自復位變摩擦阻尼器關鍵技術研究?

張雨珩，賴正聰，姚 超，張 彧

（1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500； 2.云南省工程抗震技術研究中心，云南 昆明 650500）

0 引言

消能減震技術在實際工程中的應用越來越廣泛，得益于其能夠有效控制結構損傷，降低結構地震響應。 作為一種新型抗震技術，為了達到提高結構抗震性能及地震安全儲備的目的，利用消能減震裝置（阻尼器）的耗能特性，將阻尼器設置在結構構件之間或建筑物與結構基礎之間，降低地震能量向建筑主體構件的傳遞。 目前，工程中常用的阻尼器包括速度型（黏滯型阻尼器）、位移型（金屬屈服型阻尼器、摩擦阻尼器）及復合型（鉛黏彈阻尼器）［1-4］。

摩擦阻尼器1982 年由Pall 等［5］第一次提出后逐漸得到廣泛的研究與應用。 吳斌等［6-7］基于Pall的研究，提出了一種改進的Pall 摩擦阻尼器T 形芯板摩擦阻尼器和一種擬黏滯摩擦阻尼器。 但上述阻尼器都存在不足，無法根據(jù)不同地震工況調整摩擦力，因此圍繞變摩擦阻尼器的研究日益增多。 彭凌云等［8］研發(fā)出一種板式變摩擦阻尼器，研究結果表明該阻尼器的滯回曲線具有典型的復阻尼特征，且在地震發(fā)生時，變摩擦阻尼器比傳統(tǒng)阻尼器可以發(fā)揮更優(yōu)的性能。 李華等［9］研發(fā)了一種金屬變摩擦阻尼器，該阻尼器通過改變金屬摩擦面的接觸面積實現(xiàn)變摩擦特性。 Blostotsky 等［10］重點研究了一種具有階梯摩擦力特性的可變摩擦阻尼器。 動態(tài)試驗表明，阻尼器的參數(shù)與理論計算結果具有良好的相關性。 但上述變摩擦阻尼器均不具備自復位功能，在地震作用后會使結構產生殘余位移，如若通過更換阻尼器等方式進行修復，工序繁瑣、成本高。 因此學者們開始對新型材料SMA 進行探索與開發(fā)，使其應用于變摩擦阻尼器中從而實現(xiàn)自復位功能。 Mauro 等［11］、常召群等［12］、屈俊童等［13］、徐偉等［14］等設計出了不同形式的SMA 摩擦阻尼器。但我國農村居民的經濟條件有限，SMA 材料價格昂貴，并不適用于農村民居。

針對農村民居的研究發(fā)現(xiàn)，木結構建筑中的梁柱之間通常采用榫卯節(jié)點進行連接。 在地震荷載下，榫卯節(jié)點由于其半剛性的特點可以吸收部分地震能量，從而保證房屋的安全，但當?shù)卣鸷奢d過大時，卯口被擠壓變形，榫頭可能會拔出，榫卯節(jié)點隨即失去承擔荷載的能力。

基于我國農村民居現(xiàn)狀和目前自復位變摩擦阻尼器存在的問題，為了增強木結構抗震能力的同時保持木結構的半剛性特點，研發(fā)了一種小噸位自復位變摩擦阻尼器，可安裝于木結構榫卯節(jié)點連接處。 該阻尼器由摩擦耗能部件、自復位部件、端部連接部件組成。 摩擦材料選用高硬度的丁腈橡膠，自復位部件選用碟形彈簧。 對7 個不同參數(shù)的試件進行擬靜力試驗，檢驗阻尼器的有效性及可靠性。運用ABAQUS 有限元軟件建立阻尼器整體三維模型進行非線性分析，得到各工況下的滯回曲線，并利用試驗數(shù)據(jù)對有限元模擬結果進行驗證。

1 阻尼器基本構造及工作原理

1.1 自復位變摩擦阻尼器基本構造

新型自復位變摩擦阻尼器構造設計如圖1 所示。 該阻尼器由摩擦耗能部件、自復位部件、端部連接部件構成。 摩擦耗能部件為摩擦材料、墊片、螺桿、螺母，自復位部件為碟形彈簧，端部連接部件包括帶螺紋套筒、帶螺紋端頭。

圖1 阻尼器構成部件Fig.1 The damper components

阻尼器的裝配如圖2 所示。 摩擦材料位于套筒中間，在摩擦材料軸向兩端各有一個墊片，作用是將碟形彈簧產生的軸向力傳遞給摩擦材料。 螺桿穿過摩擦材料和墊片，螺母將螺桿、墊片、摩擦材料固定在一起。 碟形彈簧與墊片貼緊，并且碟形彈簧會填滿墊片與帶螺紋端頭之前的帶螺紋套筒的空擋部分。 螺桿會穿過碟形彈簧和帶螺紋套筒、帶螺紋端頭。 其中套筒、端頭加壓墊片采用Q235 鋼材制作，摩擦材料選用高硬度的丁腈橡膠制成。

圖2 阻尼器裝配Fig.2 Assembly of damper

1.2 自復位變摩擦阻尼器工作原理

自復位變摩擦阻尼器的工作原理主要是外部荷載作用于兩側端部連接件使螺桿發(fā)生位移，丁腈橡膠柱受到左右兩端的軸向壓力，進而消耗地震傳遞的能量，阻尼器發(fā)揮耗能作用。 同時橡膠受壓會產生徑向變形，對帶螺紋套筒產生正壓力，當正壓力增大時，摩擦力也會增大，阻尼器進入變摩擦耗能階段。 當外荷載作用消失后，碟形彈簧依靠其自身的彈性通過墊片使摩擦材料恢復到初始位置，阻尼器實現(xiàn)自復位功能，減少地震作用后的殘余變形。

2 試驗過程

2.1 工況設置

本文設計的自復位變摩擦阻尼器部件的主要尺寸為：套筒總長280mm，內徑50mm，外徑60mm，兩端螺紋部分各占65mm。 螺桿總長為330mm，直徑14mm。 墊片厚度5mm，內徑14mm，外徑49mm。碟形彈簧尺寸45mm × 22.4mm × 1.75mm × 3.05（外徑×內徑×厚度×自由高度）。 阻尼器實物如圖3所示。 為了探究丁腈橡膠柱長度、硬度和加載位移幅值對阻尼器耗能能力的影響，共設計了7 個試件（見表1），分別記為試件1～7。

表1 摩擦阻尼器試件Table 1 Friction damper specimen

圖3 阻尼器Fig.3 Damper

阻尼器擬靜力試驗共有3 個工況：①工況1保持丁腈橡膠柱硬度不變，在一定的加載速率和加載幅值情況下，探究丁腈橡膠柱長度對阻尼器性能的影響；②工況2 保持丁腈橡膠柱長度不變，在一定的加載速率和加載幅值情況下，探究橡膠硬度對阻尼器性能的影響；③工況3 保持丁腈橡膠柱長度和硬度不變，探究加載幅值對阻尼器性能的影響。 工況1 和工況2 的加載位移幅值均保持±10mm，循環(huán)3 圈。 工況3 每循環(huán)3 圈改變一次位移幅值，加載位移幅值分別為±3mm，±6mm。

2.2 試驗加載裝置

阻尼器的擬靜力試驗由MTS 萬能試驗機完成，如圖4 所示。 試驗的加載方式采用位移控制，按JGJ／T 101—2015《建筑抗震試驗方法規(guī)程》進行。 試驗加載時，阻尼器通過上、下夾具垂直固定于試驗機，其中，上部夾具與阻尼器傳力螺桿連接。

圖4 阻尼器試驗加載裝置Fig.4 Damper test loading device

2.3 力學參數(shù)定義

為了更精準地分析各個工況下該阻尼器的力學性能，特定義3 個性能參數(shù)。

1）單圈循環(huán)耗能Wd

在一次拉壓循環(huán)工況中，阻尼器所形成的滯回曲線包絡面積代表阻尼器單位循環(huán)的耗能能力［15］。

2）等效割線剛度Keq

式中：Dmax和Dmin分別表示在一次拉壓循環(huán)中，阻尼器所產生的最大位移和最小位移；Fmax和Fmin分別表示在一次加載循環(huán)中，阻尼器所產生的最大輸出力和最小輸出力［16］。

3）等效阻尼比ξeq

3 試驗結果分析

3.1 丁腈橡膠柱長度對阻尼器性能影響

不同橡膠柱長度的阻尼器滯回曲線如圖5 所示，力學參數(shù)如表2 所示。

表2 不同橡膠柱長度的阻尼器力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of the dampers for different rubber column lengths

圖5 不同橡膠柱長度的阻尼器滯回曲線Fig.5 Damper hysteresis curves for different rubber column lengths

由圖5 可知，阻尼器所形成滯回曲線的面積隨著丁腈橡膠柱長度的增長而逐漸增大，同時曲線的形態(tài)趨于飽滿。 試驗數(shù)據(jù)在加載完成后出現(xiàn)抖動是因為采用的碟形彈簧之間有微小的錯動位移。

由表2 可知，與試件1 相比，試件2，3 的橡膠柱長度分別增加了10mm 和20mm，單圈耗能能力分別增加了79.44%和166.79%，增幅明顯；等效割線剛度分別增加了12.58%和19.26%，有較小幅度增加；等效阻尼比分別增加了26.69%和57.41%，說明阻尼器的阻尼能力逐漸增強。

綜上所述，阻尼器中丁腈橡膠柱長度逐漸增加，阻尼器耗散能量顯著增大，有利于降低結構損傷，提高結構耗能減震能力。

3.2 丁腈橡膠柱硬度對阻尼器性能影響

不同橡膠柱硬度的阻尼器滯回曲線如圖6 所示，力學參數(shù)如表3 所示。

表3 不同橡膠柱硬度的阻尼器力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of the dampers of different rubber column hardness

圖6 不同橡膠柱硬度的阻尼器滯回曲線Fig.6 Damper hysteresis curve of different rubber column hardness

由圖6 可知，丁腈橡膠柱硬度為80HA 的阻尼器滯回曲線最為飽滿，但當丁腈橡膠柱硬度增加到90HA 時，滯回曲線出現(xiàn)較大滑移量，耗能能力減弱，這是由于它作為一種高硬度橡膠，本身的黏彈性很小，受到相同位移帶來的軸向壓力時膨脹較小，需要更大的位移才能有足夠的徑向膨脹產生摩擦力。

由表3 可知，試件4、試件2、試件5 的橡膠柱硬度從70HA 增加到90HA，單位拉壓循環(huán)下吸收的能量先增大后減小，但總體呈增大趨勢；等效割線剛度隨丁腈橡膠柱硬度的增加而減小，但剛度減小的速度逐漸放緩；等效阻尼比與單圈耗能能力的變化規(guī)律相似，且增幅非常明顯。

綜上所述，在一定范圍內，增大丁腈橡膠硬度可以有效增強阻尼器耗能能力，但超過一定范圍后，丁腈橡膠柱硬度過大會使徑向膨脹困難，阻尼器摩擦耗能效果減弱。

3.3 位移幅值對阻尼器性能影響

不同位移幅值阻尼器滯回曲線如圖7 所示，力學參數(shù)如表4 所示。

表4 不同位移幅值時阻尼器力學參數(shù)Table 4 Damper mechanical parameters of different displacement amplitude

圖7 不同位移幅值阻尼器滯回曲線Fig.7 Damper hysteresis curve of different displacement amplitude

由圖7 可知，在不同的位移幅值下，該阻尼器提供了不同的摩擦力，實現(xiàn)了變摩擦功能，且阻尼器的滯回曲線隨著位移幅值的增大逐漸趨向飽滿，體現(xiàn)出良好的抗震性能。

由表4 可知，當阻尼器加載位移幅值由3mm 增加至10mm 時，阻尼器單圈耗能能力最大增幅為972.8%，等效阻尼比最大增幅為313.78%，從數(shù)據(jù)上可以直觀看出該阻尼器做到了“小震小位移少耗能，大震大位移多耗能”，等效割線剛度有所降低，有利于保護結構主體。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 阻尼器有限元建模

在ABAQUS 軟件中原比例建立自復位摩擦阻尼器試驗模型，有限元模型裝配如圖8 所示。 部件材料定義與試驗所采用的材料相對應。 使用Mooney-Rivlin 模型定義自復位變摩擦阻尼器中摩擦材料本構關系，具體參數(shù)根據(jù)橡膠單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)擬合得出。 碟形彈簧使用線單元彈簧模擬，橡膠柱根據(jù)橡膠試驗數(shù)據(jù)擬合。 其余構件的材料基本參數(shù)如表5 所示。

表5 有限元模型各構件基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of each component of the finite element model

圖8 阻尼器模型裝配剖面Fig.8 Damper model assembly profile

為簡化分析、降低模型的收斂難度，碟形彈簧在ABAQUS 軟件中不采用實體單元模擬，而是使用軸向連接類型進行定義，具體步驟是將加壓墊片構件4 等分后在相應位置環(huán)向布置4 個大小相等的軸向連接，并將碟形彈簧的剛度平均分配到4 個軸向連接上，單片碟形彈簧計算剛度取3 442N／mm。

模型網格劃分（除橡膠）均采用三維八節(jié)點六面體線性減縮積分單元（C3D8R），橡膠選用八節(jié)點六面體減縮雜交單元（C3D8RH）模擬，網格劃分如圖9 所示。

圖9 網格劃分Fig.9 Mesh partition

在摩擦阻尼器的模型中，接觸方式為面對面的接觸方式，選擇剛度較大部件的接觸面為主面，剛度較小部件的接觸面為從面。 橡膠摩擦材料的側面與鋼管套筒的接觸關系中，套筒的內表面作為主面。 橡膠摩擦材料的上下表面與加壓墊片的接觸關系中墊片為主面，橡膠作為從面。

在模型中，摩擦橡膠塊與外摩擦鋼管之間設置為庫侖摩擦接觸，有限元模型中的摩擦系數(shù)取實測值0.85，摩擦橡膠塊與加壓墊片之間采用硬接觸。

在模型中將套筒2 段用帶孔圓片進行封閉，圓片與套筒用Tie 綁定。 邊界條件設置套筒一端完全固定，螺桿采用位移控制法設置一個軸向的反復運動。

4.2 試驗結果與模擬值對比分析

試驗結果與模擬值的對比如圖10 所示，裝配丁腈橡膠硬度為70HA、長度為40mm 的摩擦阻尼器試驗及模擬的正向最大承載力相差1.7%，負向最大承載力相差2.8%，滯回環(huán)面積相差14.9%。 裝配丁腈橡膠硬度為80HA、長度為40mm 的摩擦阻尼器試驗及模擬的正向最大承載力相差8.7%，負向最大承載力相差0.4%，滯回環(huán)面積相差8.1%。 裝配丁腈橡膠硬度為90HA、長度為40mm 的摩擦阻尼器試驗及模擬的正向最大承載力相差1.5%，負向最大承載力相差6.9%，滯回環(huán)面積相差2.3%。 裝配丁腈橡膠硬度為80HA、長度為50mm 的摩擦阻尼器試驗及模擬的正向最大承載力相差12.3%，負向最大承載力相差5.9%，滯回環(huán)面積相差7.6%。

圖10 阻尼器模型與試驗滯回曲線對比Fig.10 Comparison of the damper model with the test hysteresis curve

由此可知，模擬的滯回曲線與試驗數(shù)據(jù)誤差在15%以內，且模擬得出的數(shù)值均比試驗得出的數(shù)值大，分析原因在于模擬過程中橡膠沒有磨損，而試驗中橡膠膨脹摩擦過后會有一定的磨損。

5 結語

本文利用橡膠的耗能特性和碟形彈簧的復位功能，研發(fā)了一種針對木結構的小噸位自復位變摩擦阻尼器，通過對其滯回性能的試驗研究和有限元模擬，得到以下結論。

1）當圓柱狀橡膠摩擦材料硬度一定時，隨著橡膠摩擦材料長度的增加，其摩擦接觸面上的面積增加，且單位長度變形增加，阻尼器的耗能性能得到提升。

2）在一定范圍內，阻尼器的抗震性能隨橡膠硬度的增大而提高。 裝配橡膠摩擦材料為邵氏硬度80HA 的阻尼器既能產生較大的摩擦耗能又能產生一定的黏彈變形耗能。 但當其值超過某一橡膠硬度后，阻尼器的抗震性能會出現(xiàn)降級現(xiàn)象。

3）當圓柱狀橡膠摩擦材料長度和硬度一定時，該阻尼器的耗能能力與加載位移幅值呈正相關特性。

4）模擬的滯回曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，誤差均在15%以內。 以后的研究中可增加螺桿的強度等級或者選用更大直徑的螺桿。