SMA摩擦型阻尼器的研究進(jìn)展

張翔宇，胡方琪 （內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

如何有效地預(yù)防自然災(zāi)害的侵襲、減少地震等自然災(zāi)害對地上建筑所造成的破壞，一直都是現(xiàn)代土木行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問題[1]。我國因特殊的地理位置與復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，特別容易遭受地震災(zāi)害的侵襲[2-3]。因此我國對建筑抗震設(shè)計(jì)的要求越來越嚴(yán)格，對結(jié)構(gòu)的消能減震能力也越來越重視。

在以往，我國建筑工程的抗震設(shè)計(jì)主要是以抗震“延性”設(shè)計(jì)為主，隨著科技的進(jìn)步，抗震設(shè)計(jì)理念正逐漸由“延性”理念轉(zhuǎn)向“韌性”理念[4-5]。目前，我國已有多種技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震“韌性”設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用[6]。近年來，為了進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震“韌性”設(shè)計(jì)理念與實(shí)際抗震工程的融合應(yīng)用，我國土木工程在結(jié)構(gòu)抗震的研究方向正逐步趨向于智能金屬材料與建筑結(jié)構(gòu)體系的融合研究，其中形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）作為一種新型的智能功能型材料，因其具有的形狀記憶效應(yīng)（SME）和超彈性效應(yīng)（SE）等特性，在消能減震、結(jié)構(gòu)加固、裂縫修復(fù)等方面具有良好的應(yīng)用效果。特別在消能減震技術(shù)領(lǐng)域中，SMA 自復(fù)位阻尼器的研究對整體結(jié)構(gòu)的抗震“韌性”能力的提升具有重要作用[7]。此外，該技術(shù)與結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域的抗震“韌性”設(shè)計(jì)理念的發(fā)展方向相符合，在未來具有巨大的潛力。

2 SMA發(fā)展歷史與材料特性

2.1 SMA發(fā)展歷史

1932 年形狀記憶合金（SMA）首次被Arne Olander[8]發(fā)現(xiàn)，隨后經(jīng)過科學(xué)家們多年的研究，于1941 年Vernon 首次提出“形狀記憶”這一概念名詞。此后，SMA 受到了越來越多的科學(xué)家的關(guān)注，并通過研究發(fā)現(xiàn)SMA 的“形狀記憶”這一特殊的冶金特性是由于可逆馬氏體相變引起的。在經(jīng)過近8 年的研究后，終于在1949 年，Kurdjumov 和Khandros[9]在研究Cu-Zn 合金的可逆馬氏體試驗(yàn)中提出了熱彈性馬氏體相變概念，進(jìn)而解釋了馬氏體可逆相變的原理。又經(jīng)歷近20 年的研究后，在1963 年William Buehler 和Frederick Wang[10]在鎳鈦（Ni-Ti）合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)（SME）。至此，形狀記憶合金開始得到廣泛地應(yīng)用。

2.2 SMA材料特性介紹

SMA 是一種可以自動(dòng)或通過激勵(lì)進(jìn)行應(yīng)變恢復(fù)的獨(dú)特金屬材料，1998 年Otsuka 和Wayman[11]對其微觀結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該材料主要有馬氏體和奧氏體兩種相變，并且具有三種不同的晶體結(jié)構(gòu)，分別為孿晶馬氏體、非孿晶馬氏體和奧氏體。從奧氏體到馬氏體的相變稱為正向相變，從馬氏體到奧氏體的相變稱為反向相變。有四個(gè)與轉(zhuǎn)變過程相關(guān)的特征溫度，即馬氏體相變開始溫度Ms、馬氏體相變結(jié)束溫度Mf、奧氏體相變開始溫度As和奧氏體相變結(jié)束溫度Af，如圖1所示[12]。

圖1 形狀記憶合金的相變與晶體結(jié)構(gòu)

SMA 有兩個(gè)顯著的特征分別為形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect）和超彈性效應(yīng)（Superelas-ticity）。SMA所具有的形狀記憶效應(yīng)主要是指材料在低溫或受到應(yīng)力作用時(shí)，經(jīng)受塑性變形，在溫度升高或應(yīng)力降低時(shí)，材料可以恢復(fù)原來的形狀[13]，其應(yīng)力應(yīng)變圖如圖2所示。

圖2[12] SMA材料的形狀記憶效應(yīng)和超彈性

2.2.1 形狀記憶效應(yīng)（SME）

形狀記憶效應(yīng)又可分為單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)。單程記憶效應(yīng)指的是在低溫相馬氏體相下變形，在加熱后，恢復(fù)到高溫相奧氏體相時(shí)的形狀；雙程記憶效應(yīng)是指加熱后恢復(fù)至高溫相奧氏體相形狀，冷卻又恢復(fù)至低溫相馬氏體相；全程記憶效應(yīng)則是指加熱恢復(fù)至高溫相奧氏體相，冷卻后變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵囫R氏體相形狀。

2.2.2 超彈性（SE）

當(dāng)溫度超過奧氏體相變結(jié)束溫度（Af）時(shí)，SMA 材料產(chǎn)生非彈性應(yīng)變，材料通過從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍\晶馬氏體來適應(yīng)應(yīng)變。由于其內(nèi)部仍存在可以使材料恢復(fù)原始形狀的收縮力或恢復(fù)力，因此在卸載時(shí)即使不加熱，卸載后也可自動(dòng)恢復(fù)8%～10%的應(yīng)變，這種現(xiàn)象被稱為形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)[14-15]。

3 SMA摩擦阻尼器研究進(jìn)展

我國的消能減震技術(shù)以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震“韌性”為主導(dǎo)，大力發(fā)展自復(fù)位阻尼器的相關(guān)研究。形狀記憶合金（SMA）因其超彈性，在消能減震技術(shù)方面主要應(yīng)用于自復(fù)位阻尼器的研發(fā)，從而克服傳統(tǒng)阻尼器不具有自復(fù)位能力和殘余應(yīng)變過大等缺點(diǎn)。

傳統(tǒng)的阻尼器產(chǎn)生的滯回曲線是較為“飽滿”的，其產(chǎn)生的殘余應(yīng)變較小，而自復(fù)位阻尼器產(chǎn)生的“旗幟”型滯回曲線[16]，其產(chǎn)生的殘余應(yīng)變在外力為零時(shí)相較于傳統(tǒng)阻尼器更小。結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)變是評估結(jié)構(gòu)可修復(fù)性的一個(gè)重要指標(biāo)，因此自復(fù)位阻尼器在降低殘余應(yīng)變方面更為突出，更加有助于災(zāi)后對結(jié)構(gòu)的修復(fù)工作。

1991 年，Graesser 等[17]最早提出了利用SMA 材料制作阻尼器的想法，自此之后SMA 相關(guān)阻尼耗能裝置的研發(fā)開始在國內(nèi)外陸續(xù)開展?；赟MA 在減緩地震反應(yīng)和震后殘余變形方面的有效性已經(jīng)被許多研究證實(shí)[18-20]，下面將分別介紹SMA 在各種類型阻尼器上的應(yīng)用與研究。

在常規(guī)的消能減震技術(shù)中，摩擦阻尼器是運(yùn)用摩擦阻尼原理進(jìn)行耗散地震能量的減震裝置[21-22]，因其構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用和研究[23]。然而傳統(tǒng)的摩擦阻尼器存在無法實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能和殘余位移較大等缺點(diǎn)，很容易在災(zāi)后徹底失去減震功能，不利于災(zāi)后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全性[24]。但SMA 摩擦阻尼器相較于傳統(tǒng)摩擦阻尼器在自復(fù)位能力和災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能快速恢復(fù)等方面具有明顯的優(yōu)勢。

2000 年，Dolce 等[25]根據(jù)SMA 的超彈性提出了一種具有自復(fù)位特性的SMA 阻尼器，并通過對SMA 被動(dòng)地震控制裝置的測試，驗(yàn)證了SMA 絲材具有良好的耗能能力。薛素鐸等[26]利用SMA 的超彈性，設(shè)計(jì)出一種新型SMA摩擦阻尼器，如圖3 所示，并通過對比研究其力-位移滯回曲線，發(fā)現(xiàn)SMA 絲材具有飽滿的梭形滯回曲線[27]。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMA 可以使阻尼器對地震能量的耗散能力得到顯著提升。

圖3 阻尼器構(gòu)造示意圖

有研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的摩擦阻尼器不能調(diào)節(jié)起滑力的大小，若按小震確定，則大震時(shí)難以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，若按大震確定，在中小震時(shí)，阻尼器可能無法參與耗能，只增加結(jié)構(gòu)剛度。而在大、小震中均能發(fā)揮耗能作用的變摩擦阻尼器可以很好地解決這個(gè)問題。為解決這個(gè)問題，Osman 等[28]將改進(jìn)的可變摩擦阻尼器與SMA 材料相結(jié)合，研發(fā)的一種新型SMA 可變摩擦阻尼器，如圖4 所示。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該阻尼器可以有效使結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)輸入能量減少49%，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的殘余變形得到明顯的減少。此外，可變摩擦阻尼器本身相較于傳統(tǒng)摩擦阻尼器擁有調(diào)節(jié)阻尼力的特點(diǎn)，可以適用更多的情況和條件，該阻尼器也為SMA 自復(fù)位阻尼器的研制提供了新的思路。

圖4 SMA變摩擦阻尼器構(gòu)造圖

SMA 自復(fù)位阻尼器的性能測試已有大量的研究，但對其在具體結(jié)構(gòu)中的減震分析仍是較少。因此，在Morelli F等[29]發(fā)現(xiàn)自定心滯回阻尼器對鋼結(jié)構(gòu)具有顯著的減震效果之后。張振華等[30]研發(fā)了一種新型變形放大型SMA 摩擦阻尼器，如圖5 所示，該阻尼器由變摩擦阻尼裝置和SMA 自定心裝置組成。自定心裝置的作用機(jī)理是通過主動(dòng)桿的牽拉使得兩側(cè)副桿產(chǎn)生擺動(dòng)，從而達(dá)到SMA絲材受拉并發(fā)揮其超彈性等性能的目的。研究團(tuán)隊(duì)對該摩擦阻尼器進(jìn)行試驗(yàn)，分析對結(jié)構(gòu)震后的殘余變形的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMA 摩擦阻尼器對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)具有明顯的控制效果，對降低結(jié)構(gòu)的殘余變形有顯著的效果。

圖5 阻尼器3D圖

此外，為了避免自復(fù)位阻尼器的工作機(jī)制過于單一，2021 年杜永峰等[31]研發(fā)了一種基于齒輪機(jī)構(gòu)的SMA 摩擦阻尼器，其構(gòu)造如圖6 所示。該阻尼器利用齒輪機(jī)構(gòu)對SMA 絲材進(jìn)行非比例拉伸，試驗(yàn)后減震效果顯著，自復(fù)位能力明顯。

圖6 SMA摩擦阻尼器構(gòu)造圖

隨著研究的不斷深入，科學(xué)家們漸漸發(fā)現(xiàn)SMA 彈簧相較于絲材可以提供更大的承載力和更好的耗能能力，在消能減震領(lǐng)域具有十分廣闊的潛力[32]。因此戢廣禹等[33]研發(fā)了一種SMA 彈簧摩擦阻尼器（SFD），如圖7 所示。通過研究其滯回曲線，發(fā)現(xiàn)SMA 彈簧具有較大的承載力和較好的耗能能力，并且可以提供飽滿的滯回曲線以及給與摩擦阻尼器一定的限位能力和自復(fù)位功能。

圖7 SFD構(gòu)造圖

對SMA 自復(fù)位摩擦阻尼器的研究不能局限于單一的性能測試與工程分析，在消能減震方面的綜合能力研究也是一個(gè)關(guān)鍵性的問題。為此，2022 年李星志等[34]依據(jù)“多種耗能機(jī)制共同耗能”的理論，研發(fā)出一種結(jié)合SMA 超彈性和摩擦阻尼器高耗能特性的新型SMA 摩擦復(fù)合阻尼器（SFCD），如圖8 所示。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SFCD 對殘余位移的整體控制較好，相較于傳統(tǒng)摩擦阻尼器，具有更穩(wěn)定的滯回性能和更有優(yōu)越的耗能性能。

圖8 SFCD構(gòu)造圖

為了繼續(xù)深入探究SMA 摩擦阻尼器在工程結(jié)構(gòu)中的減震效果，邱燦星等[35]首次采用SMA 螺栓，并將加入SMA 螺栓的SMA 滑動(dòng)摩擦阻尼器（SMA-SFD）置于搖擺柱組成一種新型自復(fù)位搖擺柱，進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，其構(gòu)造如圖9 所示。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該阻尼器為搖擺柱提供良好的消能能力，使搖擺柱具有比單柱更穩(wěn)定的抗側(cè)移能力。由此可見，SMA 摩擦阻尼器放在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中可以提供顯著的消能能力，并且具有良好的穩(wěn)定性與耐久性。

圖9 SMA-SFD構(gòu)造圖

4 結(jié)論與展望

SMA 摩擦型阻尼器是當(dāng)今消能減震技術(shù)的熱點(diǎn)之一，其相較于傳統(tǒng)阻尼器，擁有自復(fù)位、高阻尼等特性，還可以保證阻尼器本身在經(jīng)歷地震之后，仍具備良好的消能減震能力。此外，多項(xiàng)研究表明，加入SMA 的阻尼器的滯回曲線更為飽滿，性能更加穩(wěn)定，在大荷載作用時(shí)依然可以發(fā)揮其耗能能力，維持主體結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。SMA 自復(fù)位阻尼器的研究在消能減震領(lǐng)域已經(jīng)取得一定的突破和進(jìn)展，但仍有以下問題亟待解決。

①當(dāng)前SMA 自復(fù)位阻尼器的研究成果較為豐富，但應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中的大多還是以傳統(tǒng)阻尼器為主。SMA自復(fù)位阻尼器的研究大多還是停留在性能測試和抗震模擬分析，在具體的設(shè)計(jì)和安裝方法以及實(shí)際應(yīng)用上仍較為缺乏。在日后的研究中，應(yīng)著重研究SMA自復(fù)位阻尼器在實(shí)際工作中的耗能能力和工作方式是否達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)以及是否適應(yīng)不同的工況等問題。

②形狀記憶合金材料種類較多，目前SMA 自復(fù)位阻尼器使用較多的是鎳鈦基（Ni-Ti）形狀記憶合金，但是價(jià)格較為昂貴。鐵基（Fe）和銅基（Cu）形狀記憶合金的價(jià)格較便宜，但性能一般。SMA 作為擁有形狀記憶、超彈性和高阻尼特性的特殊智能材料，希望在材料方面能有進(jìn)一步的突破，研制出價(jià)格便宜、性能優(yōu)越的阻尼材料。

③大多數(shù)自復(fù)位阻尼器主要起到類似防屈曲支撐的耗能作用，很少有在節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)型自復(fù)位阻尼器的研究，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位置的抗震性能往往決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，應(yīng)加強(qiáng)對節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)型SMA 自復(fù)位阻尼器的開發(fā)與研究。

④SMA 阻尼器的性能仍存在提升空間，應(yīng)在日后的研究中對其構(gòu)造、材料和耗能機(jī)理等方面進(jìn)行改進(jìn)，使其具有更優(yōu)質(zhì)的性能，可以應(yīng)對多種復(fù)雜的實(shí)際工況。