新型自復(fù)位變摩擦阻尼器試驗(yàn)研究

屈俊童, 張 超, 張 翔, 李正鑫, 龍寧波, 張 健

(云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院, 云南 昆明 650504)

0 引言

目前,傳統(tǒng)摩擦阻尼器無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)在不同振動(dòng)強(qiáng)度下的工作要求,且具有較大的殘余位移,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)在震后的功能恢復(fù)。因此,研究人員在傳統(tǒng)阻尼器的基礎(chǔ)上提出了“可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)”的理念,對(duì)阻尼器的研究[1-3]也提出了自復(fù)位以及高耗能的要求。

Dol1ce等[4]在用于新型隔震和耗能器件的記憶合金的項(xiàng)目中,利用形狀記憶合金的被動(dòng)地震控制裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了測(cè)試。Lagoudas等[5]使用修改的Preisach模型來(lái)研究形狀記憶合金(Shape Memory Alloy,SMA)的偽彈性響應(yīng)對(duì)阻尼和被動(dòng)隔振的影響。

Downey等[6]將一種被動(dòng)可變摩擦的阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)中。這種阻尼器能夠減輕強(qiáng)風(fēng)和地震帶來(lái)的不同危害,實(shí)際應(yīng)用表明,在地震發(fā)生時(shí),可變摩擦阻尼器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)摩擦阻尼器。Blostotsky等[7]重點(diǎn)研究了一種具有階梯摩擦力特性的可變摩擦阻尼器。提出了阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的基本理論模型,動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明,阻尼器的參數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果具有良好的相關(guān)性。Patel等[8]研究了與半主動(dòng)變摩擦阻尼器(Semi-active Variable Friction Damper,SAVFD)連接的兩個(gè)結(jié)構(gòu)在不同的地震激勵(lì)下的響應(yīng)。結(jié)果表明,通過(guò)使用SAVFD將相鄰的不同振動(dòng)頻率的結(jié)構(gòu)連接起來(lái),可以有效地降低任一結(jié)構(gòu)的地震作用。李澈等[9]介紹了一種通過(guò)獨(dú)特的“彈簧-復(fù)合坡面”機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變摩擦的新型變摩擦阻尼器。推導(dǎo)了其阻尼器力學(xué)模型為“狗骨形”,隨著位移的增大,阻尼器出力也隨之增大,達(dá)到變摩擦的要求。彭凌云等[10]提出了一種管式變摩擦阻尼器,該阻尼器主要由套筒和摩擦環(huán)組成。摩擦環(huán)徑略大于套筒內(nèi)徑,摩擦環(huán)與套筒可實(shí)現(xiàn)來(lái)回移動(dòng)并通過(guò)面的接觸產(chǎn)生摩擦力。李華等[11]提出了一種金屬變摩擦阻尼器。阻尼器是改變摩擦面的摩擦系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變摩擦,通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)分析,該阻尼器能在不同的位移下產(chǎn)生不同的阻尼力,能夠適應(yīng)地震烈度的不確定。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外對(duì)變摩擦阻尼器的研究已經(jīng)有了一定的成果,但變摩擦的實(shí)現(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文提出的自復(fù)位變摩擦阻尼器采用彈簧-坡面機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變摩擦,將形狀記憶合金與變摩擦相結(jié)合,出力明確且構(gòu)造簡(jiǎn)單,一方面增強(qiáng)了SMA阻尼器的耗能能力,另一方面解決了傳統(tǒng)摩擦阻尼器不能根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)弱來(lái)提供不同阻尼力和耗能后無(wú)法復(fù)位的弊端。

1 阻尼器構(gòu)造及工作原理

1.1 阻尼器的構(gòu)造設(shè)計(jì)

新型的自復(fù)位變摩擦阻尼器設(shè)計(jì)的主體思想是利用復(fù)合彈簧-坡面機(jī)構(gòu)達(dá)到變摩擦的要求,利用形狀記憶合金的超彈性實(shí)現(xiàn)自復(fù)位的要求。阻尼器由副板、坡面摩擦主板、固定板、NiTi形狀記憶合金絲、復(fù)位拉桿、墊圈、焊接板、摩擦塊、M10高強(qiáng)螺栓、碟簧組成,主要零件尺寸如圖1所示。

圖1 主要零件尺寸圖Fig1 Dimension of main parts

在阻尼器中,螺栓選用8.8級(jí)M10高強(qiáng)螺栓,高強(qiáng)螺栓穿過(guò)上下兩副板的螺栓孔以及固定板的螺栓孔,并在高強(qiáng)螺栓的一端疊放碟簧,碟簧[12]選取規(guī)范系列A中D20 mm,d10.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)碟簧;復(fù)位拉桿分別穿過(guò)上下兩副板、兩坡面摩擦主板以及固定板的限位孔,各個(gè)復(fù)位拉桿上下兩端均留有可穿過(guò)形狀記憶合金的小孔,形狀記憶合金絲穿過(guò)復(fù)拉桿上的小孔,兩端分別用特制夾具拉緊固定;平面摩擦片采用耐磨型石棉摩擦板,其他材料均為Q235鋼材;固定板和坡面摩擦主板之間嵌入無(wú)石棉摩擦塊,固定板和摩擦塊之間采用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘合固定;最后用焊接塊將上下兩坡面摩擦主板焊接為整體。

新型自復(fù)位變摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖、結(jié)構(gòu)分解圖,分別如圖2、圖3。

1.副板;2.坡面摩擦主板;3.固定板;4.形狀記憶合金絲;5.復(fù)位拉桿;6.墊圈;7.焊接塊;8.摩擦塊;9.M10高強(qiáng)螺栓;10.碟簧;11.復(fù)位拉桿限位孔圖2 自復(fù)位變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the self-centering variable friction damper

圖3 自復(fù)位變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)分解Fig.3 Structure exploded view of the self-centering variable friction dampe

1.2 阻尼器工作原理

圖4為自復(fù)位變摩擦阻尼器的工作原理示意圖,其中圖4(a)為裝置受拉狀態(tài)示意圖,圖4(b)為裝置平衡狀態(tài)(無(wú)外力)示意圖,圖4(c)為裝置受壓狀態(tài)示意圖。

如圖4(a)，當(dāng)阻尼器所受拉力大于主副板間以及主板和摩擦板間兩者最大摩擦力之和時(shí),固定板和副板受拉相對(duì)坡面主板向右滑動(dòng),其右側(cè)長(zhǎng)圓孔帶動(dòng)右側(cè)復(fù)位拉桿向右移動(dòng),坡面主板受拉向左滑動(dòng),同時(shí)其長(zhǎng)圓孔帶動(dòng)左側(cè)復(fù)位拉桿向左移動(dòng),從而使合金絲受拉。

圖4 自復(fù)位變摩擦阻尼器工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of working principle of the self-centering variable friction damper

同理,如圖(c)當(dāng)阻尼器受壓時(shí),固定板和副板受壓向左滑動(dòng),其左側(cè)長(zhǎng)圓孔帶動(dòng)復(fù)位拉桿向左移動(dòng),坡面主板受壓向右滑動(dòng),同時(shí)其右側(cè)長(zhǎng)圓孔帶動(dòng)右側(cè)復(fù)位桿向右移動(dòng),從而使合金絲受拉。

無(wú)論受拉或受壓,首先進(jìn)入平面段滑動(dòng),其阻尼力主要是主副板間的摩擦力、主板與摩擦片的摩擦力和形狀記憶合金所提供的力的合力,然后進(jìn)入坡面段滑動(dòng),由于主、副板間的垂直位移增大,碟簧壓縮,因此主副板接觸面的正壓力增大導(dǎo)致摩擦力增大。卸載后,形狀記憶合金的超彈性產(chǎn)生的恢復(fù)力拉動(dòng)阻尼器主板回到平衡位置,實(shí)現(xiàn)了自復(fù)位的要求。

1.3 變摩擦阻尼器力學(xué)模型

新型自復(fù)位變摩擦阻尼器是由摩擦單元和SMA單元并聯(lián)而成,因此,阻尼器的力學(xué)模型可看作是SMA單元與摩擦單元疊加而成,力學(xué)模型如圖5所示。

阻尼器因?yàn)閺?fù)合彈簧-坡面機(jī)構(gòu)的工作,存在平滑動(dòng)段和坡面滑動(dòng)段,在不同變形情況下出力也不相同,下面根據(jù)阻尼器位移變化,分情況進(jìn)行討論。

第1階段:未起滑→起滑。

此時(shí),阻尼器所受的軸力小于最大靜摩擦力,不產(chǎn)生滑動(dòng),位移為零,阻尼器在外力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的軸向變形，設(shè)為X0,將阻尼器的剛度設(shè)為k0。隨著所受軸力的增加,軸力達(dá)到使鋼板發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的力時(shí),所受軸力即為起滑力。

圖5 阻尼器的力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of the damper

第2階段:平面段摩擦。

當(dāng)阻尼器主板發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)后,首先進(jìn)入一段平面滑動(dòng)段,在這個(gè)過(guò)程中阻尼力為滑動(dòng)摩擦力,理論上其值略小于起滑力,但為了方便計(jì)算假定兩者大小相同。在主板相對(duì)滑動(dòng)的過(guò)程中,合金絲也被拉長(zhǎng),阻尼器出力為動(dòng)摩擦力與合金絲力的合力。此時(shí),動(dòng)摩擦力不變,合金絲出力隨位移而變化。

第3階段:坡面段摩擦。

隨著坡面摩擦主副板位移增大,滑動(dòng)至平面段末端時(shí),開(kāi)始進(jìn)入坡面段,主副板之間的垂直位移逐漸增大進(jìn)而壓縮碟簧,從而主副板所受的正壓力也隨之增大,正壓力的增大使摩擦力變大,從而實(shí)現(xiàn)變摩擦的功能,與此同時(shí)形狀記憶合金隨著位移增大而繼續(xù)提供相應(yīng)的力。

坡面工作段如圖6所示。其中N為坡面滑動(dòng)段正壓力;N1為垂直于坡面的正壓力分量;N2為垂直于坡面的正壓力分量;fs為坡面滑動(dòng)段摩擦力;fs1坡面滑動(dòng)段上水平分力;fp平面滑動(dòng)面摩擦力;μs主副板間滑動(dòng)面摩擦系數(shù);μp平面滑動(dòng)面摩擦系數(shù);FSMA為形狀記憶合金出力;F為阻尼器提供的阻尼力。

圖6 坡面工作段受力狀態(tài)Fig.6 Stress state of slope working section

第4階段:過(guò)渡段→反向起滑。

這個(gè)過(guò)程是一個(gè)臨界狀態(tài),即主副板之間的水平位移達(dá)到最大值,阻尼力也達(dá)到最大值,阻尼器出力不變。在這個(gè)臨界狀態(tài),主副板直到因形狀記憶合金的恢復(fù)力達(dá)到最大值而產(chǎn)生滑動(dòng),阻尼器進(jìn)入下一個(gè)階段。

第5階段:坡面復(fù)位段。

當(dāng)外力減小或者消失時(shí),合金絲超彈性產(chǎn)生的恢復(fù)力開(kāi)始拉動(dòng)主副板向初始位置滑動(dòng),主副板間滑動(dòng)位移逐漸減小,則垂直位移逐漸減小,進(jìn)而碟簧施加的正壓力也減小,摩擦力也隨之減小。坡面復(fù)位段如圖7所示。

圖7 坡面復(fù)位段受力狀態(tài)Fig.7 stress state of slope restoration section

第6階段:平面復(fù)位段。

坡面滑動(dòng)結(jié)束后,主副板進(jìn)入到平面滑動(dòng)段,因兩板間垂直距離不再變化,碟簧正壓力也不再發(fā)生變化,摩擦力大小保持不變且方向與恢復(fù)力方向相反,最終在合金絲恢復(fù)力的作用下,阻尼器恢復(fù)平衡狀態(tài)。

根據(jù)上述各過(guò)程可得,在不同的阻尼器變形階段,阻尼器提供的阻尼力和剛度不一樣,且各個(gè)階段的剛度為阻尼力與位移的比值,綜上阻尼器各階段的出力與剛度匯總?cè)缦隆?/p>

SMA絲拉伸恢復(fù)力FSMA表達(dá)式為:

FSMA=σA

(1)

式中:A為SMA合金絲截面面積;σ為SMA絲應(yīng)力。

分析上述阻尼器的1～6階段得到相應(yīng)的A～F點(diǎn)的出力與剛度大小,可得其理論滯回曲線如圖8所示。

表1 阻尼器剛度出力表

圖8 理論滯回曲線示意圖Fig.8 Schematic diagram of the theoretical hysteresis curve

1.4 功能特點(diǎn)

一般情況下,傳統(tǒng)摩擦阻尼器摩擦面的預(yù)壓力和摩擦系數(shù)是定值,則提供的阻尼力為定值,這就使得傳統(tǒng)摩擦阻尼器無(wú)法適應(yīng)不同的振動(dòng)強(qiáng)度,而地震作用又具有隨機(jī)性,無(wú)法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)遭遇的地震強(qiáng)度,因此就無(wú)法確定摩擦阻尼器合適的起滑力。改進(jìn)后的摩擦阻尼器根據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)弱來(lái)提供不同的阻尼力以此來(lái)適應(yīng)不同荷載作用下的減振要求。

2 阻尼器的力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

變摩擦自復(fù)位阻尼器的SMA絲,初始應(yīng)變2%,其中Ni含量為55.8%,Ti含量為44.2%,由深圳翌天金屬有限公司生產(chǎn)的鎳鈦合金絲,單根合金絲長(zhǎng)400 mm,共計(jì)使用8根,阻尼器預(yù)緊力由M10高強(qiáng)螺栓施加,具體構(gòu)造及連接形式見(jiàn)第1節(jié)阻尼器的構(gòu)造及工作原理。

主要對(duì)合金絲D、變摩擦坡面坡度i(坡面垂直高度/水平距離)、螺栓預(yù)緊力N三個(gè)因素進(jìn)行討論。阻尼器的加卸載試驗(yàn)在云南宇周檢測(cè)技術(shù)有限公司的微機(jī)電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)裝置如圖9所示,加載過(guò)程由計(jì)算機(jī)位移控制,加載速率5 mm/min,數(shù)據(jù)自動(dòng)采集,現(xiàn)擬定加載工況如下:

工況一:N分別取3 kN和5 kN;位移幅值依次取10 mm和20 mm,D取1.5 mm和2 mm;i=1/30。

工況二:N分別 3 kN和5 kN,位移幅值依次取10 mm和20 mm,D取值2 mm;i=1/20。

圖9 實(shí)驗(yàn)加載裝置Fig.9 Experimental loading device

2.2 力學(xué)參數(shù)選取

為了分析阻尼器在上述試驗(yàn)加載方案下的力學(xué)性能,選取的相關(guān)力學(xué)參數(shù)如下:

(1) 單次循環(huán)消耗能量W,即一個(gè)循環(huán)滯回曲線所圍成面積大小,揭示阻尼器耗能能力。

(2) 割線剛度K,表達(dá)式如下:

(2)

式中:Fmax、Fmin為阻尼器的最大、最小輸出力;Dmax、Dmin為阻尼器輸出位移的最大、最小值。

(3) 等效黏性阻尼系數(shù)ξeq,表征阻尼器阻尼能力,計(jì)算公式如下:

(3)

(4) 加卸載完成后的殘余位移Dr,表征阻尼器的自復(fù)位能力。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)化分析

如圖10(a)、(b)分別是預(yù)緊力N分別為3 kN和5 kN,坡度i=1/30、合金絲直徑D=1.5 mm的自復(fù)位變摩擦阻尼器在不同位移幅值下的滯回曲線;圖10(c)、(d)分別是預(yù)緊力N分別為5 kN和3 kN,坡度i=1/30、合金絲直徑D=2 mm的自復(fù)位變摩擦阻尼器在不同位移幅值下的滯回曲線;圖10(e)、(f)分別是預(yù)緊力N分別為5 kN和3 kN,坡度i=1/20;合金絲直徑D=2 mm的自復(fù)位變摩擦阻尼器在不同位移幅值下的滯回曲線;表2列出來(lái)阻尼器在不同加載工況下的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)圖10以及表2得到如下結(jié)論:

圖10 不同工況下阻尼器滯回曲線Fig.10 Hysteretic curve of damper under different working conditions

表2 自復(fù)位變摩擦阻尼器試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)表

(1) 對(duì)比預(yù)緊力3 kN和5 kN,隨著預(yù)緊力的增加,阻尼器的單次循環(huán)耗能增幅15.6%～50.5%,增幅明顯;割線剛度增長(zhǎng)了2%～18%,有小幅度的增加;等效黏性阻尼系數(shù)略有增大,說(shuō)明增加螺栓預(yù)緊力可以有效提高阻尼器的耗能能力,但其自復(fù)位能力就有所下降。(2)對(duì)比位移10 mm和20 mm,隨著位移幅值的增大,單次循環(huán)耗能增幅非常明顯,增加的幅度均大于260%,進(jìn)一步表明了阻尼器坡面段的耗能能力遠(yuǎn)大于平面段的耗能能力;割線剛度均有不同程度的增大,說(shuō)明阻尼器進(jìn)入坡面段以后出力更加明顯。(3)對(duì)比坡度1/30和1/20，隨著坡度的增大，在變摩擦部分,曲線斜率有所變大,包圍的面積變大,其黏性阻尼系數(shù)有所減小,殘余位移也明顯減小,說(shuō)明坡度的增大能夠提高阻尼器的自復(fù)位和耗能能力。(4)對(duì)比合金絲直徑1.5 mm和2 mm,隨著直徑的增大,單次循環(huán)耗能增長(zhǎng)了9.4%～22.9%;割線剛度增加明顯，殘余位移減小了55.0%～69.7%;等效黏性阻尼系數(shù)也有所減小。增加合金絲直徑,阻尼器的耗能和自復(fù)位能力有明顯的增強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文介紹了新型自復(fù)位變摩擦阻尼器的基本構(gòu)造及工作原理,通過(guò)分析其工作原理,推出了阻尼器的力學(xué)表達(dá)式,并對(duì)阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。主要得到了以下結(jié)論:

(1) 該新型阻尼器構(gòu)造簡(jiǎn)單,出力明確,由阻尼器的SMA單元和摩擦單元得到的理論力學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)的滯回曲線吻合較好,以此驗(yàn)證了上文提出的力學(xué)模型的正確性。

(2) 利用復(fù)合彈簧-坡面機(jī)構(gòu)以及形狀記憶合金的超彈性得到的新型自復(fù)位變摩擦阻尼器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)變摩擦的要求,而且滯回曲線飽滿,能達(dá)到耗能要求,殘余位移較小,具有良好的復(fù)位能力。

(3) 增加使用合金絲用量以及合理設(shè)置螺栓預(yù)緊力的大小可以有效提高阻尼器的耗能能力;自復(fù)位能力在預(yù)緊力增大時(shí)會(huì)減弱,在合金絲直徑和坡面坡度增大時(shí)會(huì)增強(qiáng)。總體來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)阻尼器時(shí)需要調(diào)整好合金絲直徑、螺栓預(yù)緊力和坡面坡度等因素的影響,為該類(lèi)變摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)提供了借鑒價(jià)值。