《摩擦阻尼器在工程结构中的研究与应用讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《摩擦阻尼器在工程结构中的研究与应用讲解（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摩擦阻尼器在工程中的研究与应用【摘要】摩擦耗能器作为一种被动耗能减振装置 ,近年来在结构减振中得到应用。从减振原理、分析方法、设计方法等方面对摩擦耗能器的主要研究成果进行了总结和阐述。【关键词】：减振原理、结构分析方法 Abstract: Friction damper as a passive energy dissipation system, has been applied instructural vibrati on absorption in recent years . In this paper, the achievements in the study on the pr
2、inciple of damping, analysis and design methods are generalized .1 摩擦阻尼器的概念与原理1.1 简介传统的抗震方法是通过结构本身的塑性变形来耗散地震能量，其实质就是把结构本身及构件作为“消能”元件，这样必然使结构产生不同程度的损坏，甚至产生严重的破坏和倒塌。结构控制是指通过在结构上设置控制装置，由控制机构和结构一起来抵御地震等动力作用，使结构的动力反应减小。在结构上附加耗能减震装置的减震方法是结构被动控制的一种。摩擦阻尼器作为一种耗能装置，因其耗能能力强，荷载及其频率的大小对其性能影响不大，且构造简单，取材容易，造价低廉，因而
3、具有很好的应用前景。特别是在控制结构近断层地震反应和中高层结构地震反应方面有独特优势。摩擦阻尼器对结构进行振动控制的机理是：阻尼器在主要结构构件屈服前的预定荷载下产生滑移或变形，依靠摩擦或阻尼耗散地震能量，同时，由于结构变形后自振周期加长，减小了地震输入，从而达到降低结构地震反应的目的。图 1 为普通摩擦阻尼器的构造，它是通过开有狭长槽孔的中间钢板相对于上下两块铜垫板的摩擦运动而耗能，调整螺栓的紧固力可改变滑动摩擦力的大小。滑动摩擦力与螺栓的紧固力成正比，另外，钢与铜接触面之间的最大静摩擦力与滑动摩擦力差别小，滑动摩擦力的衰减也不大，保证摩擦耗能系统工作的稳定性。经过试验发现，摩擦力的衰减随螺
4、栓紧固力的减小而增大，且摩擦力的衰减是螺栓松动引起的。图 1 普通摩擦耗能器构造Pall 摩擦阻尼器（图 2）是 1982 年 Pall 和 Marsh研究的一种安装在 X 型支撑中央的双向摩擦器，并且已用于实际的结构工程中。该阻尼器中支撑的两根柔性交叉斜杆在中心节点处各自都断开，并采用夹摩擦耗能材料的滑动联结的构造做法，同时交叉杆中心处又用四根连接杆连成一个铰接方框。这样，当结构的动力反应引起阻尼器所在结构层发生相对层间位移时，将在支撑斜拉杆中产生拉力，当此拉力达到或超过支撑中心滑动联结节点的滑动摩擦力时，就会带动斜杆在中心节点处相对滑移错动，从而产生摩擦耗能。另外，该阻尼器的变形特点使耗能
5、支撑的设计不受临界力的限制。与普通摩擦耗能器相比较，Pall 摩擦阻尼器的摩擦力稳定的多，摩擦力的衰减与螺栓紧固力没有关系。Pall 摩擦阻尼器起滑时将由矩形变为平行四边形，其对角线在受拉边变长，受压边变短。这种变形方式使得支撑在受压时不会发生失稳屈曲，这样在反向变形时，受压杆将直接变成受拉杆，不需要恢复屈曲变形后再使摩擦器起滑。图 2 pall 摩擦耗能器构造及在单自由度结构中的位置Sumitomo 摩擦阻尼器是日本 Sumitomo 金属公司基于铁道合金的阻尼装置开发的。摩擦阻力由带有石墨楔的铜合金摩擦板和钢筒内表面相互摩擦而产生。朱力等人对滑移型长孔螺栓摩擦节点进行了试验研究。由欧进萍等
6、人研制的两种新型摩擦阻尼器，T形芯板摩擦阻尼器、拟黏滞摩擦阻尼器具有较好的工程应用前景。T形芯板摩擦阻尼器是一种改进的Pall型阻尼器，与Pall型阻尼器的主要区别在于芯板由十字形变为 T 形。这样做的好处在于：（1）弧形螺栓孔由两个减少为一个，降低了加工量；（2）减少了两个安装螺栓，有利于提高加工精度；（3）可在此基础上对已有的黏滞摩擦阻尼器进行改造，提出可应用于实际工程的拟黏滞摩擦阻尼器。T 形芯板摩擦阻尼器的位移控制效果略好于拟黏滞摩擦阻尼器，而后者的加速度控制好于前者且在大变形下有利于减小柱子的轴压比，从而提高柱子的延性，减小柱子的损伤。前边几种摩擦阻尼器只有在强震作用下才能启用，对于
7、经常发生的中小地震或者风载作用下没有任何功效，使用效率很低。为此，张维和杨蔚彪研制出了多级摩擦阻尼器），结构在小震作用下，与普通支撑框架一样；在中震或较大风载作用下，摩擦阻尼器在第 1 阶水平上滑移，与普通的摩擦阻尼支撑框架一样；当有强烈地震作用或层间位移将要超过层间弹性变形范围时，摩擦阻尼器在第 2 阶水平上滑移，以提高结构的刚度，限制层间位移，提高摩擦耗能的能力。由叶燎原等人提出的低价耗能支撑装置，主体装置为钢板- 橡胶复合摩擦阻尼器，很符合我国的实际国情。通过将以往的支撑装置由钢材转变为钢筋混凝土而大大降低了造价。通过对一 10 层钢筋混凝土框架结构分析，该装置能减小位移 30%60%。
8、1.2 摩擦阻尼器受力特性 摩擦阻尼器产生的摩擦实际上是一种干摩擦，它已有很长的研究历史，它的基本理论是建立在以下假设基础之上： （1）总的摩擦力不依赖于物体接触面的表面积； （2）总的摩擦力与作用在接触面上总的法向力成正比例； （3）对于相对滑移速度较低情况，总的摩擦力与速度无关。 根据以上假设，可得到摩擦力F的计算公式为 式中, 的法向力；为摩擦系数。Pall等人对图1所示的限位钢板摩擦阻尼器进行了系统的试验研究，提出了这种节点简化的力-位移关系模型曲线如图所示。限位钢板摩擦阻尼器的滞回力学模型（a）荷载-位移关系；（b）滞回关系随后，Pall和Marsh对带有斜支撑的抗弯框架，安装了X型
9、摩擦阻尼器，并进行了试验。开始时，斜支撑只能受拉，受到很小的压力时斜杆就会屈曲。当特殊的阻尼装置安装后，在循环荷载作用下，阻尼器可在拉伸和压缩两个方向上滑移。这样就可以利用简单的弹塑性模型来模拟这种滞回特性。然而，1987年Filiatrautt和Cherr发现Pall-Marsh模型有时会过高的估计阻尼的能量耗散，于是提出了如图所示的滞回模型。图中(1)代表结构支撑的力学模型，受拉时可以屈服，受压时屈曲;图中(2)代表连接件的力学模型，它在受压和受拉时均可以屈服;图中(3)代表阻尼摩擦板的滞回力学模型。X形支撑摩擦阻尼器滞回力学模型2 摩擦耗能器的类型与性能摩擦耗能器的发展始于20世纪70年
10、代末，随着结构耗能减震技术的迅速发展，工程技术研究人员先后研究开发了多种摩擦耗能器，以适应不同结构类型建筑物耗能减震的要求。根据摩擦耗能器的构造和耗能机制，主要可以分为以下四种类型：摩擦耗能节点；板式摩擦耗能器；筒式摩擦耗能器复合型摩擦耗能器。 不同类型的摩擦耗能器可采用不同材料、摩擦介质和不同机械组合方式，但它们的基本机理都是一致的，即由组合构件和摩擦片在一定预紧力下组成一个能够产生滑动和摩擦力的机构，利用滑动摩擦力做功耗散能量，对结构起耗能减震作用。 对于摩擦耗能结构，在正常使用荷载作用下，摩擦耗能支撑为结构提供足够附加刚度但摩擦耗能器不产生滑移;在强震作用下(有些在中震作用下)，耗能器产
11、生滑移为结构提供附加阻尼，并依靠摩擦做功来耗散能量。同时，摩擦耗能器一旦开始滑移，其刚度即变为零，使结构刚度“软化”从而延长结构的自振周期，因此在耗散地震输人能量的同时，使结构避免产生共振或准共振现象，达到结构减震的目的，保护结构的安全。 摩擦耗能器可以提供较大的附加阻尼和附加刚度，具有良好、可靠的耗能能力，表现出较好的库仑特性，而且荷载大小、加载频率和加载循环次数对其耗能性能影响较小，耗能明显，减震效果良好。另外，由于其具有构造简单、取材方便、造价低廉、安装与维护方便、适用性强、适用范围广等优点，因此具有良好的工程应用前景。2.1摩擦耗能节点 (1)限位滑移螺栓节点(LSB节点) 1980年
12、Pall和Marshal首先设计出限位滑移螺栓节点(Limited Slip Bolted Joint，简称LSB节点)，其细部构造及安装简图如图1、图2所示。LSB节点通过螺栓将连接板、摩擦片与墙中的预埋件连接起来，安装后为防止滑动过程中连接板转动，将其与预埋件的一端焊接，另一端保证可以滑动，通过钢板与钢板间摩擦片的滑动摩擦来耗能。 对几种不同材料或经不同接触表面处理后的LSB节点进行试验研究结果表明:在表面经碾磨处理的钢板之间嵌人制动闸衬垫的LSB节点的滞回耗能最佳，其滑动荷载稳定，滞回曲线呈矩形(图2. 3)，表现出理想的“刚塑性”性能。 LSB节点主要是为解决大型板式高层结构板间连接处
13、延性不足而专门研制的，主要安装在墙板之间的竖向接缝处，同时也可用于端墙之间、走廊过梁与墙板间的角节点、电梯或楼梯井周围墙体等部分的连接。当用于竖向接缝处时，节点不承受重力荷载，因此，地震过后能恢复原状而不产生永久变形，即使在大震中少数节点出现破坏，也不会影响结构的整体稳定性。 该节点不仅可用在装配式混凝土大型墙板剪力墙结构的水平接缝中，也可用于现浇混凝土剪力墙结构中，此时节点应预先装配完成置于模板内，等混凝土浇筑完成后，在节点处留有适当的槽缝供结构变形。 (2)长孔螺栓节点(SBCs节点) 长孔螺栓节点(Slotted Bolted Connections，简称SBCs节点)是1989年由Fi
14、tz Greald设计研制的，其构造简图如图2. 4所示。 SBCs节点由开有长槽的主板和开有螺栓孔的副板及高强螺栓所组成。长槽与受力方向平行，螺栓穿过长槽，螺帽下加设垫圈，以保持恒定的螺栓紧固力。在主板和副板间可嵌人铜板等摩擦片以增强摩擦，保持滑动摩擦力均匀稳定。当作用在节点上的拉力或压力超过摩擦面间的最大静摩擦力时，主板相对于垫板(或副板)产生滑动摩擦来耗散能量。对两种不同摩擦接触面的SBCs节点(钢一钢摩擦接触面、钢一黄铜摩擦接触面)进行对比试验，其结果表明:耗能器的滑动摩擦力与螺栓的紧固力成正比;两种接触面的节点均具有良好的耗能性能，但是采用钢一黄铜摩擦接触面SBCs节点，其最大静摩擦
15、力和滑动摩擦力相差较小，滑动摩擦力的衰减也不大，滞回性能更为稳定，表现出良好的刚塑性性能，而对于采用钢一钢直接接触面的节点，其初始滑动摩擦力较大，且与稳定时的滑动摩擦力的差别较大，最大静摩擦力约为滑动摩擦力的3倍，两者的滞回曲线对比如图2. 5所示。 (3)新型摩擦耗能节点 香港理工大学研制的新型摩擦耗能节点由压紧元弹簧、传力元件、摩擦材料和滑移板组成(图2. 11),摩擦材料采用制动闸衬垫以保持稳定的摩擦系数，滑移钢板放置在摩擦材料之间，通过调节螺栓使弹簧受压，传力元件使滑移板和摩擦片产生均匀的预紧力，当滑板滑移时产生摩擦力耗能。 试验结果表明:该耗能器的滞回性能可靠、稳定，基本不受加载位移及频率大小的影响，表现出良好的库仑特性，其滞回曲线如图2. 12所示。该耗能节点是为解决当前流行的裙楼一塔楼建筑中由于裙楼和塔楼连接处水平刚度相差过大而造成的设计、构造连接问题而专门设计研制的，用于裙楼和塔楼之间的连接图2. 11(a)为楼板处连接，以增大结构间的延性。 2.2板式摩擦耗能器 (1)Pall摩擦耗能器1982年，Pall和Marsh首先提出夜框架交叉支撑的交叉处嵌人摩擦制动衬块，利用支撑交叉处的滑动摩擦力做功来耗散输人结构能量，以提高钢结构抗震性能的方法，这种摩擦耗能
