(chǔ)、試驗研究和實際應(yīng)用上均取得了顯著的成果，目前多種摩擦阻尼器已經(jīng)運(yùn)用到了實際建筑結(jié)構(gòu)中，在建筑結(jié)構(gòu)抗震及結(jié)構(gòu)工程加固的研究中起到了至關(guān)重要的作用。

Pall等人[3]提出Pall摩擦阻尼器，并且已經(jīng)應(yīng)用在國外多幢民用及工業(yè)建筑中。Pall摩擦阻尼器是一種安裝在X型支撐中央的雙向摩擦耗能阻尼器。Pall摩擦阻尼器的摩擦力較普通摩擦耗能器更加穩(wěn)定，摩擦力的衰減幾乎不受螺栓預(yù)緊力得影響，最重要的是，Pall摩擦阻尼器的滯回性能比較穩(wěn)定，不受支撐屈曲力的影響，但其構(gòu)造安裝較為復(fù)雜。

歐進(jìn)萍等[4]在鋼板摩擦耗能阻尼器的研究基礎(chǔ)上，研制了形芯板摩擦阻尼器和擬粘滯摩擦阻尼器兩種新型摩擦阻尼器，通過理論分析和試驗研究，都取得了很好的耗能效果，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

Mualla等[5]提出了夾板轉(zhuǎn)動摩擦耗能器，這種新型摩擦阻尼器由可阻礙相對反向旋轉(zhuǎn)的鋼板組成，這些鋼板被摩擦材料墊片分割開，當(dāng)鋼板相對旋轉(zhuǎn)時，由于螺栓預(yù)緊力的作用，摩擦墊片會產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而消耗地震能量。該耗能器幾乎不受荷載頻率、循環(huán)次數(shù)及溫度等因素影響，滯回性能穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，性能可靠，而且適合于各種結(jié)構(gòu)，具有較好的應(yīng)用前景。

李澈[6]研制了一種半主動控制可變摩擦阻尼器，主要由滑動坡面、摩擦面、螺桿、碟形彈賛組成。其主要工作原理是利用坡面使阻尼器變形過程中板件之間的距離增大，壓縮彈簧，使摩擦面間的法向正壓力增大，從而達(dá)到變形越大，摩擦越大的變摩擦效果。通過設(shè)置適出的初始預(yù)緊力、一定長度的平滑段和起坡段，可使阻尼器在小震、中震、大震中均有良好的減震性能。

4.結(jié)語

隨著人們對建筑房屋結(jié)構(gòu)抗震要求的提高，研究學(xué)者對摩擦耗能阻尼器的研究越來越深入，技術(shù)發(fā)展日漸成熟。從前文的介紹可以看出多種摩擦耗能阻尼器已經(jīng)運(yùn)用到實際工程中并取得了明顯的抗震效果，但其中存在的問題也還很多，例如摩擦接觸面的不穩(wěn)定、螺栓預(yù)緊力等問題還需要研究學(xué)者不斷努力，使其向更為方便實用的方向發(fā)展。

[1]王曉天,鄒向陽等. 摩擦耗能器發(fā)展概況評述[J]. 長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版) ,2008, 01:14-18.

[2]郭子雄,張鵬等. 長孔螺栓板式摩擦耗能器滯回性能試驗研究[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,(04):622-628.

[3]Pall A S,Marsh C. Response of friction damped braced frames [J].Journal of theStructural Division,

ASCE,1982,108(ST6):1313-1323.

[4]歐進(jìn)萍,吳斌. 組合鋼板耗能器——一種新型耗能減震裝置[J]. 地震工程與工程振動,1997,01:33-40.

[5]Mualla I H．Experimental evaluation of new friction damper device[C]/ / 12th World Conference on Earthquake Engineering，Auckland．2000: 314－ 316．

[6]李澈. 摩擦阻尼器的研制與應(yīng)用[D].中國建筑科學(xué)研究院,2011.