基于NAO材料的摩擦耗能器低周反復試驗

黃小剛　 周　臻　 蔡小寧　 李德猛　 朱冬平

(1東南大學土木工程學院, 南京 210096)(2淮海工學院土木工程學院, 連云港 222005)

?

基于NAO材料的摩擦耗能器低周反復試驗

黃小剛1周臻1蔡小寧2李德猛1朱冬平1

(1東南大學土木工程學院, 南京 210096)(2淮海工學院土木工程學院, 連云港 222005)

針對摩擦耗能自復位結(jié)構(gòu),采用非石棉有機物(NAO)作為摩擦材料,設(shè)計了一種新型摩擦耗能器,開展了不同加載制度、加載速率和螺栓扭矩工況下的低周反復試驗,并與基于傳統(tǒng)摩擦材料黃銅的耗能器進行了對比試驗.結(jié)果表明,在常幅加載下NAO耗能器和黃銅耗能器的耗能性能均未出現(xiàn)減小,但NAO耗能器在滑動過程中的噪聲明顯小于黃銅,摩擦力抖動幅度分別約為2%和28%.隨著加載速率的增加,黃銅耗能器摩擦力上下限平均值的差值與下限平均值的比值從28.2%減小到19.5%,而NAO耗能器的摩擦力則較為穩(wěn)定.隨著螺栓扭矩的增大,NAO耗能器的平均摩擦力增大約71.8%,而采用黃銅時僅增大約37.1%.因此,與黃銅耗能器相比,NAO耗能器具有更好的耗能能力、舒適度和穩(wěn)定性.

摩擦耗能器;非石棉有機物材料;黃銅;耗能;低周反復加載

近年來,基于分災-耗能理論的震后可恢復結(jié)構(gòu)成為結(jié)構(gòu)工程抗震領(lǐng)域的研究熱點[1],學者們提出了多種類型的功能可恢復結(jié)構(gòu)體系[2-4].摩擦耗能型自復位結(jié)構(gòu)就是一種典型的可恢復結(jié)構(gòu)體系,其原理在于將后張預應力技術(shù)與摩擦耗能技術(shù)有效融合,使結(jié)構(gòu)體系兼具良好的耗能能力和殘余變形控制能力.Lin等[2]在自復位梁柱節(jié)點中采用黃銅作為摩擦材料進行耗能;Erochko[3]在自復位支撐(SCED)中多個位置處設(shè)置摩擦耗能器;Guo等[4]在自復位墻與重力柱之間設(shè)置摩擦型耗能器,并采用黃銅作為摩擦材料;周臻等[5]在套筒-預拉桿式自復位框架的梁底設(shè)置了摩擦耗能器,利用內(nèi)外套筒的相對變形實現(xiàn)摩擦耗能.

自復位結(jié)構(gòu)對單個摩擦片的耗能能力要求不高,但需要其性能穩(wěn)定,且相對滑動時噪聲應盡可能小.周云等[6]發(fā)現(xiàn)摩擦片的類型與性能對摩擦耗能支撐的性能有較大影響.已有的摩擦耗能器大多采用黃銅作為摩擦材料,但黃銅存在摩擦過程中噪聲較大、易出現(xiàn)劃痕等缺點[7].非石棉有機物(NAO)材料因其良好的耐久性能,一直是市場上主要的機械用制動摩擦材料[8-9],但較少應用于土木工程摩擦耗能器中[10-11].Monir等[12]對一種新型摩擦耗能器進行了常幅加載,摩擦片通過螺栓固定在2塊鋼條之間,鋼板繞摩擦片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生耗能,但該構(gòu)造得到的滯回曲線會出現(xiàn)正負2個位移方向摩擦力不平衡的現(xiàn)象,且不便于在自復位結(jié)構(gòu)中安裝.

本文采用NAO作為摩擦材料,綜合考慮耗能器的耗能能力和自復位結(jié)構(gòu)中的安裝情況[13],設(shè)計了一種新型摩擦耗能器,開展了不同工況下的滯回性能試驗,并與傳統(tǒng)黃銅進行了對比,以分析地震作用下NAO材料在摩擦耗能器中使用的可行性.

1　摩擦耗能器構(gòu)造

摩擦耗能器的基本原理在于通過摩擦板的相對運動產(chǎn)生摩擦耗能.如圖1(a)所示,在自復位梁柱節(jié)點中,外摩擦板與梁相連,內(nèi)摩擦板與柱相連,梁柱節(jié)點間隙張開變形帶動摩擦板相對運動,實現(xiàn)摩擦耗能.如圖1(b)所示,在自復位支撐中,外摩擦板與外套筒相連,內(nèi)摩擦板與內(nèi)套筒相連,支撐變形帶動內(nèi)外套筒相對錯動,從而實現(xiàn)摩擦耗能.

針對摩擦耗能型自復位結(jié)構(gòu),本文設(shè)計了三明治式摩擦耗能器,其構(gòu)造見圖2.摩擦耗能器主要由1塊內(nèi)摩擦板、2塊外摩擦板、端固板、摩擦材料和高強螺栓等組成.

(a)自復位梁柱節(jié)點

(b) 自復位支撐

本試驗采用了NAO和黃銅2種摩擦材料進行對比.內(nèi)、外摩擦板通過摩擦型高強螺栓組裝在一起,內(nèi)摩擦板與端固板夾在2個外摩擦板之間,兩端均伸出60 mm用于加載時端部固定,材料均采用Q235鋼材,各部件如圖2(a)所示.不銹鋼通過環(huán)氧樹脂與內(nèi)摩擦板粘接成整體,并通過四周點焊來加強.在外摩擦板螺孔兩側(cè)各預留了2個深3 mm的凹槽,并采用環(huán)氧樹脂將摩擦材料固定在凹槽中,這樣既避免摩擦材料在滑動過程中與外摩擦板發(fā)生剝離,又可以使摩擦材料在預緊力作用下受凹槽約束而處于多軸受壓狀態(tài).在摩擦耗能器滑動過程中,通過內(nèi)摩擦板上的不銹鋼與外摩擦板上的摩擦材料滑動摩擦產(chǎn)生耗能,其組裝后的示意圖和構(gòu)件尺寸分別見圖1(b)和(c).本試驗采用的端固板及鋼墊板2僅用于加載時端部固定,在安裝至自復位結(jié)構(gòu)或支撐時并不需要.

2　試驗方案

試驗在東南大學九龍湖校區(qū)材料科學與工程學院實驗中心完成.試驗中采用MTS810加載試驗機,主機載荷容量為25 t,加載方式采取位移控制.摩擦耗能器被兩端夾具夾緊,加載時上端固定,由下端作動器進行往復加載.將試驗機與計算機相連,實時記錄荷載-位移曲線.

(a) 各部件實物

(b) 組裝后耗能器立面圖

(c) 組裝后耗能器平面圖

摩擦耗能器實物和試驗加載裝置如圖3所示.

圖3　加載裝置

NAO材料根據(jù)其合成材料中芳香纖維、陶瓷纖維和礦物纖維等的含量不同而有所區(qū)別,其低溫(<200 ℃)耐磨性好,密度較小(1.9～2.0 g/cm3),但其抗壓強度較低,約為108～184 MPa[9,14].黃銅作為金屬摩擦材料,長期使用時容易出現(xiàn)銹蝕,但具有強度大、耐熱溫度高的優(yōu)點.這2種材料的抗壓強度有所區(qū)別,因此本文分析了螺栓預緊力變化時2種材料在不同受壓強度下的摩擦性能.此外,為了盡可能還原摩擦耗能器在地震作用下的受力過程[15],本文還研究了滑動位移幅值、滑移速率、加載循環(huán)圈數(shù)和加載制度的變化對摩擦耗能器滯回性能的影響.

表1給出了5種工況下采用的螺栓扭矩和加載方案.設(shè)計參數(shù)為螺栓扭矩、加載速率和振幅.采用的3種加載制度如圖4所示.由圖可知,方案1為振幅保持不變,循環(huán)3圈;方案2為每循環(huán)3圈改變1次振幅;方案3為振幅保持不變,循環(huán)15圈.

表1　摩擦耗能器加載工況

3　試驗結(jié)果與分析

首先采用NAO作為摩擦材料進行試驗,試驗結(jié)果如圖5所示.為分析最大靜摩擦力與滑動摩擦力的差別,在工況1下對試件進行了試加載,其加載位移幅值和加載速率均較小,最大靜摩擦力約為54.3 kN,平均滑動摩擦力為42.8 kN.工況2下,變幅加載時滑動摩擦力基本保持不變,拉壓2個方向滯回性能較為對稱.工況3下,加載速率增大后摩擦力略有減小,在一定的加載速率范圍內(nèi)可以忽略其影響.工況4下,常幅加載時試驗滯回曲線較為平穩(wěn),材料性能穩(wěn)定,耗能效果理想.工況5下,改變螺栓預緊力對試驗結(jié)果影響較大,隨著螺栓預緊力的逐步增大,NAO材料受到的法向力不斷變大,但試驗曲線保持較好的平穩(wěn)性.當螺栓扭矩分別為200,300和400 N·m時,摩擦力均值比約為1∶1.7∶2.7,這是因為螺栓預緊力增大后NAO材料表面易出現(xiàn)劃痕,從而導致摩擦系數(shù)增大.

整個試驗過程中摩擦耗能器產(chǎn)生的噪聲較小,試驗結(jié)束后將內(nèi)外摩擦板取出,發(fā)現(xiàn)NAO材料表面僅出現(xiàn)了些許劃痕,并沒有明顯的碎片剝落現(xiàn)象(見圖5(f)).

圖4　不同加載制度

圖5　NAO材料的試驗結(jié)果

然后,將摩擦材料更換為黃銅后再次進行試驗,仍然采用表1所示的加載工況,得到的滯回曲線如圖6所示.由圖可知,工況1下,采用黃銅時的滯回曲線上下抖動幅度較大,同時從感官上來講伴隨著很大的金屬摩擦噪聲,而NAO材料在試驗摩擦過程中始終較為安靜.工況2下,變幅加載時黃銅的曲線仍出現(xiàn)較大抖動,但隨著幅值的增加,摩擦力抖動幅度略有減小.工況3下,黃銅耗能器摩擦力抖動仍遠大于NAO材料,但隨著加載速率的增大,2種材料的摩擦力抖動均有所減小.在不同加載速率下,NAO耗能器的摩擦力基本接近于采用黃銅時摩擦力的上限值.當應變速率為3 mm/s時,NAO材料的摩擦力超過了采用黃銅時的摩擦力.工況4下,常幅連續(xù)循環(huán)時2種材料均沒有出現(xiàn)嚴重的摩擦力退化現(xiàn)象,黃銅耗能器的摩擦力上下限平均值的差值與下限平均值的比值為28%,采用NAO材料時則為2%.工況5下,改變螺栓預緊力對試驗結(jié)果影響較大,隨著螺栓扭矩的增加,NAO耗能器摩擦力的增長速率大于黃銅耗能器.

采用黃銅作為摩擦材料時,整個試驗過程均伴隨很大的摩擦噪聲.試驗結(jié)束后,試件下方出現(xiàn)大量剝落的黃銅碎片,磨碎的不銹鋼內(nèi)嵌于刻痕中(見圖6(i)),可見黃銅的耐磨性不如NAO材料.

摩擦耗能器采用不同材料時的平均動摩擦力與加載速率的關(guān)系見圖7.由于加載過程中這2種材料產(chǎn)生的摩擦力均存在一定波動,因此對加載中每一步的上限值和下限值分別進行了平均.從圖中可以看出,2種材料產(chǎn)生的摩擦力上下限平均值的差值均隨加載速率增大而減小.當加載速率從1 mm/s增大到3 mm/s時,黃銅耗能器的摩擦力上下限平均值的差值與下限平均值的比值從28.2%減小到19.5%.而在不同加載速率下,NAO耗能器的摩擦力較為穩(wěn)定.

采用不同材料的耗能器的平均動摩擦力與螺栓扭矩的關(guān)系如圖8所示.由圖可知,2種材料產(chǎn)生的摩擦力與螺栓扭矩近似呈線性關(guān)系.但隨著扭矩的增大,黃銅耗能器的摩擦力上下限平均值的差值與下限平均值的比值保持在20.7%～28.9%;NAO耗能器的摩擦力上下限平均值差值隨螺栓扭矩呈減小的趨勢,當螺栓扭矩為400 N·m時,其上下限平均值的差值與下限平均值的比值僅為3.5%.此外,當螺栓扭矩從200 N·m增大到400 N·m時,NAO耗能器的摩擦力平均值隨扭矩增大約71.8%,而黃銅僅增大約37.1%;這可能是因為NAO材料的泊松比大于黃銅的泊松比,在預緊力作用下其橫向變形受凹槽約束,因而在相同扭矩下產(chǎn)生了更大的摩擦力.

圖6　2種摩擦材料的試驗結(jié)果對比

圖7　摩擦力-加載速率曲線

圖8　摩擦力-扭矩曲線

綜上所述,NAO材料在土木工程中使用時應注意:① 摩擦耗能裝置中宜采用抗壓強度較低的NAO材料;② NAO材料耐熱性較低,不宜于在200 ℃以上的高溫極端情況下使用;③ 采用環(huán)氧樹脂將NAO材料固定在摩擦板時宜設(shè)置凹槽以防止其滑脫.使用黃銅時應注意:① 摩擦保護裝置宜采用抗壓強度較高的黃銅;② 為減小黃銅在摩擦時產(chǎn)生的抖動,盡量使黃銅摩擦片表面保持平整.

4　結(jié)論

1) 在整個加載過程中,NAO耗能器的摩擦力比采用黃銅時更穩(wěn)定.黃銅耗能器的滯回曲線上下抖動幅度較大,同時伴隨較大的摩擦噪聲.2種材料均沒有出現(xiàn)明顯的摩擦力退化現(xiàn)象.試驗結(jié)束后,NAO材料僅表面出現(xiàn)些許劃痕,而黃銅則有大量碎片剝落.

2) 隨著加載速率的增大,2種材料的摩擦力抖動均有所減小.當加載速率從1 mm/s增大到3 mm/s時,黃銅上下限平均值的差值與下限平均值的比值從28.2%減小到19.5%.不同加載速率下,采用NAO材料的摩擦力較為穩(wěn)定.

3) 隨著螺栓預緊力的增大,2種材料的摩擦力均逐漸增加.當螺栓扭矩從200 N·m增大到400 N·m時,NAO耗能器的平均摩擦力增大約71.8%,而采用黃銅時僅增大約37.1%.同時,NAO材料可以保持較好的穩(wěn)定性.

4) 常幅加載和變幅加載對2種材料產(chǎn)生的摩擦力均未出現(xiàn)減小.

References)

[1]Chancellor N B, Eatherton M R, Roke D A, et al. Self-centering seismic lateral force resisting systems: High performance structures for the city of tomorrow[J].Buildings, 2014, 4(3): 520-548.DOI:10.3390/buildings4030520.

[2]Lin Y C, Sause R, Ricles J M. Seismic performance of steel self-centering, moment-resisting frame: Hybrid simulations under design basis earthquake[J].JournalofStructuralEngineering, 2013, 139(11): 1823-1832. DOI:10.1061/(asce)st.1943-541x.0000745.

[3]Erochko J A. Improvements to the design and use of post-tensioned self-centering energy dissipative (SCED) braces[D]. Toronto,Canada: University of Toronto, 2013.

[4]Guo T, Zhang G D, Chen C. Experimental study on self-centering concrete wall with distributed friction devices[J].JournalofEarthquakeEngineering, 2014,18(2): 214-230. DOI:10.1080/13632469.2013.844211.

[5]周臻,謝欽,李德猛, 等. 一種新型后張預應力式自定心框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與滯回性能分析[J].土木工程學報,2014,47(S2): 210-214.

Zhou Zhen,Xie Qin, Li Demeng, et al.Structure and hysteretic performance analysis of a novel post-tensioned self-centering frame[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2014, 47(S2): 210-214(in Chinese).

[6]周云,劉季. 兩種摩擦耗能器的比較試驗研究[J].地震工程與工程振動, 1997,17(1): 40-48.

Zhou Yun, Liu Ji. Comparative experimental study on the behavior of two different energy dissipation brace based on friction[J].EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration, 1997, 17(1): 40-48. (in Chinese)

[7]張鵬. 采用摩擦耗能支撐加固震損框架抗震性能試驗研究[D].廈門: 華僑大學土木工程學院, 2012.

[8]朱攀. 車輛制動摩擦材料關(guān)鍵特性的研究及檢測方法[D]. 武漢: 武漢理工大學材料科學與工程學院, 2006.

[9]員榮平.制動摩擦材料的性能評價、環(huán)境友好性和摩擦機理研究[D].北京:北京化工大學材料科學與工程學院,2010.

[10]Kim H-J, Christopoulos C. Friction damped posttensioned self-centering steel moment-resisting frames[J].JournalofStructuralEngineering, 2008, 134(11): 1768-1779. DOI:10.1061/(asce)0733-9445(2008)134:11(1768).

[11]Tsai K C, Chou C C, Lin C L, et al. Seismic self-centering steel beam-to-column moment connections using bolted friction devices[J].EarthquakeEngineering&StructuralDynamics, 2008, 37(4): 627-645. DOI:10.1002/eqe.779.

[12]Monir H S, Zeynali K. A modified friction damper for diagonal bracing of structures[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2013, 87:17-30. DOI:10.1016/j.jcsr.2013.04.004.

[13]Iyama J, Seo C Y, Ricles J M, et al. Self-centering MRFs with bottom flange friction devices under earthquake loading[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2009, 65(2): 314-325. DOI:10.1016/j.jcsr.2008.02.018.

[14]Kim H J. Self-centering steel moment-resisting frames with energy dissipating systems [D]. Toronto,Canada: University of Toronto, 2007.

[15]左曉寶, 李愛群, 倪立峰, 等. 一種超彈性SMA復合阻尼器的設(shè)計與試驗[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2004, 34(4): 459-463. DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2004.04.009.

Zuo Xiaobao, Li Aiqun, Ni Lifeng, et al. Design and experimental investigation of superelasticsma damper[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2004, 34(4): 459-463. DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2004.04.009.(in Chinese)

Static cyclic tests of frictional energy dissipating device based on non-asbestos organic material

Huang Xiaogang1Zhou Zhen1Cai Xiaoning2Li Demeng1Zhu Dongping1

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096,China) (2School of Civil Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China)

As for the frictional energy dissipating self-centering structures, a novel frictional energy dissipating device (FED) using non-asbestos organic (NAO) as frictional material was developed. The static cyclic tests with different loading systems, loading rates and bolt torques on the FED were carried out, and the comparison experiments with the FED based on traditional friction material brass were conducted. The results show that the energy dissipation of the FED based on NAO and the one based on brass does not decrease under constant amplitude loading, but the noise of the former is obviously smaller during the frictional process. The friction fluctuation ratio of the FED based on NAO and the one based on brass are about 2% and 28%, respectively. With the increase of the loading rate, as for the FED based on brass, the ratio of the difference between the average upper and the average lower limit values of the friction force to the average lower limit value decreases from 28.2% to 19.5%, while the friction force of the FED based on NAO keeps stable. With the increase of the bolt torque, the average friction force of the FED based on NAO increases by about 71.8% while that of the FED based on brass only about 37.1%. Therefore, compared with the FED based on brass, the FED based on NAO exhibits higher energy dissipating capacity, comfort and stability.

friction energy dissipating device; non-asbestos organic material; brass; energy dissipation; static cyclic loads

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.030

2016-02-21.作者簡介: 黃小剛(1990—)，男，博士生；周臻(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，seuhj@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51208095,51508220)、江蘇省自然科學基金資助項目( BK20130408)、江蘇省“六大人才高峰”資助項目(JZ-003).

TU375.4

A

1001-0505(2016)05-1076-06

引用本文: 黃小剛，周臻,蔡小寧,等.基于NAO材料的摩擦耗能器低周反復試驗[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(5):1076-1081. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.030.