具有位移放大功能的耗能減震器及減震性能研究

沈國(guó)棟，何芝仙，丁 坤

(安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑越來(lái)越多，但由于不確定性和突發(fā)性的臺(tái)風(fēng)、地震作用，會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大的振動(dòng)和破壞，甚至造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此提高這些結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震性能一直是工程師們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是所謂“硬抗”的被動(dòng)抗震設(shè)計(jì)方法[1]，即依靠結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和塑型變形能力來(lái)抵抗地震荷載的作用。近年來(lái)發(fā)展了一種積極的消能減震設(shè)計(jì)方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。減震器是消能減震結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，類型很多，其中摩擦型耗能減震器因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作容易、成本低等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震及加固。目前應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震的摩擦型耗能減震器主要有A.S.Pall[2]發(fā)明的Pall型摩擦型消能器,Akin[3]等提出的Sumitomo摩擦型消能器以及歐進(jìn)萍[4]等研制的Pall型改進(jìn)型T型芯板摩擦阻尼器。這些減震器的預(yù)緊螺栓預(yù)緊力確定時(shí)，減震器的摩擦力保持不變，當(dāng)起滑摩擦力設(shè)置過(guò)低時(shí)，則耗能效率低下，反之，當(dāng)起滑摩擦力設(shè)置過(guò)大時(shí)，減震器在小震作用下可能無(wú)法達(dá)到其起滑位移即無(wú)能量的消耗。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般以強(qiáng)震下受力為前提設(shè)置起滑摩擦力，則在小震和風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)物振動(dòng)位移較小，由于設(shè)置的起滑摩擦力過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有耗能減震器不工作無(wú)能量消耗，不能兼顧結(jié)構(gòu)小位移工作條件下耗能效率和強(qiáng)震工作條件下結(jié)構(gòu)減震需求。為了克服現(xiàn)有摩擦型耗能減震器的上述缺點(diǎn)和自適應(yīng)差的不足[5]，許多學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究并提出改進(jìn)措施[6]。如王偉[7-8]等提出的變摩擦力的永磁摩擦耗能減震器和電磁摩擦耗能減震器;張偉岳[9]提出了具有多級(jí)起滑力的摩擦型耗能減震器;Samani[10]等提出了一種可變摩擦阻尼器;Ozbulut[11]利用了記憶合金結(jié)合變阻尼器特性提出了自復(fù)位變摩擦耗能的減震器等。這些減震器有著變摩擦力的特性，在一定程度上改善了摩擦耗能減震器的減震性能。

研究提出了一種具有位移放大功能的機(jī)械傳動(dòng)式摩擦耗能減震器，其特點(diǎn)是它可以將建筑物兩點(diǎn)之間微小位移進(jìn)行非線性放大后傳遞到摩擦耗能部位，與現(xiàn)有傳統(tǒng)減震器相比，有著更小的起滑力或起滑位移，保證了結(jié)構(gòu)在發(fā)生微小位移工作條件下減震器具有較好的耗能能力；同時(shí)阻尼力與位移之間具有非線性特性，具有馬鞍形滯回特性曲線，可實(shí)現(xiàn)小震耗小能、大震多耗能，改善了摩擦型耗能減震器的自適應(yīng)能力。

1 具有位移放大功能的耗能減震器

1.1 耗能減震器的位移放大原理

為實(shí)現(xiàn)減震器位移放大功能，擬采用杠桿原理，其工作原理圖如圖1所示。采用一個(gè)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿將滑塊的往復(fù)微小移動(dòng)放大成摩擦片的大位移圓弧滑動(dòng)。機(jī)構(gòu)中主要有移動(dòng)滑塊B、連桿AB、曲柄O1A以及與曲柄固連的扇形摩擦片構(gòu)成。建立XO1Y坐標(biāo)系，通過(guò)幾何關(guān)系分析可得滑塊位移與曲柄轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如式(1)、式(2)所示，以曲柄O1A與y軸重合時(shí)為曲柄轉(zhuǎn)角的起始角，對(duì)應(yīng)位置的連桿AB與曲柄O1A垂直。

(1)

Δ=Xb-L,

(2)

式中，XB為滑塊的位置即x軸的坐標(biāo);Δ為減震器的軸向位移;L為連桿長(zhǎng)度;r為曲柄長(zhǎng)度;φ為曲柄與y軸的夾角。

摩擦片中心弧位移S與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ的關(guān)系

S=Rφ,

(3)

式中，R為摩擦片半圓弧的平均半徑。

(4)

取r=50 mm，R=300 mm,L=300 mm，可得此款耗能減震器的位移放大倍數(shù)曲線如圖2所示。由圖2可知，減震器位移放大倍數(shù)在6倍以上。

圖1 耗能減震器位移放大原理圖 圖2 新型減震器位移放大系數(shù)曲線

1.2 耗能減震器結(jié)構(gòu)

為了將圖1所示的具有位移放大功能的耗能減震器工作原理付之實(shí)現(xiàn)，提出的耗能減震器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，采用一個(gè)滑塊6驅(qū)動(dòng)上下對(duì)稱的兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的扇形轉(zhuǎn)盤11的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。這樣不僅將2個(gè)曲柄的徑向力完全抵消，使得減震器總體受力良好，還使得摩擦片數(shù)量增加了1倍。扇形轉(zhuǎn)盤11的兩個(gè)面通過(guò)沉頭螺釘安裝由抗磨材料制成的摩擦片，以提高減震器的使用壽命。一個(gè)扇形轉(zhuǎn)盤可安裝2個(gè)摩擦片，整個(gè)減震器安裝上下4個(gè)扇形摩擦片以提高耗能效率，也可以根據(jù)需要串聯(lián)更多的扇形轉(zhuǎn)盤以提高工作效率。圖3中只畫出2個(gè)扇形轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)形式。減震器預(yù)緊力通過(guò)安裝在預(yù)緊螺栓3上擰緊螺母實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)碟形預(yù)緊彈簧7和限位套筒12調(diào)節(jié)并固定預(yù)緊力。由于位移放大作用以及多個(gè)摩擦片串聯(lián)工作，僅需要很小的預(yù)緊力便可獲得比較大的阻尼力。

圖3 減震器示意圖

1.3 減震器的滯回特性

根據(jù)功能原理即外力所做的功等于減震器摩擦力所消耗的能量如式(5)、式(6)所示。

FdΔ=nFfdS,

(5)

Ff=μFN,

(6)

式中,F為減震器提供的阻尼力;Δ為減震器軸向位移;Ff為減震器摩擦接觸面上的摩擦力;μ為摩擦片摩擦系數(shù);FN為摩擦片上的正壓力；S為摩擦片中心弧位移；n為減震器摩擦接觸面數(shù)目。

根據(jù)圖3所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即采用一個(gè)滑塊6驅(qū)動(dòng)上下對(duì)稱的2個(gè)扇形轉(zhuǎn)盤11的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，共有4個(gè)摩擦接觸面，采用2個(gè)預(yù)緊螺栓施加預(yù)緊力以提供摩擦片所需要的預(yù)壓力。取摩擦片的摩擦系數(shù)μ=0.3，F(xiàn)N=15 N，起滑軸向位移e為0.01 mm，聯(lián)立式(1)～式(6)可計(jì)算出具有位移放大功能的耗能減震器在不同軸向位移幅值下的滯回特性曲線如圖4a所示；現(xiàn)有傳統(tǒng)摩擦耗能減震器設(shè)置起滑阻尼力與新型減震器相同，其起滑摩擦力為新型減震器的6倍，則起滑軸向位移為新型減震器的36倍即0.36 mm，在不同軸向位移幅值下的滯回特性曲線如圖4b所示。可見，研究討論的具有位移放大功能的摩擦耗能減震器具有馬鞍形的滯回特性曲線，且起滑位移小。

圖4 摩擦型耗能減震器不同位移下的滯回曲線

2 消能結(jié)構(gòu)減震性能分析

2.1 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型建立

為了研究提出的具有位移放大功能的耗能減震器的減震性能，選擇一個(gè)5層平面鋼框架結(jié)構(gòu)，并采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析其減震性能。計(jì)算原始數(shù)據(jù)為：5層平面鋼框架結(jié)構(gòu)，柱子采用箱型截面，截面尺寸400 mm×400 mm×20 mm，梁采用H型鋼，截面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm×12 mm，其中每層層高3 600 mm、跨度6 000 mm，鋼材選用Q235,密度取ρ=7 900 kg/m3,彈性模量E=2.1e11N/m2,泊松比μ=0.3，阻尼比ζ=0.035。

所建立的ADAMS減震結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示。首先用三維繪圖軟件UG繪制5層平面框架整體實(shí)體外形，導(dǎo)入ADAMS后柱腳與大地固定連接建立框架結(jié)構(gòu)剛體模型，利用有限元軟件ABAQUS生成框架的柔性體文件即MNF文件，在ADAMS中把剛體框架替換成柔性體，激勵(lì)力作用在頂層A點(diǎn)位置，減震器布置在結(jié)構(gòu)每層的兩個(gè)對(duì)角位置之間，共布置10個(gè)，在ADAMS中采用在結(jié)構(gòu)每層2個(gè)對(duì)角點(diǎn)之間施加作用力來(lái)替代減震器，將圖4所示的減震器滯回特性曲線制作成力與位移關(guān)系的樣條函數(shù)，ADAMS中用力函數(shù)獲取2個(gè)對(duì)角點(diǎn)之間的位移后調(diào)用樣條函數(shù)實(shí)現(xiàn)減震器的功能。由于減震器未達(dá)到起滑位移時(shí)并未消耗能量，則在編輯力函數(shù)時(shí)，以減震器起滑位移為判斷條件，當(dāng)減震器的軸向位移幅值小于起滑位移時(shí)，使得減震器阻尼力為0，如式(7)所示。

(7)

式中，Δ為減震器的軸向位移;e為減震器的起滑位移。

2.2 框架結(jié)構(gòu)的幅頻特性

ADAMS中的振動(dòng)分析模塊可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)幅頻特性分析。輸入輸出位置均選擇框架結(jié)構(gòu)頂層A點(diǎn)位置，作用力方向?yàn)槿肿鴺?biāo)系下的x方向，幅值為200 N。采用掃頻法，頻率范圍為1～20 Hz，得出結(jié)構(gòu)的幅頻特性曲線如圖6所示。由圖6可知，在1～20 Hz頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)有2個(gè)共振頻率，即一階共振頻率為2.7 Hz；2階共振頻率為9.9 Hz。結(jié)構(gòu)安裝減震器后對(duì)結(jié)構(gòu)的幅頻特性沒(méi)有影響，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，作用在框架結(jié)構(gòu)每層對(duì)角點(diǎn)的力來(lái)替代減震器，忽略了減震器的質(zhì)量。

圖5 減震結(jié)構(gòu)仿真模型 圖6 頻率響應(yīng)曲線

2.3 消能結(jié)構(gòu)的減震性能分析

研究提出的具有位移放大功能的減震器減震性能，選擇3種類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析研究，具體包括：不安裝減震器的原結(jié)構(gòu)、安裝現(xiàn)有傳統(tǒng)摩擦耗能減震器的傳統(tǒng)減震結(jié)構(gòu)、安裝具有位移放大功能的新型摩擦耗能減震器的新型減震結(jié)構(gòu)。設(shè)置正弦激勵(lì)力幅值500 N，工況1頻率為2 Hz、工況2頻率為2.7 Hz。在ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，兩種工況下結(jié)構(gòu)的各樓層水平絕對(duì)位移幅值降幅效果如圖7所示，幅值數(shù)據(jù)和降幅比例如表1、表2所示,結(jié)構(gòu)各層的層間位移幅值如表3所示。

由動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在工況1情況下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移較小。通過(guò)表3的各樓層的層間位移幅值可知，最大的層間位移幅值發(fā)生在第3、4層，其最大的層間位移并未讓現(xiàn)有傳統(tǒng)減震器達(dá)到起滑位移，即傳統(tǒng)減震器不工作無(wú)能量消耗；最小的層間位移發(fā)生在第1層，使得新型減震器達(dá)到了起滑位移，即新型減震器有能量消耗。新型減震器和傳統(tǒng)減震器對(duì)結(jié)構(gòu)的減震效果如圖7a所示，其對(duì)各樓層的絕對(duì)位移的降幅率如表1所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，傳統(tǒng)減震器對(duì)結(jié)構(gòu)未起到減震效果，而新型減震器對(duì)頂層A點(diǎn)水平絕對(duì)位移降幅達(dá)到了10.53%，體現(xiàn)出了新型減震器起滑位移小、易起滑工作特點(diǎn)，在小位移下具備良好的工作耗能能力。工況2情況下，通過(guò)表3的各樓層的層間位移幅值可知，最小的層間位移幅值發(fā)生在第1層，使得傳統(tǒng)減震器和新型減震器都達(dá)到了起滑位移，兩者都有能量的消耗，因?yàn)樾滦蜏p震器的起滑位移小且具有阻尼力隨位移非線性增大特性，在同等位移下比傳統(tǒng)減震器有著更強(qiáng)的耗能能力。傳統(tǒng)減震器和新型減震器對(duì)結(jié)構(gòu)的各層絕對(duì)位移的降幅如圖7b所示，無(wú)論傳統(tǒng)減震器和新型減震器都降低了結(jié)構(gòu)各層的絕對(duì)位移幅值，且新型減震器的減震效果要優(yōu)于傳統(tǒng)減震器。從表2的數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)減震器對(duì)頂層A點(diǎn)水平絕對(duì)位移降幅達(dá)到了36.69%，新型減震器對(duì)頂層A點(diǎn)水平絕對(duì)位移降幅達(dá)到了48%，與傳統(tǒng)減震器相比降幅達(dá)到17.86%，體現(xiàn)出相同工況下新型減震比傳統(tǒng)減震器具有更好的耗能能力。

圖7 各樓層的水平絕對(duì)位移

表1 工況1下各樓層水平絕對(duì)位移幅值及降幅對(duì)比

表2 工況2下各樓層水平絕對(duì)位移幅值及降幅對(duì)比

表3 各樓層的層間位移幅值

3 結(jié)論

提出了一種具有位移放大功能的摩擦型耗能減震器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并定量計(jì)算了該新型減震器位移放大倍數(shù)和滯回特性曲線。計(jì)算結(jié)果表明，該減震器具有馬鞍形滯回特性曲線，起滑位移小，減震器阻尼力隨位移增大而呈非線性增加。

研究以5層平面鋼框架結(jié)構(gòu)為算例，利用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得出如下結(jié)論：安裝減震器并未改變結(jié)構(gòu)的共振頻率，在20 Hz范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)共有2個(gè)共振頻率點(diǎn)，1階共振頻率為2.7 Hz，2階共振頻率為9.9 Hz。鋼框架結(jié)構(gòu)在500 N幅值、2 Hz的外界正弦激勵(lì)力作用下，結(jié)構(gòu)處在小位移振動(dòng)狀態(tài)。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出的圖7a、表1和表3可知，傳統(tǒng)消能減震結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)有傳統(tǒng)減震器不起滑無(wú)能量消耗，現(xiàn)有減震器并沒(méi)有減小各樓層的絕對(duì)位移幅值；而新型消能減震結(jié)構(gòu)中的新型減震器起滑工作有能量的消耗，對(duì)結(jié)構(gòu)各層的絕對(duì)位移幅值有大幅度降低，其對(duì)結(jié)構(gòu)頂層A點(diǎn)絕對(duì)位移幅值的降幅率達(dá)到10.53%；鋼框架結(jié)構(gòu)在500 N幅值、2.7 Hz的外界正弦激勵(lì)力作用下，其外界激勵(lì)力頻率和結(jié)構(gòu)本身的共振頻率一樣，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，則結(jié)構(gòu)處在大位移的振動(dòng)狀態(tài)。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果得出的圖7b、表2及表3可知，傳統(tǒng)消能減震結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)有減震器和新型消能減震結(jié)構(gòu)中新型減震器的起滑工作都有能量的消耗，現(xiàn)有傳統(tǒng)減震器對(duì)原結(jié)構(gòu)頂層A點(diǎn)絕對(duì)位移幅值的降幅率達(dá)到36.69%；新型減震器對(duì)原結(jié)構(gòu)頂層A點(diǎn)絕對(duì)位移幅值的降幅率達(dá)到了48%，與現(xiàn)有傳統(tǒng)減震器相比，降幅率達(dá)到17.86%，可見研究提出的具有位移放大功能的摩擦型耗能減震器與現(xiàn)有傳統(tǒng)減震器相比，有著更好的力學(xué)性能和減震效果，因此具有較好的應(yīng)用推廣前景。