復(fù)合耗能阻尼器研究進展

趙子龍

（廣州大學(xué)廣東省地震工程與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室）

0 引言

結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)某些部位（如支撐、剪力墻、連接縫或連接構(gòu)件）設(shè)置耗能裝置。在主體進入非彈性狀態(tài)前裝置率先進入耗能工作狀態(tài)，通過該裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑性（或粘彈性）滯回變形來耗散能量或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。消能減震耗能裝置主要包括傳統(tǒng)的金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘滯阻尼和新型的形狀記憶合金（SMA）阻尼器和質(zhì)量調(diào)諧（TMD）阻尼器，這些阻尼器均為單一耗能型減震裝置，即僅以一種耗能機制耗散能量，其耗能能力有限，不能同時適應(yīng)各級地震，如根據(jù)小、中震設(shè)計金屬阻尼器，在大震作用下，阻尼器因外荷載較大而超過其極限變形能力導(dǎo)致破壞，無法耗能；若根據(jù)大震設(shè)計摩擦阻尼器，則阻尼器在小、中震作用下，只能為結(jié)構(gòu)提供剛度，無法進行工作耗能。故國內(nèi)外一些學(xué)者基于“綜合利用不同耗能原理或機制來設(shè)計新型耗能減震器，即耗能器同時利用兩種或兩種以上的方式耗能”的思想提出了將多種阻尼器組合形成的新型復(fù)合阻尼器。復(fù)合阻尼器由于結(jié)合了各阻尼器的優(yōu)點，耗能單元之間取長補短，若對二者進行優(yōu)化組合設(shè)計后可實現(xiàn)“1+1＞2”的效果，因此備受國內(nèi)外學(xué)者及工程界的關(guān)注。同傳統(tǒng)單一耗能型阻尼器相比，復(fù)合阻尼器不但具有耗能能力強和適應(yīng)性強等優(yōu)點，而且還能使各耗能單元協(xié)調(diào)工作，共同工作。因此，復(fù)合耗能阻尼器近年來在消能減震體系中得到了廣泛關(guān)注。

1 復(fù)合阻尼器研究現(xiàn)狀

按照耗能機理分類，阻尼器可分為金屬阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈阻尼器和黏滯流體阻尼器；按照相關(guān)性分類可分為位移相關(guān)型阻尼器和速度相關(guān)型阻尼器。但是目前的阻尼器大多是單一類型的阻尼器，耗能形式單一，在震后無法自復(fù)位，不能在小、大震下分階段耗能。復(fù)合型的阻尼器，是將不同類型的阻尼器或者不同的材料，通過構(gòu)造方面的特殊設(shè)計組合在一起，利用不同的耗能機制，使其能夠應(yīng)對不同的地震作用，耗能更徹底，能夠更好地保護主體結(jié)構(gòu)不在地震中受損。

1.1 SMA 復(fù)合阻尼器

形狀記憶合金（SMA）是一種具有超彈性、高阻尼和性形狀記憶功能等性能的新型智能材料。SMA 根據(jù)環(huán)境溫度的不同，可以分別表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)和超彈性遲滯效應(yīng)。故一些學(xué)者根據(jù)SMA 不同的材料特性將其與阻尼器相結(jié)合組成復(fù)合阻尼器，并用于減震試驗研究，結(jié)果表明SMA 復(fù)合阻尼器不但具有良好的減震效果，還可以消除阻尼器的殘余應(yīng)變，使其具有自復(fù)位的功能。

左曉寶[1]等根據(jù)SMA 的超彈性特點，提出了一種超彈性SMA 復(fù)合摩擦阻尼器，該復(fù)合阻尼器的工作原理是通過內(nèi)外滑條的相對位移使SMA 變形耗能，另外還可以利用SMA 的約束使滑條之間發(fā)生摩擦進一步耗能。薛素鐸[2]等將Pall 摩擦阻尼器與SMA 絲相結(jié)合提出一種新型復(fù)合阻尼器。該阻尼器工作原理為當(dāng)外荷載受到小于摩擦起滑力時，阻尼器不工作；當(dāng)外力大于摩擦起滑力后，摩擦墊開始轉(zhuǎn)動產(chǎn)生摩擦耗能，同時相應(yīng)的SMA絲也產(chǎn)生變形耗能。錢輝、任文杰[3]等研制出一種自復(fù)位SMA 摩擦阻尼器(HSMAFD)，如圖1 所示。該復(fù)合阻尼器也是通過摩擦板之間的相對滑動帶動SMA 進行拉伸和壓縮，使其同時產(chǎn)生摩擦耗能和SMA 變形耗能，另外SMA 還具有自復(fù)位的功能。戴納新[4]等提出一種新型壓電-SMA 變摩擦阻尼器，并對其進行了力學(xué)性能試驗。結(jié)果表明，SMA 絲能夠提供很好的自復(fù)位能力，智能壓電半主動和被動控制下的滯回性能穩(wěn)定。

圖1 自復(fù)位SMA 摩擦阻尼器構(gòu)造

1.2 金屬復(fù)合阻尼器

金屬阻尼器取材簡單，耗能原理明確，其耗能效果與使用的金屬的數(shù)量有關(guān)。金屬阻尼器大多尺寸固定，耗能量固定；摩擦阻尼器耗能量與其摩擦力大小有關(guān)，一般情況下摩擦力大小也是固定的，因此兩者都無法同時適應(yīng)大小震。金屬阻尼器與摩擦阻尼器都是位移相關(guān)型阻尼器，將二者相結(jié)合，通過調(diào)整摩擦－金屬復(fù)合阻尼器尺寸等參數(shù)，可以使兩種阻尼器分別在小位移和大位移下參與耗能。

顏學(xué)淵[5]等提出一種適用于多級地震的新型鉛擠壓摩擦復(fù)合阻尼器（LEFCD）。與傳統(tǒng)的金屬阻尼器相比，LEFCD 具有可更換和提供特定性能等優(yōu)點。在小、中震作用下，LEFCD 只使用鉛擠壓阻尼器進行耗能；在大震作用下，LEFCD 同時使用鉛擠壓和摩擦阻尼器消散地震能量。Lee[6]等為提高結(jié)構(gòu)在不同地震動強度下的抗震性能，提出了一種結(jié)合了摩擦阻尼器和軟鋼阻尼器的新型復(fù)合阻尼器（簡稱DS），如圖2 所示。通過理論分析給出了該復(fù)合阻尼器的恢復(fù)力模型。該復(fù)合阻尼器的工作機理分為兩個階段，第一階段為只摩擦阻尼器工作耗能，第二階段為摩擦阻尼器和金屬阻尼器共同耗能。Hyunkoo[7]等將槽型鋼縫阻尼器和轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器并聯(lián)，提出一種用于結(jié)構(gòu)抗震改造的新型復(fù)合消能阻尼器。該阻尼器小震情況下，只有摩擦阻尼器起作用；大震下，摩擦阻尼器和鋼縫阻尼器共同參與耗能。Joonho、Jinkoo[8]等在Hyunkoo 研究的基礎(chǔ)上，提出另外-種鋼縫- 摩擦復(fù)合阻尼器，其工作性能和耗能能力與Hyunkoo 提出的復(fù)合阻尼器差異不大。

圖2 鋼縫- 摩擦復(fù)合阻尼器

1.3 TMD 復(fù)合阻尼器

一般的TMD (Tuned Mass Damper，質(zhì)量調(diào)諧阻尼器) 通過設(shè)計使其固有頻率與主結(jié)構(gòu)的控制頻率相近，當(dāng)TMD 安裝在主結(jié)構(gòu)上時，一旦發(fā)生振動，由于慣性的作用，TMD 會對主結(jié)構(gòu)施加一個與振動方向相反的慣性力，從而減小主結(jié)構(gòu)的振動。但TMD 只能對某個區(qū)間內(nèi)的頻率起作用，只能針對主結(jié)構(gòu)的某一特定振型起作用，并且由于誤差的存在，通過計算所得到的最優(yōu)值并不能夠準確實現(xiàn)。因此，國內(nèi)外研究者根據(jù)TMD 特性將其與其他阻尼器組合而成得到新型復(fù)合阻尼器，在一定程度上達到了更高的功能需求。

戴軍[9]等提出了一種黏彈性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，該阻尼器由質(zhì)量塊、彈性單元和阻尼單元組成，如圖3 所示。作者通過建立該阻尼器系統(tǒng)的動力學(xué)方程和定義頻率依賴性指標對受控結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了研究分析。分析表明，黏彈性材料的頻率依賴性越高，該復(fù)合阻尼器的減震效果越好；而損傷因子的頻率依賴性對復(fù)合阻尼器的控制效果影響較小。王社良[10]等根據(jù)SMA 的超彈性特點，將其與TMD 相結(jié)合提出一種SMA 復(fù)合懸擺減震系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過懸擺左右運動時，帶動滑塊左右滑動，與滑塊相連接的SMA 絲也隨之產(chǎn)生相對位移而變形耗能（一側(cè)拉伸，一側(cè)壓縮）。國外學(xué)者Zhang[11]等最早提出了黏彈性碰撞調(diào)諧阻尼器(PTMD)。PTMD 是通過用黏彈性材料組成的介質(zhì)層來限制TMD 的行程，并與之發(fā)生碰撞來消耗能量。作者將其放置在55m 高的輸電塔模型上進行了減震分析，并提出了最優(yōu)化參數(shù)設(shè)計。另外還將阻尼器用于海底管道的減振控制上，研究了海水對黏彈性PTMD 控制效果的影響。Tian[12]等將TMD 中的普通彈簧換成SMA 螺旋彈簧，制成SMA-TMD 阻尼器。作者利用ANSYS 建立了安裝三種不同材性的SMA-TMD 輸電塔的三維有限元模型，并采用非線性時程分析對其進行地震響應(yīng)分析。研究表明，不同形狀的SMA-TMD 都能夠有效的降低輸電塔的位移響應(yīng)。

圖3 黏彈性調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

2 小結(jié)

綜上所述，SMA 復(fù)合阻尼器不但具有良好的減震效果，還具有自復(fù)位的功能；金屬復(fù)合阻尼器構(gòu)造簡單、耗能明確，工程易于實現(xiàn)；TMD 復(fù)合阻尼器相較于單一型TMD 具有更高的功能需求。因此，在實際工程中，需全面考慮建筑實際需求和減震性能目標來選擇合適的復(fù)合阻尼器。