張雨珩，賴正聰，姚 超，張 彧

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南省工程抗震技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500）

0 引言

消能減震技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，得益于其能夠有效控制結(jié)構(gòu)損傷，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。 作為一種新型抗震技術(shù)，為了達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗震性能及地震安全儲(chǔ)備的目的，利用消能減震裝置（阻尼器）的耗能特性，將阻尼器設(shè)置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間或建筑物與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間，降低地震能量向建筑主體構(gòu)件的傳遞。 目前，工程中常用的阻尼器包括速度型（黏滯型阻尼器）、位移型（金屬屈服型阻尼器、摩擦阻尼器）及復(fù)合型（鉛黏彈阻尼器）［1-4］。

摩擦阻尼器1982 年由Pall 等［5］第一次提出后逐漸得到廣泛的研究與應(yīng)用。 吳斌等［6-7］基于Pall的研究，提出了一種改進(jìn)的Pall 摩擦阻尼器T 形芯板摩擦阻尼器和一種擬黏滯摩擦阻尼器。 但上述阻尼器都存在不足，無(wú)法根據(jù)不同地震工況調(diào)整摩擦力，因此圍繞變摩擦阻尼器的研究日益增多。 彭凌云等［8］研發(fā)出一種板式變摩擦阻尼器，研究結(jié)果表明該阻尼器的滯回曲線具有典型的復(fù)阻尼特征，且在地震發(fā)生時(shí)，變摩擦阻尼器比傳統(tǒng)阻尼器可以發(fā)揮更優(yōu)的性能。 李華等［9］研發(fā)了一種金屬變摩擦阻尼器，該阻尼器通過(guò)改變金屬摩擦面的接觸面積實(shí)現(xiàn)變摩擦特性。 Blostotsky 等［10］重點(diǎn)研究了一種具有階梯摩擦力特性的可變摩擦阻尼器。 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明，阻尼器的參數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果具有良好的相關(guān)性。 但上述變摩擦阻尼器均不具備自復(fù)位功能，在地震作用后會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生殘余位移，如若通過(guò)更換阻尼器等方式進(jìn)行修復(fù)，工序繁瑣、成本高。 因此學(xué)者們開始對(duì)新型材料SMA 進(jìn)行探索與開發(fā)，使其應(yīng)用于變摩擦阻尼器中從而實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能。 Mauro 等［11］、常召群等［12］、屈俊童等［13］、徐偉等［14］等設(shè)計(jì)出了不同形式的SMA 摩擦阻尼器。但我國(guó)農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)條件有限，SMA 材料價(jià)格昂貴，并不適用于農(nóng)村民居。

針對(duì)農(nóng)村民居的研究發(fā)現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)建筑中的梁柱之間通常采用榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。 在地震荷載下，榫卯節(jié)點(diǎn)由于其半剛性的特點(diǎn)可以吸收部分地震能量，從而保證房屋的安全，但當(dāng)?shù)卣鸷奢d過(guò)大時(shí)，卯口被擠壓變形，榫頭可能會(huì)拔出，榫卯節(jié)點(diǎn)隨即失去承擔(dān)荷載的能力。

基于我國(guó)農(nóng)村民居現(xiàn)狀和目前自復(fù)位變摩擦阻尼器存在的問題，為了增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)抗震能力的同時(shí)保持木結(jié)構(gòu)的半剛性特點(diǎn)，研發(fā)了一種小噸位自復(fù)位變摩擦阻尼器，可安裝于木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)連接處。 該阻尼器由摩擦耗能部件、自復(fù)位部件、端部連接部件組成。 摩擦材料選用高硬度的丁腈橡膠，自復(fù)位部件選用碟形彈簧。 對(duì)7 個(gè)不同參數(shù)的試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，檢驗(yàn)阻尼器的有效性及可靠性。運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件建立阻尼器整體三維模型進(jìn)行非線性分析，得到各工況下的滯回曲線，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 阻尼器基本構(gòu)造及工作原理

1.1 自復(fù)位變摩擦阻尼器基本構(gòu)造

新型自復(fù)位變摩擦阻尼器構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖1 所示。 該阻尼器由摩擦耗能部件、自復(fù)位部件、端部連接部件構(gòu)成。 摩擦耗能部件為摩擦材料、墊片、螺桿、螺母，自復(fù)位部件為碟形彈簧，端部連接部件包括帶螺紋套筒、帶螺紋端頭。

圖1 阻尼器構(gòu)成部件Fig.1 The damper components

阻尼器的裝配如圖2 所示。 摩擦材料位于套筒中間，在摩擦材料軸向兩端各有一個(gè)墊片，作用是將碟形彈簧產(chǎn)生的軸向力傳遞給摩擦材料。 螺桿穿過(guò)摩擦材料和墊片，螺母將螺桿、墊片、摩擦材料固定在一起。 碟形彈簧與墊片貼緊，并且碟形彈簧會(huì)填滿墊片與帶螺紋端頭之前的帶螺紋套筒的空擋部分。 螺桿會(huì)穿過(guò)碟形彈簧和帶螺紋套筒、帶螺紋端頭。 其中套筒、端頭加壓墊片采用Q235 鋼材制作，摩擦材料選用高硬度的丁腈橡膠制成。

圖2 阻尼器裝配Fig.2 Assembly of damper

1.2 自復(fù)位變摩擦阻尼器工作原理

自復(fù)位變摩擦阻尼器的工作原理主要是外部荷載作用于兩側(cè)端部連接件使螺桿發(fā)生位移，丁腈橡膠柱受到左右兩端的軸向壓力，進(jìn)而消耗地震傳遞的能量，阻尼器發(fā)揮耗能作用。 同時(shí)橡膠受壓會(huì)產(chǎn)生徑向變形，對(duì)帶螺紋套筒產(chǎn)生正壓力，當(dāng)正壓力增大時(shí)，摩擦力也會(huì)增大，阻尼器進(jìn)入變摩擦耗能階段。 當(dāng)外荷載作用消失后，碟形彈簧依靠其自身的彈性通過(guò)墊片使摩擦材料恢復(fù)到初始位置，阻尼器實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能，減少地震作用后的殘余變形。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 工況設(shè)置

本文設(shè)計(jì)的自復(fù)位變摩擦阻尼器部件的主要尺寸為：套筒總長(zhǎng)280mm，內(nèi)徑50mm，外徑60mm，兩端螺紋部分各占65mm。 螺桿總長(zhǎng)為330mm，直徑14mm。 墊片厚度5mm，內(nèi)徑14mm，外徑49mm。碟形彈簧尺寸45mm × 22.4mm × 1.75mm × 3.05（外徑×內(nèi)徑×厚度×自由高度）。 阻尼器實(shí)物如圖3所示。 為了探究丁腈橡膠柱長(zhǎng)度、硬度和加載位移幅值對(duì)阻尼器耗能能力的影響，共設(shè)計(jì)了7 個(gè)試件（見表1），分別記為試件1～7。

表1 摩擦阻尼器試件Table 1 Friction damper specimen

圖3 阻尼器Fig.3 Damper

阻尼器擬靜力試驗(yàn)共有3 個(gè)工況：①工況1保持丁腈橡膠柱硬度不變，在一定的加載速率和加載幅值情況下，探究丁腈橡膠柱長(zhǎng)度對(duì)阻尼器性能的影響；②工況2 保持丁腈橡膠柱長(zhǎng)度不變，在一定的加載速率和加載幅值情況下，探究橡膠硬度對(duì)阻尼器性能的影響；③工況3 保持丁腈橡膠柱長(zhǎng)度和硬度不變，探究加載幅值對(duì)阻尼器性能的影響。 工況1 和工況2 的加載位移幅值均保持±10mm，循環(huán)3 圈。 工況3 每循環(huán)3 圈改變一次位移幅值，加載位移幅值分別為±3mm，±6mm。

2.2 試驗(yàn)加載裝置

阻尼器的擬靜力試驗(yàn)由MTS 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成，如圖4 所示。 試驗(yàn)的加載方式采用位移控制，按JGJ／T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》進(jìn)行。 試驗(yàn)加載時(shí)，阻尼器通過(guò)上、下夾具垂直固定于試驗(yàn)機(jī)，其中，上部夾具與阻尼器傳力螺桿連接。

圖4 阻尼器試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Damper test loading device

2.3 力學(xué)參數(shù)定義

為了更精準(zhǔn)地分析各個(gè)工況下該阻尼器的力學(xué)性能，特定義3 個(gè)性能參數(shù)。

1）單圈循環(huán)耗能Wd

在一次拉壓循環(huán)工況中，阻尼器所形成的滯回曲線包絡(luò)面積代表阻尼器單位循環(huán)的耗能能力［15］。

2）等效割線剛度Keq

式中：Dmax和Dmin分別表示在一次拉壓循環(huán)中，阻尼器所產(chǎn)生的最大位移和最小位移；Fmax和Fmin分別表示在一次加載循環(huán)中，阻尼器所產(chǎn)生的最大輸出力和最小輸出力［16］。

3）等效阻尼比ξeq

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 丁腈橡膠柱長(zhǎng)度對(duì)阻尼器性能影響

不同橡膠柱長(zhǎng)度的阻尼器滯回曲線如圖5 所示，力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 不同橡膠柱長(zhǎng)度的阻尼器力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of the dampers for different rubber column lengths

圖5 不同橡膠柱長(zhǎng)度的阻尼器滯回曲線Fig.5 Damper hysteresis curves for different rubber column lengths

由圖5 可知，阻尼器所形成滯回曲線的面積隨著丁腈橡膠柱長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而逐漸增大，同時(shí)曲線的形態(tài)趨于飽滿。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)在加載完成后出現(xiàn)抖動(dòng)是因?yàn)椴捎玫牡螐椈芍g有微小的錯(cuò)動(dòng)位移。

由表2 可知，與試件1 相比，試件2，3 的橡膠柱長(zhǎng)度分別增加了10mm 和20mm，單圈耗能能力分別增加了79.44%和166.79%，增幅明顯；等效割線剛度分別增加了12.58%和19.26%，有較小幅度增加；等效阻尼比分別增加了26.69%和57.41%，說(shuō)明阻尼器的阻尼能力逐漸增強(qiáng)。

綜上所述，阻尼器中丁腈橡膠柱長(zhǎng)度逐漸增加，阻尼器耗散能量顯著增大，有利于降低結(jié)構(gòu)損傷，提高結(jié)構(gòu)耗能減震能力。

3.2 丁腈橡膠柱硬度對(duì)阻尼器性能影響

不同橡膠柱硬度的阻尼器滯回曲線如圖6 所示，力學(xué)參數(shù)如表3 所示。

表3 不同橡膠柱硬度的阻尼器力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the dampers of different rubber column hardness

圖6 不同橡膠柱硬度的阻尼器滯回曲線Fig.6 Damper hysteresis curve of different rubber column hardness

由圖6 可知，丁腈橡膠柱硬度為80HA 的阻尼器滯回曲線最為飽滿，但當(dāng)丁腈橡膠柱硬度增加到90HA 時(shí)，滯回曲線出現(xiàn)較大滑移量，耗能能力減弱，這是由于它作為一種高硬度橡膠，本身的黏彈性很小，受到相同位移帶來(lái)的軸向壓力時(shí)膨脹較小，需要更大的位移才能有足夠的徑向膨脹產(chǎn)生摩擦力。

由表3 可知，試件4、試件2、試件5 的橡膠柱硬度從70HA 增加到90HA，單位拉壓循環(huán)下吸收的能量先增大后減小，但總體呈增大趨勢(shì)；等效割線剛度隨丁腈橡膠柱硬度的增加而減小，但剛度減小的速度逐漸放緩；等效阻尼比與單圈耗能能力的變化規(guī)律相似，且增幅非常明顯。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，增大丁腈橡膠硬度可以有效增強(qiáng)阻尼器耗能能力，但超過(guò)一定范圍后，丁腈橡膠柱硬度過(guò)大會(huì)使徑向膨脹困難，阻尼器摩擦耗能效果減弱。

3.3 位移幅值對(duì)阻尼器性能影響

不同位移幅值阻尼器滯回曲線如圖7 所示，力學(xué)參數(shù)如表4 所示。

表4 不同位移幅值時(shí)阻尼器力學(xué)參數(shù)Table 4 Damper mechanical parameters of different displacement amplitude

圖7 不同位移幅值阻尼器滯回曲線Fig.7 Damper hysteresis curve of different displacement amplitude

由圖7 可知，在不同的位移幅值下，該阻尼器提供了不同的摩擦力，實(shí)現(xiàn)了變摩擦功能，且阻尼器的滯回曲線隨著位移幅值的增大逐漸趨向飽滿，體現(xiàn)出良好的抗震性能。

由表4 可知，當(dāng)阻尼器加載位移幅值由3mm 增加至10mm 時(shí)，阻尼器單圈耗能能力最大增幅為972.8%，等效阻尼比最大增幅為313.78%，從數(shù)據(jù)上可以直觀看出該阻尼器做到了“小震小位移少耗能，大震大位移多耗能”，等效割線剛度有所降低，有利于保護(hù)結(jié)構(gòu)主體。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 阻尼器有限元建模

在ABAQUS 軟件中原比例建立自復(fù)位摩擦阻尼器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，有限元模型裝配如圖8 所示。 部件材料定義與試驗(yàn)所采用的材料相對(duì)應(yīng)。 使用Mooney-Rivlin 模型定義自復(fù)位變摩擦阻尼器中摩擦材料本構(gòu)關(guān)系，具體參數(shù)根據(jù)橡膠單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。 碟形彈簧使用線單元彈簧模擬，橡膠柱根據(jù)橡膠試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合。 其余構(gòu)件的材料基本參數(shù)如表5 所示。

表5 有限元模型各構(gòu)件基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of each component of the finite element model

圖8 阻尼器模型裝配剖面Fig.8 Damper model assembly profile

為簡(jiǎn)化分析、降低模型的收斂難度，碟形彈簧在ABAQUS 軟件中不采用實(shí)體單元模擬，而是使用軸向連接類型進(jìn)行定義，具體步驟是將加壓墊片構(gòu)件4 等分后在相應(yīng)位置環(huán)向布置4 個(gè)大小相等的軸向連接，并將碟形彈簧的剛度平均分配到4 個(gè)軸向連接上，單片碟形彈簧計(jì)算剛度取3 442N／mm。

模型網(wǎng)格劃分（除橡膠）均采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元（C3D8R），橡膠選用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮雜交單元（C3D8RH）模擬，網(wǎng)格劃分如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)格劃分Fig.9 Mesh partition

在摩擦阻尼器的模型中，接觸方式為面對(duì)面的接觸方式，選擇剛度較大部件的接觸面為主面，剛度較小部件的接觸面為從面。 橡膠摩擦材料的側(cè)面與鋼管套筒的接觸關(guān)系中，套筒的內(nèi)表面作為主面。 橡膠摩擦材料的上下表面與加壓墊片的接觸關(guān)系中墊片為主面，橡膠作為從面。

在模型中，摩擦橡膠塊與外摩擦鋼管之間設(shè)置為庫(kù)侖摩擦接觸，有限元模型中的摩擦系數(shù)取實(shí)測(cè)值0.85，摩擦橡膠塊與加壓墊片之間采用硬接觸。

在模型中將套筒2 段用帶孔圓片進(jìn)行封閉，圓片與套筒用Tie 綁定。 邊界條件設(shè)置套筒一端完全固定，螺桿采用位移控制法設(shè)置一個(gè)軸向的反復(fù)運(yùn)動(dòng)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與模擬值對(duì)比分析

試驗(yàn)結(jié)果與模擬值的對(duì)比如圖10 所示，裝配丁腈橡膠硬度為70HA、長(zhǎng)度為40mm 的摩擦阻尼器試驗(yàn)及模擬的正向最大承載力相差1.7%，負(fù)向最大承載力相差2.8%，滯回環(huán)面積相差14.9%。 裝配丁腈橡膠硬度為80HA、長(zhǎng)度為40mm 的摩擦阻尼器試驗(yàn)及模擬的正向最大承載力相差8.7%，負(fù)向最大承載力相差0.4%，滯回環(huán)面積相差8.1%。 裝配丁腈橡膠硬度為90HA、長(zhǎng)度為40mm 的摩擦阻尼器試驗(yàn)及模擬的正向最大承載力相差1.5%，負(fù)向最大承載力相差6.9%，滯回環(huán)面積相差2.3%。 裝配丁腈橡膠硬度為80HA、長(zhǎng)度為50mm 的摩擦阻尼器試驗(yàn)及模擬的正向最大承載力相差12.3%，負(fù)向最大承載力相差5.9%，滯回環(huán)面積相差7.6%。

圖10 阻尼器模型與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of the damper model with the test hysteresis curve

由此可知，模擬的滯回曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在15%以內(nèi)，且模擬得出的數(shù)值均比試驗(yàn)得出的數(shù)值大，分析原因在于模擬過(guò)程中橡膠沒有磨損，而試驗(yàn)中橡膠膨脹摩擦過(guò)后會(huì)有一定的磨損。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用橡膠的耗能特性和碟形彈簧的復(fù)位功能，研發(fā)了一種針對(duì)木結(jié)構(gòu)的小噸位自復(fù)位變摩擦阻尼器，通過(guò)對(duì)其滯回性能的試驗(yàn)研究和有限元模擬，得到以下結(jié)論。

1）當(dāng)圓柱狀橡膠摩擦材料硬度一定時(shí)，隨著橡膠摩擦材料長(zhǎng)度的增加，其摩擦接觸面上的面積增加，且單位長(zhǎng)度變形增加，阻尼器的耗能性能得到提升。

2）在一定范圍內(nèi)，阻尼器的抗震性能隨橡膠硬度的增大而提高。 裝配橡膠摩擦材料為邵氏硬度80HA 的阻尼器既能產(chǎn)生較大的摩擦耗能又能產(chǎn)生一定的黏彈變形耗能。 但當(dāng)其值超過(guò)某一橡膠硬度后，阻尼器的抗震性能會(huì)出現(xiàn)降級(jí)現(xiàn)象。

3）當(dāng)圓柱狀橡膠摩擦材料長(zhǎng)度和硬度一定時(shí)，該阻尼器的耗能能力與加載位移幅值呈正相關(guān)特性。

4）模擬的滯回曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，誤差均在15%以內(nèi)。 以后的研究中可增加螺桿的強(qiáng)度等級(jí)或者選用更大直徑的螺桿。