結(jié)構(gòu)振動控制中金屬型阻尼器的研究進展

王旭東

(無錫市民用建筑設(shè)計院有限公司，江蘇無錫 214072)

0 引言

在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中，早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器(或減震器)來減振消能。從20世紀70年代后，人們開始逐步地把這些技術(shù)轉(zhuǎn)用到建筑、橋梁、鐵路等結(jié)構(gòu)工程中。隨著經(jīng)濟水平和建筑技術(shù)的提高，對結(jié)構(gòu)的安全性、舒適性和耐久性也提出了更高的要求，從而使結(jié)構(gòu)振動控制成為近年來的研究熱點。結(jié)構(gòu)振動控制大體上來說可分為主動控制、被動控制、半主動控制、混合控制和智能控制。阻尼器作為耗散振動能量的最有效手段，可單獨使用在結(jié)構(gòu)中，也可與其他控制方法結(jié)合使用，減震效果較好，適用范圍較廣。

金屬阻尼器作為阻尼器的一種，其原理是在建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形前首先發(fā)生屈服，以耗散大部分地面運動傳遞給建筑結(jié)構(gòu)的能量。早在1972年，Kelly等［1］就提出利用金屬良好的滯回特性，吸收大量能量以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。目前常用的金屬阻尼器有:軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和形狀記憶合金阻尼器。

1 軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點，因此阻尼輪引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已在一些建筑物上開始應(yīng)用。此類阻尼器的構(gòu)造簡單，震后更換方便，且減震機理明確，效果顯著。缺點是:可恢復(fù)性差，其滯回耗能性能受其形狀的影響較為顯著，如形狀制作不合適，會引起滯回環(huán)的畸變。

圖1是一種單圓孔形軟鋼阻尼器。

圖1 單圓孔形軟鋼阻尼器

國外已有不少采用軟鋼阻尼器的建筑，但在我國的應(yīng)用還很少。近年來，針對軟鋼阻尼器的研究主要有:徐艷紅等［2］提出的一種拋物線外形的軟鋼阻尼器，其具有全長截面同時屈服的特點，可充分發(fā)揮軟鋼的材料功效，如圖2所示。

李鋼等［3，4］提出了初始剛度較大且屈服后具有良好變形耗能能力兩個特點的“雙功能”軟鋼阻尼器，并對裝有該阻尼器的框架結(jié)構(gòu)進行了模擬地震振動臺試驗與分析。

高杰等［5］對中國建筑科學(xué)研究院的JY-SS型金屬剪切型軟鋼阻尼器開展了試驗。

圖2 拋物線外形的軟鋼阻尼器

章平平等［6］提出了一種U形軟鋼阻尼器，并根據(jù)該阻尼器的受力特點，建立了相應(yīng)的力學(xué)分析模型。

王爽等［7］設(shè)計了分別開橢圓形孔和菱形孔的兩種新型H型鋼耗能器，研究了開孔形狀、肢寬與肢高等參數(shù)對新型耗能器耗能性能的影響。

2 鉛阻尼器

鉛具有高密度、高剛度、低阻尼、較好的柔性和延展性，在變形過程中可以吸收大量能量，并且由于熔點較低，其變形將會同時發(fā)生動態(tài)恢復(fù)及動態(tài)再結(jié)晶過程，理論上在室溫下作塑性循環(huán)不會發(fā)生累計疲勞現(xiàn)象，因此是一種耗能減震的好材料。根據(jù)鉛的變形特性不同可制成不同的阻尼器，如擠壓型阻尼器、剪切型阻尼器等，也可作為隔震支座中提供阻尼的部件，如鉛芯橡膠隔震支座。

近年來，針對鉛阻尼器的研究主要有:閆維明等［9］開發(fā)了一種具有變形放大功能的轉(zhuǎn)動式鉛剪切阻尼器，并對其影響參數(shù)和耗能性能進行了有限元分析和試驗研究，如圖3所示。隨后，對鉛擠壓阻尼器進行了數(shù)值模擬與試驗［10］，對影響鉛擠壓阻尼器滯回性能的各種參數(shù)進行了研究。

圖3 轉(zhuǎn)動式鉛剪切阻尼器

楊明飛，徐趙東等［11，12］研究了鉛擠壓阻尼器中鉛的受力特點，考慮灌鉛過程中可能引起阻尼器內(nèi)部出現(xiàn)的空隙對鉛擠壓阻尼器滯回曲線的影響，修正了剛塑性模型，并對鉛擠壓阻尼器在大跨空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的減震效果進行了分析。周云等［13，14］研制的鉛粘彈性阻尼器由鉛芯、粘彈性材料等組成，通過鉛芯的塑性變形和粘彈性材料的剪切滯回變形耗能，具有位移相關(guān)型阻尼器和速度相關(guān)型阻尼器復(fù)合特性，如圖4所示。同時，周云等［15］也進行鋼粘彈性阻尼器的開發(fā)研究。

圖4 圓形鉛橡膠阻尼器

3 形狀記憶合金(SMA)阻尼器

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)作為一種智能材料，具有奇特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性和高阻尼特性。利用SMA的超彈性和阻尼特性制作的被動耗能阻尼器與其他阻尼器相比，具有耐久性和耐腐蝕性能好、使用周期長、變形大且可自復(fù)位等優(yōu)點。目前針對它的研究，主要集中在利用超彈性SMA絲，開發(fā)不同形狀、不同構(gòu)造的阻尼器。近年來，針對形狀記憶合金阻尼器的研究主要有:李惠等［16］研究了利用NiTi形狀記憶合金絲的超彈性性能進行結(jié)構(gòu)振動控制，并將新型SMA阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)模型上進行了地震模擬振動臺試驗。李宏男，錢輝等［17，18］設(shè)計了新型的SMA阻尼器，通過試驗研究了該阻尼器在循環(huán)荷載作用下不同位移幅值、不同加載頻率和不同初始位移條件下的力學(xué)性能;并研制了一種兼具自復(fù)位功能和高耗能的形狀記憶合金復(fù)合摩擦阻尼器，該阻尼器由超彈性形狀記憶合金絲復(fù)位裝置和摩擦耗能裝置組成，通過試驗研究了它在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能，考察了初始應(yīng)變、位移幅值、摩擦力和加載頻率對其力學(xué)性能的影響，如圖5所示。黃襄云等［19］通過試驗，研究了溫度、加載速率、應(yīng)變幅值、循環(huán)次數(shù)、施加預(yù)應(yīng)力等因素對SMA和一種CT形SMA阻尼器的影響。

圖5 SMA復(fù)合摩擦阻尼器

4 結(jié)語

金屬型阻尼器因其滯回性能好，減震機理明確而得到較為廣泛的應(yīng)用，也成為結(jié)構(gòu)振動控制的重要研究方向。由于阻尼器的主要材料較為固定，因此阻尼器的形狀和構(gòu)造對其性能的影響最為關(guān)鍵，也是研究的熱點所在。可通過數(shù)值模擬的方法對形狀進行優(yōu)選，再輔以少量試驗，以提高研究的效率，節(jié)省研究成本。

［1］Kelly JM，Skinner R I，Heine A J．Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］．Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63-88．

［2］徐艷紅，李愛群，黃 鎮(zhèn)．拋物線外形軟鋼阻尼器試驗研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)，2011，32(12):202-209．

［3］李 鋼，李宏男．新型軟鋼阻尼器的減震性能研究［J］．振動與沖擊，2006，25(3):66-72．

［4］李 鋼，李宏男．裝有“雙功能”軟鋼阻尼器框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗與分析［J］．振動與沖擊，2010，29(8):164-168．

［5］高 杰，薛彥濤．JY-SS-I型金屬軟鋼阻尼器試驗研究［J］．土木工程與管理學(xué)報，2011，28(3):336-338．

［6］章平平，左曉寶．U型軟鋼阻尼器的設(shè)計及力學(xué)性能分析［J］．江蘇建筑，2012(1):46-49．

［7］王 爽，張春梅，周 云．新型開孔H型鋼阻尼器有限元分析［J］．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2012，32(3):346-352．

［8］章叢俊，李愛群，趙 明．軟鋼阻尼器耗能減震結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用綜述［J］．工業(yè)建筑，2006，36(9):17-21．

［9］閆維明，劉 猛．新型鉛剪切阻尼器的數(shù)值模擬試驗研究［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，34(12):1286-1290．

［10］閆維明，蘇 亮．鉛擠壓阻尼器的數(shù)值模擬與試驗［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，36(8):1099-1103．

［11］楊明飛，徐趙東．考慮空隙率修正的鉛擠壓阻尼器剛塑性模型［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，40(3):85-88．

［12］楊明飛，徐趙東．鉛擠壓阻尼器對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的減振控制［J］．東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，42(4):713-718．

［13］周 云，吳從曉．鉛粘彈性阻尼器的開發(fā)、研究與應(yīng)用［J］．工程力學(xué)，2009，26(2):80-90．

［14］周 云，徐 昕．扇形鉛粘彈性阻尼器的設(shè)計及數(shù)值仿真分析［J］．土木工程與管理學(xué)報，2011，28(2):1-6．

［15］吳從曉，周 云．鋼鉛粘彈性阻尼器試驗研究［J］．工程力學(xué)，2012，29(3):150-155．

［16］毛晨曦，李 惠，歐進萍．形狀記憶合金被動阻尼器及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制試驗研究和分析［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，26(3):38-44．

［17］李宏男，錢 輝．一種新型SMA阻尼器的試驗和數(shù)值模擬研究［J］．振動工程學(xué)報，2008，21(2):179-184．

［18］錢 輝，李宏男．形狀記憶合金復(fù)合摩擦阻尼器設(shè)計及試驗研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32(9):58-64．

［19］黃襄云，王鳳華．SMA超彈性阻尼特性的試驗研究［J］．廣州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，8(1):46-52．