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 李  華，  張?jiān)姁偅?nbsp; 朱唯豐，  李  為

 （同濟(jì)大學(xué)上海材料研究所，上海200437）

[摘要]  針對(duì)變摩擦型阻尼器的發(fā)展與應(yīng)用歷程，介紹了變摩擦阻尼器在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究與應(yīng)用情況。首先介紹了新型變摩擦阻尼器的耗能原理和使用場(chǎng)合、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式與本構(gòu)關(guān)系；其次介紹了該阻尼器按照行業(yè)規(guī)范進(jìn)行的試驗(yàn)性能；最后討論了該阻尼器設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，闡述阻尼器如何實(shí)現(xiàn)與達(dá)到行業(yè)規(guī)范要求的性能。通過(guò)以上討論得出新型變摩擦阻尼器設(shè)計(jì)理念、耗能機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

[關(guān)鍵詞]  變摩擦阻尼器；摩擦系數(shù)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)控制與研究

0  引言

 地震和颶風(fēng)作為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，因其具有破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)、難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)等特點(diǎn)，往往給人類(lèi)的生存和發(fā)展造成了極大的威脅和巨大災(zāi)難。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)曾多次發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈地震，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。地震給人類(lèi)帶來(lái)的沉重災(zāi)害足以顯示做好抗震防災(zāi)工作的重要性，避免和減輕建筑物的震害具有重要意義。

 我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始重視此項(xiàng)技術(shù)的研究和工程應(yīng)用工作�！督ㄖ�抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)中增加了“隔震與消能減震”的章節(jié)．說(shuō)明我國(guó)正日益重視隔震與消能減震技術(shù)與理論的研究，并致力于該技術(shù)的推廣應(yīng)用。摩擦阻尼器作為一種位移型消能減震裝置，具有耗能能力強(qiáng)、摩擦機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材容易、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，不僅在新建被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，也在現(xiàn)存的結(jié)構(gòu)抗震加固及土木結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化中得到應(yīng)用與大力

推廣。

 摩擦阻尼器的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代末，隨后為適應(yīng)不同類(lèi)型的建筑結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)研制開(kāi)發(fā)了多種摩擦阻尼器，其摩擦力大小易于控制，可方便地通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小來(lái)確定。目前，國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的摩擦阻尼器主要有：日本OILFS工業(yè)株式會(huì)社基于預(yù)緊摩擦副施加正壓力原理開(kāi)發(fā)的OILFS式摩擦阻尼器、Pall和Marsh研究開(kāi)發(fā)的Pall摩擦阻尼器、日本Sunutomo金屬公司基于鐵道合金的阻尼裝置開(kāi)發(fā)的Sumitomo摩擦阻尼器、Pall型摩擦阻尼器改進(jìn)型T形芯板摩擦阻尼器以及上海材料研究所提出的新型變摩擦力阻尼器等一系列摩擦復(fù)合耗能器。

 縱觀摩擦阻尼器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在國(guó)外對(duì)摩擦消能器的研究主要針對(duì)新型摩擦材料、新的應(yīng)用方式、實(shí)用化設(shè)計(jì)。而國(guó)內(nèi)摩擦消能器的研究主要是針對(duì)基于Pall型摩擦消能器的性能改進(jìn)。目前的摩擦阻尼器只能向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供單一摩擦力。當(dāng)滑移摩擦力設(shè)定較高時(shí)，裝置可能不起滑或滑動(dòng)后可能產(chǎn)生不可復(fù)原的殘余變形；如果摩擦力設(shè)定過(guò)低，則無(wú)法提供所需的阻尼力，會(huì)導(dǎo)致消能器的減振能力降低，限制了其減震效果和應(yīng)用范圍。這也是位移型消能減震共同的問(wèn)題點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，一般以結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的受力安全為前提，設(shè)定摩擦力大��；在小震或者強(qiáng)風(fēng)條件下，由于設(shè)定的摩擦力過(guò)高，阻尼器不能發(fā)揮作用，降低了使用效率�，F(xiàn)有的摩擦阻尼器作為一種位移相關(guān)型耗能裝置，只有在滑動(dòng)的情況下才會(huì)消耗地震能量，不能根據(jù)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)實(shí)時(shí)地改變自身特性，限制了其減震效果和應(yīng)用范圍。因此我所研究開(kāi)發(fā)一種新型變摩擦力阻尼器，能適應(yīng)在小位移時(shí)摩擦力較小，隨著位移的增大，摩擦力也將逐步增大；并實(shí)現(xiàn)小震少耗能，大震多耗能的功能，使其在小震或強(qiáng)風(fēng)即可發(fā)揮耗能作用，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

 本文結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)、行業(yè)需求與標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)我國(guó)《建筑消能阻尼器》( JG/T 209-2012)與《建筑消能減振技術(shù)規(guī)程》( JGJ 297-2013)的要求內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)新型變摩擦阻尼器的關(guān)鍵技術(shù)以及在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了核心技術(shù)探討。

1  新型變摩擦阻尼器的介紹

1.1新型變摩擦阻尼器耗能原理與使用場(chǎng)合

 新型變摩擦力阻尼器是基于金屬摩擦原理設(shè)計(jì)而成的消能減震裝置，具有摩擦耗能能力隨位移變化而變化，能適應(yīng)不同地震強(qiáng)度的需求；可廣泛應(yīng)用于中高層建筑、單層或多層工業(yè)廠房、鋼結(jié)構(gòu)、高聳塔架、超高層巨型建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、舊有高柔建筑或結(jié)構(gòu)物的加固改造。

1.2新型變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)形式

 新型變摩擦力阻尼器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，金屬變摩擦耗能器主要由特制耐磨的高摩擦系數(shù)區(qū)域鋼材、低摩擦系數(shù)區(qū)域鋼材、金屬耐磨滑動(dòng)摩擦環(huán)、軸、左右球鉸等組成。變摩擦阻尼器的構(gòu)造見(jiàn)圖1。

1.3本構(gòu)關(guān)系

 特制耐磨的高摩擦系數(shù)區(qū)域、低摩擦系數(shù)區(qū)域摩擦副與金屬耐磨滑動(dòng)摩擦環(huán)通過(guò)特定工藝過(guò)盈裝配之后，摩擦環(huán)在高摩擦系數(shù)區(qū)域、低摩擦系數(shù)區(qū)域來(lái)回摩擦往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的與滑移方向相反的摩擦力，將建筑物的地震能量轉(zhuǎn)化為熱能吸收來(lái)耗散能量。

 新型變摩擦力阻尼器主要是通過(guò)外力達(dá)到所設(shè)定的滑移荷載時(shí)才產(chǎn)生滑動(dòng)，并且滑動(dòng)后摩擦力隨著位移與摩擦系數(shù)的變化而變化，其滯回曲線呈對(duì)稱(chēng)“三角形”；荷載大小及頻率、荷載循環(huán)次數(shù)對(duì)摩擦耗能器的性能影響很�。痪C上所述，該變摩擦耗能器的恢復(fù)力模型可以在現(xiàn)有摩擦阻尼器剛塑性模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，模型如圖2所示。

由于摩擦副材料原因，摩擦系數(shù)u隨位移變化而

摩擦耗能器一個(gè)周期所消耗的能量：

式中：F y與Fy1為摩擦力；N為過(guò)盈配合后產(chǎn)生的正壓力；k為變摩擦耗能器摩擦系數(shù)變化時(shí)產(chǎn)生的剛度值，該值由產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定；d為起滑位移；d0為摩擦系數(shù)無(wú)變化區(qū)域內(nèi)的滑動(dòng)位移；d max為最大位移；Wd為耗能器一個(gè)周期所消耗的能量。

2  新型變摩擦阻尼器的性能試驗(yàn)

 為了驗(yàn)證新型變摩擦阻尼器的工作性能和耗能性能，建立變摩擦阻尼器的恢復(fù)力模型，對(duì)該摩擦阻尼器進(jìn)行了荷載試驗(yàn)。采用LETS-2000KN耗能減振設(shè)備電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)新型變摩擦阻尼器（VFD-300S-100X）進(jìn)行了位移依存性（速度一定和頻率一定）試驗(yàn)和疲勞性加載試驗(yàn)，試驗(yàn)加載譜見(jiàn)表1與圖3，VFD-300S-100X變摩擦阻尼器試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖

3，部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

3  新型變摩擦阻尼器的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)注意事項(xiàng)

3.1新型變摩擦阻尼器的關(guān)鍵技術(shù)

 從行業(yè)需求與標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)看，變摩擦阻尼器的關(guān)鍵指標(biāo)大致包括：1）設(shè)計(jì)使用年限為30年；2）疲勞試驗(yàn)滯回次數(shù)為30圈；3）滯回曲線飽滿；4）摩擦力大小可以定制；5）產(chǎn)品性能一致性。

3.2產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)注意事項(xiàng)

 (1)設(shè)計(jì)使用年限30年

 產(chǎn)品為了能夠滿足設(shè)計(jì)壽命30年的要求，變摩擦阻尼器各關(guān)鍵零部件均需要滿足正常工作30年的要求，從該阻尼器構(gòu)件的組成來(lái)看，其摩擦副尤為重要。目前的摩擦副由金屬耐磨滑動(dòng)摩擦環(huán)與高摩擦系數(shù)鋼材、低摩擦系數(shù)鋼材組成，其穩(wěn)定性較好，可以滿足設(shè)計(jì)要求。作為保障變摩擦阻尼器壽命和工作預(yù)緊力的金屬耐磨滑動(dòng)摩擦環(huán)與高摩擦系數(shù)鋼材、低

摩擦系數(shù)鋼材的過(guò)盈配合情況與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各生產(chǎn)廠家對(duì)此披露的信息資料不多。對(duì)于高腐蝕工作環(huán)境，還需要考慮外露金屬零件的表面防腐處理。

 (2)疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)30圈

 該項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是對(duì)變摩擦阻尼器性能的一個(gè)綜合全面考驗(yàn)，評(píng)判了變摩擦阻尼器因摩擦產(chǎn)生的溫度升高、磨損、潤(rùn)滑性能變化等引起的綜合性能的變化是否在可控范圍內(nèi)。有不少阻尼器廠家的產(chǎn)品在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生滯回曲線發(fā)散、不一致的現(xiàn)象．主要是溫度升高、磨損、潤(rùn)滑性能變化等因素引起的變化未可控導(dǎo)致的。

 (3)滯回曲線成蝴蝶型

 滯回曲線形狀與變摩擦阻尼器使用的摩擦副的摩擦系數(shù)有關(guān)系，摩擦副中摩擦運(yùn)動(dòng)的面積變化產(chǎn)生蝴蝶型滯回曲線的剛度，該剛度大小由摩擦副材料決定。剛度越大則變摩擦阻尼器小震少耗能，大震多耗能的性能體現(xiàn)越明顯。

 (4)摩擦力大小可以定制

 通過(guò)調(diào)整不同的摩擦副材料，提供不同的摩擦系數(shù)；通過(guò)設(shè)計(jì)不同的工作摩擦面積來(lái)調(diào)整摩擦力；作為影響變摩擦阻尼器力學(xué)性能的主要參數(shù)，摩擦副材料和摩擦面積的可調(diào)實(shí)現(xiàn)了變摩擦阻尼器摩擦力大小的可調(diào)和可定制，最終實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同的建筑減振（震）需求。

 (5)產(chǎn)品性能一致性

 目前摩擦阻尼器在國(guó)內(nèi)應(yīng)用尚不多，產(chǎn)品性能抽檢需要得到嚴(yán)格的貫徹來(lái)保證產(chǎn)品性能的一致性。同時(shí)，需要阻尼器生產(chǎn)廠家具備檢測(cè)手段和測(cè)試分析能力。

4  結(jié)語(yǔ)

 通過(guò)以上討論分析可知，經(jīng)過(guò)幾十年研發(fā)、應(yīng)用，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，產(chǎn)品性能優(yōu)化，產(chǎn)品參數(shù)可定制。另外，它具有自適應(yīng)能力，能適應(yīng)動(dòng)力作用的不確定性，對(duì)大震、中震、小震和風(fēng)振都具有很好的減振效果；與被動(dòng)摩擦阻尼器相比，本文提出的半主動(dòng)摩擦阻尼器可以顯著改善阻尼器的減震效果等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)國(guó)內(nèi)摩擦型阻尼器生產(chǎn)廠家對(duì)阻尼器設(shè)計(jì)理念、耗能機(jī)理、關(guān)鍵點(diǎn)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。在基礎(chǔ)分析與底層理論試驗(yàn)尚需開(kāi)展一系列工作。

 新型變摩擦阻尼器可以實(shí)現(xiàn)小震少耗能、大震多耗能的功能，使其在小震或強(qiáng)風(fēng)即可發(fā)揮耗能作用，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)安全的新型變摩擦力阻尼器，該產(chǎn)品技術(shù)水平領(lǐng)先國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品。