摩擦阻尼器的研究進展

石文龍, 張浩波(. 上海大學 力學與工程科學學院，上海 00444; . 上海史狄爾建筑減震科技有限公司，上海 000)

0 引言

作為一種發(fā)生隨機、不可預見、難以抗拒的強破壞性突發(fā)自然災害,地震長期以來都嚴重威脅著人類的生存和發(fā)展。而通過改善建筑結(jié)構(gòu)的強度、剛度、延性等自身屬性來應對地震作用的傳統(tǒng)抗震方法,又會在一定程度上增加成本,提升建筑材料的用量。

耗能減震設計方法通過在結(jié)構(gòu)特定位置設置阻尼器,使阻尼器體系同結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,克服了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)“硬碰硬”的設計方法,極大地分擔了原結(jié)構(gòu)的地震作用,減輕主體結(jié)構(gòu)損傷,從而達到減震的目的[1-2]。相比其他阻尼器,摩擦阻尼器具有構(gòu)造簡單、安裝方便、性能穩(wěn)定、初始剛度大、性價比高等優(yōu)點,穩(wěn)定的出力使其連接構(gòu)件的承載力計算更為容易[3]。在結(jié)構(gòu)中安裝的摩擦阻尼器可在正常使用荷載下不發(fā)生滑移,只提供附加剛度,并在中、大震作用下摩擦做功耗散能量,提供附加阻尼,達到減小結(jié)構(gòu)響應的目的[4]。

本研究以摩擦阻尼器設計各階段為脈絡,整理摩擦阻尼器的類型并梳理其發(fā)展歷程;根據(jù)大量前人研究歸納影響摩擦阻尼器性能的主要因素;整理國內(nèi)外學者對摩擦阻尼器的常見試驗研究形式,并介紹國內(nèi)外關(guān)于摩擦阻尼器的工程案例作為參考;最后給出一些關(guān)于未來摩擦阻尼器設計研究方面的見解。

1 摩擦阻尼器的類型

摩擦阻尼器應用于建筑結(jié)構(gòu)減震的歷史最早可以追溯到1980年,Pall A S等[5]提出了摩擦縫的概念,通過在裝配式結(jié)構(gòu)的連接處設置滑動栓接縫,使摩擦組件同裝配結(jié)構(gòu)聯(lián)動耗能,達到耗散地震輸入能量的目的(圖1)。

圖1 滑動栓接縫Fig.1 Joint of sliding bolt

摩擦面之間的運動方式不同,后續(xù)學者的相關(guān)研究基于此展開,并發(fā)展成兩個分支:平動與轉(zhuǎn)動,且延伸出許多不同的摩擦阻尼器形式。

1.1 平動摩擦阻尼器

常見的平動摩擦阻尼器分為板式和筒式,二者均通過板件平面或筒壁面與摩擦面之間的相對水平滑動達到摩擦耗能的目的。

1.1.1 板式摩擦阻尼器

板式摩擦阻尼器脫胎于早期的長孔螺栓節(jié)點。早期的研究受限于材料本身以及跨學科研究尚未深入,對摩擦阻尼器的優(yōu)化僅限于附加或改變其機構(gòu)。1989年Fiyzgerald T F等[6]首次提出了一種附帶Solon碟簧墊圈的長孔螺栓節(jié)點,發(fā)現(xiàn)該體系的滯回曲線近似為矩形,且水平向變形在拉壓情況下均保持不變,其墊圈的設置保證了多個加載周期內(nèi)穩(wěn)定的螺栓預緊力(圖2)。

圖2 長孔螺栓節(jié)點Fig.2 Long-hole bolted connection

與長孔螺栓節(jié)點支撐式連接類似,朱力等[7]設計了一種摩擦型滑動消能支撐,發(fā)現(xiàn)此消能支撐較普通支撐耗能能力更強。同一時期,陳宗明等[8-10]提出一種摩擦剪切鉸(圖3),并對其進行了試驗研究。楊蔚彪等[11]提出了一種二階摩擦減振控制支撐框架結(jié)構(gòu),通過低周往復加載試驗驗證了二階摩擦的可行性,即在中震下發(fā)生一階耗能,大震下發(fā)生二階耗能。

圖3 摩擦剪切鉸Fig.3 Friction shear hinge

隨著材料升級以及加工工藝的提升,壓電材料、電磁材料、記憶合金等材料逐漸應用于板式摩擦阻尼器的研究中。為滿足變摩擦等需求,組件逐漸被加工成各種特定形狀組裝于阻尼器中。

2004年王偉等[12]提出一種永磁摩擦耗能裝置,該裝置出力連續(xù)可變,不僅可以實現(xiàn)控制力隨結(jié)構(gòu)層間位移改變,還可以根據(jù)裝置初始位置的不同改變初始控制力的大小。關(guān)新春等[13]采用壓電材料和磁致伸縮材料為驅(qū)動器,調(diào)節(jié)摩擦阻尼器摩擦面的正壓力,進而達到調(diào)節(jié)摩擦力的目的。趙大海等[14]提出一種新型壓電摩擦阻尼器,施加隨時間變化的電壓時,壓電陶瓷驅(qū)動器提供的預壓力也發(fā)生變化,壓電摩擦阻尼器表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能和良好的出力。錢輝等[15]提出了一種兼具自復位功能和高耗能的形狀記憶合金復合摩擦阻尼器,通過調(diào)節(jié)超彈性形狀記憶合金絲的初始應變,阻尼器的滯回性能和摩擦力也隨之改變。李澈[16]研制了一種變摩擦阻尼器,提出一種以彈簧-坡面摩擦機制為基礎的“狗骨形”滯回曲線單元,并對其從試驗、模擬、參數(shù)分析等多種角度進行了系統(tǒng)的研究。Kazutaka S等[17]研制了一種變阻尼力摩擦阻尼器,制作試件如圖4所示,其原理如圖5所示。因采用芯板波紋形式,阻尼器可在位移超過預定值時減小阻尼力,在循環(huán)工況下具有較高的耐久性能。

圖4 變阻尼力摩擦阻尼器正視圖及后視圖Fig.4 Front and rear view of friction damper with variable damping force

李華等[18]提出了一種新型金屬變摩擦耗能阻尼器,通過改變金屬摩擦面的摩擦面積,使摩擦系數(shù)具有隨位移變化的特性。師驍?shù)萚19]提出一種用于高層建筑的含摩擦阻尼器鋼連梁,采用高強螺栓與碟形彈簧串聯(lián),為摩擦界面施加正壓力,以減小溫度應力等因素對摩擦力的影響,保證了摩擦阻尼器以外的型鋼梁段即使在罕遇地震作用下也保持預期彈性,損傷只發(fā)生在摩擦片-鋼板界面。

圖5 變阻尼力摩擦阻尼器原理Fig.5 Principle of friction damper with variable damping force

為了更具效率地對該類摩擦阻尼器進行研究,有限元分析軟件也逐步運用到研究中。2018年陳占江等[20]提出了一種雙壓簧平板式變摩擦阻尼器,利用ABAQUS軟件對該阻尼器進行數(shù)值模擬,推導出其恢復力模型等效阻尼比的計算式。戢廣禹等[21]將大尺寸形狀記憶合金(shape memory alloy,SMA)彈簧與摩擦耗能裝置進行組合,提出一種新型SMA 彈簧摩擦阻尼器,研究其在不同加載速率、位移幅值及摩擦板法向力影響下的滯回性能變化規(guī)律。Mohsen Amjadian等[22]研究智能/半主動電磁摩擦阻尼器在多層基礎隔震結(jié)構(gòu)地震反應控制隔震層中的應用,驗證了半主動控制理論對隔震結(jié)構(gòu)地震反應的控制能力。王濤等[23]提出了一種損傷可控的混合耦合梁,引入的不確定性使得傳統(tǒng)RC耦合梁或其他類型阻尼器的固有特性明顯降低。

1.1.2 筒式摩擦阻尼器

借鑒黏滯阻尼器的筒狀外形,出現(xiàn)了很多形狀相似的筒式摩擦阻尼器。由于筒式摩擦阻尼器具有形式簡單、安裝形式可借鑒筒狀黏滯阻尼器、阻尼計算可參考線性滯回阻尼等優(yōu)點,其在結(jié)構(gòu)計算中十分方便。

1990年Aiken等[24]首次提出了一種可復位的Sumitomo筒式摩擦阻尼器。李惠等[25]研究了一種向心式變摩擦阻尼器(圖6),探討其在結(jié)構(gòu)中自由振動和強迫振動時的動力特性、動力反應特點和結(jié)構(gòu)抖振機理,給出了結(jié)構(gòu)的非線性反應譜。

與板式摩擦阻尼器類似,筒式摩擦阻尼器的后續(xù)研究也多集中在加工工藝的改進以及引入部分其他領域的材料,不斷提升新型摩擦阻尼器性能優(yōu)勢的同時,也在后續(xù)的研究設計中采用有限元軟件進行輔助。

圖6 向心式變摩擦阻尼器Fig.6 Centripetal variable friction damper

2004年彭凌云[26]對向心式摩擦阻尼器的工作原理和滯回性能進行了理論分析和應用研究,對比其他阻尼器,采用非線性動力反應分析方法分析了向心式摩擦阻尼器(滯回單元)在減震控制中的應用。趙東等[27]提出了一種用于重型機械領域的新型摩擦阻尼器(圖7),并結(jié)合有限元分析證明了該摩擦阻尼器良好的減振效果;隨后又將其創(chuàng)新性地應用于建筑結(jié)構(gòu)的振動控制中,利用振源信號進行反饋控制,增大了阻尼器的耗能能力,提高了減振效果[28]。

圖7 新型重型機械摩擦阻尼器Fig.7 Novel friction damper used for heavy machinery vibration control

彭凌云等[29]提出一種擬線性摩擦阻尼器,該阻尼器具有與位移量有關(guān)聯(lián)的線性滯回阻尼的基本特征,基于彈性力學給出的近似計算公式能夠反映試驗得到的阻尼器滯回特點。滕睿等[30]提出了一種具有持續(xù)可變滑移后剛度的摩擦型阻尼器(圖8),該阻尼器采用套筒活塞式結(jié)構(gòu),摩擦片通過橡膠層固化到活塞上,橡膠層同時為摩擦片提供面壓,持續(xù)增長的剛度和出力有利地改善了結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能。

圖8 持續(xù)可變滑移后剛度摩擦阻尼器Fig.8 Friction damper with continuously variable post sliding stiffness

彭凌云等[31]提出一種具有變剛度特征的管式變摩擦阻尼器。如圖9所示,其通過在套筒壁中摩擦環(huán)初始所在部位適當開縫,進而實現(xiàn)摩擦力的變化,使得系統(tǒng)具有半主動變剛度的特征。劉學凱[32]提出一種反饋控制摩擦阻尼器,分別從結(jié)構(gòu)設計、耗能理論分析、仿真模擬、試驗研究四個角度論證了該阻尼器與傳統(tǒng)摩擦阻尼器相比具有更好的耗能減震效果。

圖9 管式變摩擦阻尼器Fig.9 Tubular variable friction damper

朱軍強等[33]設計了一種基于半主動控制的新型壓電摩擦阻尼器,利用壓電材料在不同電壓情況下做功達到主動控制,配合ABAQUS有限元軟件進行動力時程分析,解出此阻尼器的滯回曲線。王社良等[34]提出了一種新型半主動壓電摩擦阻尼器,對壓電陶瓷的電壓位移關(guān)系進行理論和試驗分析,得到壓電摩擦阻尼器在不同預壓力和不同工作壓電陶瓷數(shù)量下的出力性能和摩擦系數(shù)。

高毅超等[35]研發(fā)了一種自復位變摩擦阻尼器,對其進行確定及隨機地震反應分析,發(fā)現(xiàn)該阻尼器可以明顯降低結(jié)構(gòu)的位移反應,且其位移控制效果基本上不隨輸入地震動加速度峰值的變化而改變。劉云帥等[36]提出用一種新型自復位摩擦阻尼器和聚四氟乙烯滑板支座代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔震支座,并驗證了該隔震橋梁體系的效果。B Westenenk等[37]提出了一種新型自定心摩擦阻尼器的設計和工作原理,并建立了簡單的數(shù)學模型和試件來描述該阻尼器的滯回循環(huán)行為。

1.1.3 其他類型的平動摩擦阻尼器

為適應不同的環(huán)境需求及阻尼器耗能能力,許多學者還研究了一些新型平動摩擦機構(gòu)。

王偉等[38]提出了一種電磁摩擦耗能裝置,該裝置可以根據(jù)結(jié)構(gòu)控制層的層間位移來調(diào)節(jié)工作電流,克服了普通摩擦耗能裝置控制力不可變的不足。Sadegh等[39]采用PD/PID控制器對某基準隔震建筑物進行抗震控制,并利用遺傳算法對這些控制器進行優(yōu)化,使之在閉環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能和魯棒性之間建立平衡。尚守平等[40]提出一種鋼筋混凝土摩擦阻尼器,將其與鋼筋瀝青隔震墩組合成一種全新的復合隔震層,并研究了鋼筋混凝土摩擦阻尼器對上部結(jié)構(gòu)動力響應的影響。Marcelo等[41]研究了一種通過改變摩擦關(guān)節(jié)中的法向力來進行調(diào)整的可調(diào)輔助質(zhì)量阻尼器,并評估其減振效果。

簡言之,隨著相關(guān)學者對平動摩擦阻尼器研究的不斷深入,該類型阻尼器衍生了許多跨學科的改良,具有更加優(yōu)異的效果。但由于運動方式本身的限制,當其布置在工程結(jié)構(gòu)中時,占據(jù)空間大則成為了一個突出的問題。

1.2 轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器

與常見的平動阻尼器不同,轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器主要依靠阻尼器組件與摩擦材料之間的相互轉(zhuǎn)動耗散地震輸入的能量,且表現(xiàn)形式多為板式。

最早的轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器可以追溯到1982年P(guān)all A S等[42]首次提出的鋼框架建筑抗震設計概念,即在X形框架結(jié)構(gòu)支撐體系中設置滑動摩擦裝置,這也正是最早的Pall摩擦阻尼器(圖10)。在大震作用下,地震輸入的大部分能量從主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性屈服耗散轉(zhuǎn)為在摩擦裝置滑移過程中機械耗散,大幅提高了框架結(jié)構(gòu)抵抗地震破壞的能力和損傷控制的潛力。Pall摩擦阻尼器在結(jié)構(gòu)框架中的安裝如圖11所示。

圖10 Pall摩擦阻尼器Fig.10 Pall friction damper (PFD)

圖11 Pall摩擦阻尼器框架安裝示意圖Fig.11 Frame installation diagram of Pall friction damper

此后數(shù)年間,圍繞Pall摩擦阻尼器的大量研究接連涌現(xiàn)。Filiatrault A等[43-44]在Pall摩擦阻尼器中嵌入制動墊塊,并對其進行循環(huán)荷載試驗,試驗結(jié)果表明:該阻尼器工作性能穩(wěn)定,耗能能力強,循環(huán)加載50次基本不出現(xiàn)退化,滯回曲線接近理想矩形。一年后Filiatrault A等[45]又從能量角度考量了Pall摩擦阻尼器在地震作用下的設計,提出了一種數(shù)值模擬方法,并利用隨機地震模型量綱分析推導出最優(yōu)滑移荷載與地震加速度的線性相關(guān)性。結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震設計中的相關(guān)參數(shù),Filiatrault A等[46-47]又給出了Pall摩擦阻尼器結(jié)合基本設計參數(shù)的簡單程序,并進行了數(shù)值敏感性和參數(shù)化研究,得到最優(yōu)滑移荷載與地面運動幅值的相關(guān)性,并在后續(xù)研究中考慮結(jié)構(gòu)性質(zhì)及施工地面運動,給出了含Pall摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)的地震設計譜。隨后Aiken I D等[48]提出了一種無源耗能摩擦阻尼支撐,并將該體系與等效抗彎偏心支撐框架進行比較。

1995—2006年,哈爾濱建筑大學(2000年后并入哈爾濱工業(yè)大學)數(shù)位學者針對Pall摩擦阻尼器進行試驗探究和文獻學習,并發(fā)表了數(shù)十篇成果。

歐進萍等[49]最先將Pall摩擦阻尼器與軟鋼屈服阻尼器進行比較,驗證其在穩(wěn)定方面所具有的優(yōu)勢。周云等[50]和劉季等[51]又分別對兩種不同的摩擦耗能支撐采用了同樣的試驗方法,著重考量有、無摩擦片和摩擦材料的相關(guān)屬性對摩擦阻尼器耗能的影響。吳斌等[52]通過對Pall 摩擦阻尼器的機構(gòu)變形分析,建立了阻尼器芯板螺栓槽孔的設計方法。同年周云等[53]則基于先前對兩種不同摩擦阻尼器的試驗結(jié)果,組合提出了“雙摩擦耗能器”。周云等[54-55]在圓環(huán)阻尼器和摩擦阻尼器的基礎上展望了新型復合阻尼器的前景,隨后又提出鋼屈服摩擦復合耗能器,并對其進行了系統(tǒng)的研究。

在對Pall摩擦阻尼器進行理論和試驗分析的基礎上,吳斌等[56-58]分別對前文所提出的擬黏滯摩擦耗能器進行了試驗研究、參數(shù)分析和高層模擬,驗證其良好的性能。

隨著非線性力學理論和土木工程學科的不斷交流,吳斌等[59]對T型芯板摩擦阻尼器加入了非線性分析,一方面從分析方法上更嚴密地論證了T形芯板摩擦阻尼器和Pall摩擦阻尼器的滯回特性不受支撐屈曲力影響這一結(jié)論,另一方面也揭示了支撐拉力在阻尼器起滑后并非保持常數(shù),而是呈顯著增加趨勢,以及在相同的摩擦力條件下支撐最大拉力與支撐剛度呈密切正相關(guān)關(guān)系。歐進萍等[60-61]結(jié)合主動控制概念,將壓電陶瓷驅(qū)動器和Pall 摩擦阻尼器結(jié)合,提出了智能型壓電變摩擦阻尼器,并將壓電墊圈應用于T型芯板摩擦阻尼器中,通過壓電墊圈調(diào)節(jié)預緊力,達到控制效果。吳斌等[62]從Pall摩擦阻尼器四連桿機構(gòu)的幾何非線性變形特征出發(fā),分析了T形芯板摩擦阻尼器的滯回特性以及支撐的受力特點,發(fā)現(xiàn)在不考慮幾何非線性的情況下支撐的最大拉力可達起滑時的2～3倍。之后吳斌等[63-65]對Pall摩擦阻尼器也進行了非線性分析,采用數(shù)值分析的形式深入研究了Pall摩擦阻尼器的性能,并將黏滯阻尼器、擬黏滯摩擦阻尼器和T型芯板摩擦阻尼器的減震性能進行對比,結(jié)果表明T形芯板摩擦阻尼器的位移控制效果略好于擬黏滯摩擦阻尼器,而后者的加速度控制好于前者,且在大變形下有利于減小柱子的軸壓比。

吳斌等[66]還提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的新型Pall摩擦阻尼器(innovation Pall friction damper,IPFD),利用虛功原理對其進行受力分析,并與原PFD進行比較,結(jié)果表明兩種阻尼器產(chǎn)生的阻力與摩擦力相同,但在易于制造和組裝方面IPFD更具優(yōu)勢。

楊飏等[67-68]將壓電陶瓷和T型金屬摩擦阻尼器結(jié)合起來,提出了T型壓電變摩擦阻尼器及其三種阻尼力模型,得到的結(jié)論為壓電變摩擦阻尼器可以試驗位移相關(guān)或速度相關(guān)的阻尼力模型,可調(diào)阻尼力可以達到設定阻尼力的2.5～3倍。隨后對包含此壓電變摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析,合理設定壓電驅(qū)動器電場強度與阻尼器相對位移和速度的系數(shù),結(jié)果表明半主動和擬黏滯型壓電摩擦阻尼均對結(jié)構(gòu)的位移和加速度反應有良好的控制效果。

與此同時,廣州大學團隊基于7種基礎模型研制了復合型摩擦消能支撐,冼巧玲等[69]首次提出了復合型摩擦消能支撐(圖12),分別從設計、試驗及工作機理三個方面予以分析。試驗包含7種矩形方框試件:純角點耗能、增加交叉斜桿、交叉斜桿兩端開槽、斜桿直角桿都開槽、交叉斜桿中間開槽、交叉斜桿中間開槽且與體系支撐一體、交叉斜桿互不干擾,并將其放入動力分析模型及整體結(jié)構(gòu)中進行分析,發(fā)現(xiàn)摩擦消能支撐具有以下優(yōu)點:初始剛度較大,反向性能穩(wěn)定飽滿,退化弱,性價比高,耐久好。

李向真等[70]對摩擦消能支撐進行了非線性剛度的相關(guān)分析,從單元剛度矩陣的角度分析了之前研究并試驗的7種摩擦消能支撐中的兩個,為摩擦阻尼器在地震中的分析提供了對應的理論模型。歐海龍[71]對摩擦消能支撐進行了深入的減震分析與研究,內(nèi)容包含裝置的非線性剛度分析、彈塑性動力時程分析及其在時程分析中的參數(shù)優(yōu)化。

圖12 復合型消能支撐Fig.12 Mix energy dissipation bracing

后續(xù)其他學者關(guān)于Pall摩擦阻尼器等支撐型摩擦阻尼器及其變體的研究集中在將原有的阻尼器與結(jié)構(gòu)計算軟件的結(jié)合上。薛素鐸等[72]利用SMA的超彈性特性,將SMA絲與摩擦阻尼器復合,提出一種SMA復合摩擦阻尼器,研究其工作機理和設計方法,并建立了理論模型。韓建等[73]設計了一種T形芯板摩擦阻尼防屈曲支撐體系,并對其滯回特性和支撐內(nèi)力影響進行了有限元ANSYS試驗仿真分析,結(jié)果表明該摩擦阻尼器受力較普通摩擦阻尼器更加合理,耗能能力更強。王茜茜等[74]提出了一種具有簡單控制律的半主動摩擦阻尼器,通過時程分析計算并討論了安裝半主動摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應控制效果。

Mualla I H[75]提出了一種新型的摩擦阻尼器,如圖13所示,研究其在不同的強迫頻率、位移幅值、螺栓夾緊力和預應力筋力等參數(shù)下的響應。

圖13 旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器(FDD)Fig.13 Friction damper device (FDD)

Kim J等[76]提出了一種連接高強度預應力筋的旋轉(zhuǎn)摩擦減振器組合體系,根據(jù)非線性動力分析結(jié)果研究了它們的抗震性能和漸進抗?jié)裣菪阅?。鮑華峰[77]提出一種新型轉(zhuǎn)動摩擦耗能梁柱節(jié)點,并對布置了該節(jié)點的鋼框架進行Push-over分析和動力時程分析,發(fā)現(xiàn)采用耗能節(jié)點的鋼框架在兩種分析中均表現(xiàn)出良好的抗震性能。張紀剛等[78]通過ANSYS軟件對新型Pall-BRB的滯回特性進行分析,結(jié)果表明防屈曲支撐在拉壓循環(huán)荷載作用下均能達到屈服,拉壓承載力基本一致。張紀剛等[79-80]又提出了一種PFD-SMA 支撐體系,結(jié)合Pall 摩擦阻尼器和形狀記憶合金的優(yōu)點,認為該體系具有強耗能能力和自復位功能;之后又根據(jù)摩擦力和SMA 的剛度、支撐長度、最大恢復應變及彈性模量等,分析了PFD-SMA支撐體系的滯回性能,結(jié)果表明該體系具有較好的耗能能力,即使在抱死的情況下SMA 支撐本身也會耗能。

基于前期的研究結(jié)果,Monir等[81]提出了一種改進的旋轉(zhuǎn)型摩擦型阻尼器(圖14)。該阻尼器由5個中部旋轉(zhuǎn)摩擦鉸與4個角部活動連接鉸構(gòu)成,通過撐桿與鋼框架進行連接,框架受到水平推力時發(fā)生側(cè)向變形,帶動撐桿運動,利用5個摩擦鉸處的鋼板與摩擦墊片之間的相對摩擦耗散輸入的能量。

圖14 改進的旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器Fig.14 Modified friction damper

國巍等[82]針對一種新型旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器,研究尺寸和參數(shù)等變化對其性能的影響,并采用ABAQUS探究其特殊的力-位移關(guān)系。同年,隋偉寧等[83-84]采用ABAQUS有限元軟件對轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器的力學性能進行數(shù)值模擬,分析中考慮了轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器的螺栓預緊力大小、轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)和摩擦面?zhèn)€數(shù)3個設計參數(shù),結(jié)果表明多層鋼框架結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動型摩擦阻尼器具有良好的耗能減震效果。隨后Guo W等[85]通過數(shù)值方法和實驗方法研究了轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器(rotate friction damper, RFD)矩形流場的滯回特性。

Xu G等[86]提出了一種帶有旋轉(zhuǎn)摩擦減震器的連桿式支撐桿,研究連桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)角與結(jié)構(gòu)層間位移角之間的關(guān)系,以非線性數(shù)值分析理論為基礎,采用數(shù)值模擬程序?qū)σ?層梯式鋼框架連桿機構(gòu)進行分析,并提出了最佳滑力矩范圍。H Jarrahia等[87]提出了一種適用于非彈性單層鋼結(jié)構(gòu)抗彎矩框架地震振動控制的優(yōu)化設計方法,通過最小化地震輸入能量與分散能量的比例來優(yōu)化人工地震作用下的能量參數(shù),結(jié)果表明:與未加控制的結(jié)構(gòu)相比,受歷史地震影響的最優(yōu)RFD結(jié)構(gòu)在各項指標上均表現(xiàn)出較好的抗震性能。朱力華等[88]提出一種由多種耗能單元組成的新型格柵式摩擦阻尼器,并對耗能單元設計試驗,結(jié)果表明:耗能單元具有預期的屈服后剛度硬化行為,表現(xiàn)了多階段耗能特性。

轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器具有不同于平動摩擦阻尼器的特點,在結(jié)構(gòu)安裝中可以布置在梁柱節(jié)點等位置,同時由于其獨特的運動機制,需要在阻尼器加工等方面多加考慮。

2 摩擦阻尼器的性能影響因素

從以上學者的研究內(nèi)容可知,為了提升摩擦阻尼器的性能,還需從其耗能原理和機構(gòu)優(yōu)化方面進行研究。摩擦阻尼器是利用摩擦阻尼原理,耗散由于振動而輸入到結(jié)構(gòu)中的能量的減震裝置。摩擦阻尼也稱庫倫阻尼,它源于平面之間的相互摩擦,遵循能量守恒定律,實質(zhì)上是一個機械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程,例如汽車的剎車裝置、渦輪葉片裝置等。摩擦力的大小等于相互摩擦的兩個平面上的法向壓力乘以其摩擦系數(shù),當物體處于即將滑動或正在滑動狀態(tài)時,摩擦力可由下式確定:

F=μN

(1)

式中:F為摩擦力,方向沿接觸表面切向且總是與運動方向相反;N為接觸面法向壓力;μ為摩擦系數(shù),分為靜摩擦系數(shù)μs和動摩擦系數(shù)μk。

盡管不同類型的摩擦阻尼器會采用不同的材料、摩擦介質(zhì)以及不同的機械組合方式,但它們大都是由組合構(gòu)件和摩擦片在一定外部預緊力的作用下組成的能產(chǎn)生滑動和摩擦力的機構(gòu),利用滑動摩擦力來做功耗散外部輸入結(jié)構(gòu)的能量[82]。在實際工程應用中,較常用的恢復力模型是理想彈塑性模型(圖15)。摩擦阻尼器其常與支撐相連,其附加給結(jié)構(gòu)的非線性力如下式[89]:

(2)

圖15 摩擦阻尼器恢復力模型Fig.15 Restoring force model of friction damper

周云等[90]對不同影響因素下摩擦阻尼器的性能做了探究。結(jié)合式(1)我們可以看出,影響摩擦阻尼器性能的因素主要有兩點:預緊力和摩擦系數(shù),在此需要補充的第三點則是尺寸及環(huán)境因素。

2.1 摩擦材料的選擇及處理

庫倫表達式中摩擦系數(shù)μ的取值主要由摩擦材料控制。有多位學者研究了鋼材之間的摩擦效應,也有一些學者將其他金屬或合成材料運用在摩擦阻尼器中,旨在使摩擦阻尼器在工作過程中保持良好的工作性能或耐久性能。部分學者借鑒了運用在機械工程中的剎車片材料,該材料具有良好的耐磨性能和持續(xù)穩(wěn)定的摩擦性能,不難想象其在建筑減震領域也會有良好的應用。

Grigorian C E等[91]就鋼-鋼表面、鋼-黃銅表面兩種類型的長孔螺栓節(jié)點進行試驗,結(jié)果表明:與鋼表面相比,黃銅-鋼摩擦表面更加均勻,建模更加簡單,連接件基本上保持恒定的滑移力。Mualla I H等[92]對摩擦阻尼器在不同摩擦材料、阻尼器單元和簡諧激勵下的非線性響應進行研究,結(jié)果表明其滯回性能和摩擦材料選擇有極大的相關(guān)性,還找出了強迫頻率、位移幅值、預緊力和支撐預應力對摩擦阻尼器性能的影響。魏文輝等[93]提出了一種新型黏彈性-摩擦阻尼器,根據(jù)其耗能特點和底部框架砌體結(jié)構(gòu)的動力特性,提出在底部框架砌體結(jié)構(gòu)設置黏彈性-摩擦阻尼器,以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)抗震加固的目的。劉少波等[94]研制出一種能夠發(fā)揮黏彈性阻尼器和摩擦阻尼器各自耗能特點的泡沫鋁/聚氨酯復合材料(AF/PU)摩擦阻尼器,并對該阻尼器進行位移幅值、頻率等相關(guān)性的性能試驗和疲勞性能試驗,結(jié)果表明:AF/PU 摩擦阻尼器的滯回曲線飽滿,具有較高且穩(wěn)定的阻尼比。葉良浩等[3]對采用剎車片作為摩擦材料的摩擦消能器進行單軸往復加載試驗,試驗時考慮了摩擦界面的面壓、加載速率等因素對摩擦阻尼器力學性能的影響。

2.2 預緊力的施加方式及穩(wěn)定控制

另一方面,庫倫表達式中法向壓力N的取值主要由施加在阻尼器上的預緊力控制。常見的預緊力主要由高強螺栓施加,為避免預緊力退化,也有學者在螺栓處增設碟簧,幫助螺栓在阻尼器工作過程中保持預緊力的穩(wěn)定性。另一個較為常見的思路則趨向通過電信號等信號形式對預緊力進行主動控制,當信號等數(shù)據(jù)得以控制,預緊力的控制也成為了阻尼力控制的途徑。張蓬勃等[95]研究了以鋁板為摩擦材料的剪切式中間柱型摩擦阻尼器的力學性能和滯回曲線的特征,在不同螺栓軸力下,其摩擦系數(shù)沒有明顯影響,阻尼器的力學性能較穩(wěn)定。

2.3 組件尺寸及環(huán)境因素

除了以上根據(jù)庫倫摩擦公式推導出的影響因素外,許多學者發(fā)現(xiàn)組件尺寸以及摩擦阻尼器所處的環(huán)境同樣對其性能產(chǎn)生了一定的影響。

吳斌等[96]首先對擬黏滯摩擦阻尼器的滯回性能和支撐內(nèi)力進行分析,又分析了Pall摩擦阻尼器的框架位移、支撐剛度、摩擦力、阻尼器尺寸等諸多因素對其滯回性能的影響,得到了擬黏滯摩擦阻尼器相比較Pall摩擦阻尼器的諸多優(yōu)勢。吳斌等[97]還分析了框架位移、支撐剛度、阻尼器摩擦力、阻尼器大小、支撐傾角、支撐屈曲力等對T型芯板摩擦阻尼器支撐的受力影響,并采用數(shù)值分析方法給出了供設計計算的公式。

曾傳旺等[98]研究了橡膠層厚度、螺栓轉(zhuǎn)矩對橡膠型摩擦阻尼器力學性能和耐疲勞性能的影響,結(jié)果表明:隨著橡膠層厚度的減小,橡膠型摩擦阻尼器的起滑位移、起滑阻尼力和摩擦負荷減小,當螺栓轉(zhuǎn)矩為400 N·m時,其起滑阻尼力和摩擦負荷最大。

3 摩擦阻尼器的試驗

試驗作為一種重要的研究形式,應用在摩擦阻尼器中主要有以下幾種:對阻尼器的往復加載試驗、對帶阻尼器結(jié)構(gòu)的往復加載試驗、對帶阻尼器結(jié)構(gòu)的振動臺試驗。

劉偉慶等[99]通過對二榀普通鋼筋混凝土框架摩擦阻尼支撐單元施加低周反復荷載,研究了摩擦阻尼支撐框架的滯回特性、延性系數(shù)、強度與剛度退化、累計耗能和恢復力特性。

冼巧玲等[100-101]對復合型摩擦消能支撐進行了地震模擬振動臺試驗,并提出了消能滯回模型,結(jié)果表明:增設復合型摩擦消能支撐后,結(jié)構(gòu)的地震加速度反應比普通交叉支撐結(jié)構(gòu)減小約20%～40%,且地震烈度越大復合型摩擦消能支撐的減震作用越顯著。

Colajanni P等[102]通過對地震作用下支座滑移幅值和頻率進行統(tǒng)計分析,得到了采用摩擦阻尼支撐的單層框架的穩(wěn)定加速度圖,確定了y型耗能支撐體系力-位移曲線的合理建模方法。Liao W I等[103]對安裝了旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器的3層鋼框架進行振動臺試驗,發(fā)現(xiàn)該摩擦阻尼器對減少建筑側(cè)移的效果明顯。

薛素鐸等[104]對之前提出的SMA復合摩擦阻尼器進行了相應的試驗研究,分析位移幅值、加載頻率等對阻尼器等效剛度、單位循環(huán)耗能和等效阻尼比的影響,并與理論分析結(jié)果進行對比,結(jié)果表明SMA復合摩擦阻尼器在加卸載循環(huán)下會形成比較穩(wěn)定的滯回曲線,具有良好的耗能能力。

Ji-Hun Park等[105]提出了一種等效線性化技術(shù),對安裝有旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器的小型3層剪力建筑模型進行振動臺試驗,得到相應的線性系統(tǒng),并將這些等效線性系統(tǒng)的固有頻率、模態(tài)阻尼比和響應量與實驗結(jié)果進行比較。B G Morgen等[106]補充了梁柱轉(zhuǎn)角摩擦阻尼器的試驗研究方案,包含兩種不同的摩擦界面類型分別在三角形和正弦波形下進行加載。

韓建強等[107]修改設計了主動摩擦板和從動摩擦板凹槽,使得主動摩擦板同從動摩擦板相互卡住,防止橫向位移,并增設碟簧防止預緊力損失。李征等[108]將所研發(fā)的板式摩擦型阻尼器引入鋼木混合剪力墻中,通過3個試件的往復加載試驗研究了鋼木混合剪力墻的抗側(cè)機理,試驗結(jié)果表明:阻尼器激發(fā)力越大試件初始剛度越高,但木剪力墻損傷更嚴重。

作為工程結(jié)構(gòu)采用的耗能減震裝置,除了需要在實驗室中驗證摩擦阻尼器在各種位移下的性能,還需要將其放在結(jié)構(gòu)中進行研究,以求其在地震來臨時表現(xiàn)出良好的耗能效果,保證主體結(jié)構(gòu)的安全。

4 摩擦阻尼器的工程應用

摩擦阻尼器應用在工程中的案例僅見于少量文獻資料中。吳波等[109]以東北某政府大樓為研究對象,采用摩擦阻尼器對其進行加固,并進行了結(jié)構(gòu)化設計分析和模型試驗,結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)雖然在大震下產(chǎn)生了較為嚴重的破壞,但由于其整體性良好,并沒有發(fā)生倒塌現(xiàn)象,完全滿足加固的要求。

劉偉慶等[110]采用摩擦阻尼器支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設計了地處地震高烈度區(qū)的江蘇新沂市某商業(yè)樓,并對耗能支撐框架結(jié)構(gòu)的抗震設計方法、復合耗能器滑移荷載的確定、復合耗能器的研制等做了初步的探討。

瞿偉廉等[111-112]分析了以壓電材料作為作動器的變摩擦阻尼器,用于考量高聳鋼塔半主動風振控制的效果;之后又提出了一種半主動摩擦阻尼器,通過調(diào)整阻尼器的起滑力來改善被動摩擦阻尼器的耗能減振性能,建立合肥電視塔的空間析架有限元模型和串聯(lián)多自由度體系模型,進而提出了一種基于次優(yōu)控制理論的半主動控制策略。

Hale T H等[113]對美國加利福尼亞州Sacramento的一個鋼架水箱進行了非線性時程抗震分析與設計(圖16),將Pall摩擦阻尼支撐框架加固方案與原基礎隔震加固方案進行了比較。

圖16 美國加利福尼亞州Sacramento鋼架水箱Fig.16 Sacramento steel frame water tank in California,USA

歐進萍等[114]將T形芯板摩擦阻尼器應用于云南省洱源縣振戎中學食堂,以提高其結(jié)構(gòu)抗震能力。

在實際工程案例中,由于缺少相關(guān)的規(guī)范支持且宣傳力度不足,摩擦阻尼器在國內(nèi)尚不是一種常見的阻尼器。設計摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)時主要參考以下兩本規(guī)范:建筑消能減震技術(shù)規(guī)程(JGJ 297—2013)[115]、建筑抗震設計規(guī)范(2016年版)(GB 50011—2010)[116]。本文僅列舉幾個相關(guān)的工程案例以供參考。

如圖17所示,天慶蘋果小鎮(zhèn)一期為高層住宅小區(qū),對居住的舒適度和結(jié)構(gòu)的安全性能均有要求,連梁式摩擦阻尼器的采用使得居住者的舒適度得以提高,并在抗震性能上有顯著提升。

運河宿遷港產(chǎn)業(yè)園智能倉儲區(qū)[115]地處宿遷高烈度區(qū)[圖18(a)],大跨度廠房結(jié)構(gòu)的修建極具難度,尤其是在抗震性能方面需要很大保障。采用如圖18(b)所示的摩擦阻尼器,使得結(jié)構(gòu)變?yōu)闇p震體系,既可以在小震下提供附加剛度,又可以在大震中耗散地震能量,恰好滿足了高烈度區(qū)廠房的需求。

圖片來源:http://www.shidier.com/圖17 天慶蘋果小鎮(zhèn)一期及其采用的連梁摩擦阻尼器Fig.17 Tianqing Apple Town (Phase I) and the coupling beam friction damper

圖片來源:https://www.damptech.com/japan圖18 運河宿遷港產(chǎn)業(yè)園智能倉儲區(qū)及其摩擦阻尼器安裝Fig.18 Intelligent storage area of Canal Suqian Port Industrial Park and the installation of friction damper

在國外,隨著Mualla I H博士在旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器方面的相關(guān)研究[92],丹麥Damptech公司也將旋轉(zhuǎn)摩擦阻尼器應用到了許多建筑當中。如圖19所示,日本最高的摩天大樓Abenobash高300 m,共62層,包括車站、百貨公司、辦公室、酒店、藝術(shù)博物館和天文臺。摩擦阻尼器的采用使得該建筑的抗震能力是日本政府規(guī)定的1.5倍。

綜上所述,我們可以發(fā)現(xiàn),隨著像加固、高聳建筑、大跨廠房等建筑結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn),這些建筑的安全性、舒適性及其可能需要達到的特殊性能均體現(xiàn)在了結(jié)構(gòu)抗震性能方面。在這些建筑結(jié)構(gòu)中安裝摩擦阻尼器能顯著滿足常規(guī)減震結(jié)構(gòu)對耗能、抗倒塌性能方面的需求,解決結(jié)構(gòu)的安全性問題。除此之外,由于摩擦阻尼器獨特的剛度特性,使得一些小震下需要獲得較大剛度的結(jié)構(gòu)兼具了耗散能量和增加剛度的雙重優(yōu)勢,進而起到小震下提供剛度、大震下耗散能量的作用。

5 結(jié)論與展望

本文以摩擦阻尼器為研究對象,在研究了摩擦阻尼器的摩擦原理、主要變量、相關(guān)學者的成果、近年來的相關(guān)創(chuàng)新后,闡述了其發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀,并基于此對摩擦阻尼器的研究給出結(jié)論及展望如下:

圖19 日本最高的摩天大樓Abenobashi及 摩擦阻尼器Fig.19 Abenobashi,the tallest skyscraper in Japan and friction dampers

(1) 通過梳理摩擦阻尼器的發(fā)展歷程,可將摩擦阻尼器的研究分為三個階段:基于早期摩擦阻尼器機構(gòu)的改進及優(yōu)化、跨學科領域及優(yōu)化材料的融合改進、采用有限元軟件下的實例分析。然而實際情況下摩擦阻尼器往往在結(jié)構(gòu)安裝中較為復雜,大多需要通過耳板或連接支墩轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)運動形式,在未來研究中亟需提出耗能形式更為直接的摩擦阻尼器,也可擴展如連梁連接等運用形式。隨著有限元分析的逐步深入,模型與實際試件的關(guān)聯(lián)程度也需深究,后續(xù)可就試驗中的現(xiàn)象逐步改進模型中模擬參數(shù)及條件,使其更加貼近實際情況。

(2) 基于庫侖摩擦理論,歸納影響摩擦阻尼器性能的主要因素有:材料、預緊力及組件尺寸。但以往的研究內(nèi)容較單一,同時針對以上三種因素的研究鮮有報道。單就預緊力而言,以往對摩擦阻尼器的研究往往針對于減緩、削弱或主動控制螺栓的預緊力損失,較少就控制或減緩預緊性能損失的相關(guān)研究較少。隨著承載-消能雙功能的需求,未來可從復合角度研究性能更為優(yōu)越的摩擦阻尼器。

(3) 整合現(xiàn)行摩擦阻尼器的試驗形式,將其分為阻尼器往復加載、阻尼器結(jié)構(gòu)往復加載以及阻尼器結(jié)構(gòu)振動臺試驗三種。不同學者就試驗改進方面進行了很多研究,但就試驗精度方面往往依賴于設備本身的測試精度,未來研究中可以針對現(xiàn)有技術(shù)改進試驗測試方案,進而得到更為精確的摩擦阻尼器試驗結(jié)果

(4) 分析既有摩擦阻尼器工程應用案例,已有少量結(jié)構(gòu)參照現(xiàn)行規(guī)范進行設計,但由于規(guī)范及計算方法尚不統(tǒng)一,往往需要借鑒其他類型阻尼器的計算方法。后續(xù)研究應就大量實際案例,結(jié)合在中、大震加載下多種軟件中阻尼器的性能,整合統(tǒng)一的計算方法,以更好地保證結(jié)構(gòu)安全;也應在各類新式摩擦阻尼器出現(xiàn)的同時,補充改進計算方法,使得摩擦阻尼器的運用更加普及完善。