結構振動控制中金屬型阻尼器的研究進展

王旭東

(無錫市民用建筑設計院有限公司，江蘇無錫 214072)

0 引言

在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業中，早已應用各種各樣的阻尼器(或減震器)來減振消能。從20世紀70年代后，人們開始逐步地把這些技術轉用到建筑、橋梁、鐵路等結構工程中。隨著經濟水平和建筑技術的提高，對結構的安全性、舒適性和耐久性也提出了更高的要求，從而使結構振動控制成為近年來的研究熱點。結構振動控制大體上來說可分為主動控制、被動控制、半主動控制、混合控制和智能控制。阻尼器作為耗散振動能量的最有效手段，可單獨使用在結構中，也可與其他控制方法結合使用，減震效果較好，適用范圍較廣。

金屬阻尼器作為阻尼器的一種，其原理是在建筑結構發生塑性變形前首先發生屈服，以耗散大部分地面運動傳遞給建筑結構的能量。早在1972年，Kelly等［1］就提出利用金屬良好的滯回特性，吸收大量能量以減小結構的地震反應。目前常用的金屬阻尼器有:軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和形狀記憶合金阻尼器。

1 軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器具有穩定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環境溫度的影響等優點，因此阻尼輪引起了國內外學者的廣泛關注，并已在一些建筑物上開始應用。此類阻尼器的構造簡單，震后更換方便，且減震機理明確，效果顯著。缺點是:可恢復性差，其滯回耗能性能受其形狀的影響較為顯著，如形狀制作不合適，會引起滯回環的畸變。

圖1是一種單圓孔形軟鋼阻尼器。

圖1 單圓孔形軟鋼阻尼器

國外已有不少采用軟鋼阻尼器的建筑，但在我國的應用還很少。近年來，針對軟鋼阻尼器的研究主要有:徐艷紅等［2］提出的一種拋物線外形的軟鋼阻尼器，其具有全長截面同時屈服的特點，可充分發揮軟鋼的材料功效，如圖2所示。

李鋼等［3，4］提出了初始剛度較大且屈服后具有良好變形耗能能力兩個特點的“雙功能”軟鋼阻尼器，并對裝有該阻尼器的框架結構進行了模擬地震振動臺試驗與分析。

高杰等［5］對中國建筑科學研究院的JY-SS型金屬剪切型軟鋼阻尼器開展了試驗。

圖2 拋物線外形的軟鋼阻尼器

章平平等［6］提出了一種U形軟鋼阻尼器，并根據該阻尼器的受力特點，建立了相應的力學分析模型。

王爽等［7］設計了分別開橢圓形孔和菱形孔的兩種新型H型鋼耗能器，研究了開孔形狀、肢寬與肢高等參數對新型耗能器耗能性能的影響。

2 鉛阻尼器

鉛具有高密度、高剛度、低阻尼、較好的柔性和延展性，在變形過程中可以吸收大量能量，并且由于熔點較低，其變形將會同時發生動態恢復及動態再結晶過程，理論上在室溫下作塑性循環不會發生累計疲勞現象，因此是一種耗能減震的好材料。根據鉛的變形特性不同可制成不同的阻尼器，如擠壓型阻尼器、剪切型阻尼器等，也可作為隔震支座中提供阻尼的部件，如鉛芯橡膠隔震支座。

近年來，針對鉛阻尼器的研究主要有:閆維明等［9］開發了一種具有變形放大功能的轉動式鉛剪切阻尼器，并對其影響參數和耗能性能進行了有限元分析和試驗研究，如圖3所示。隨后，對鉛擠壓阻尼器進行了數值模擬與試驗［10］，對影響鉛擠壓阻尼器滯回性能的各種參數進行了研究。

圖3 轉動式鉛剪切阻尼器

楊明飛，徐趙東等［11，12］研究了鉛擠壓阻尼器中鉛的受力特點，考慮灌鉛過程中可能引起阻尼器內部出現的空隙對鉛擠壓阻尼器滯回曲線的影響，修正了剛塑性模型，并對鉛擠壓阻尼器在大跨空間網殼結構中的減震效果進行了分析。周云等［13，14］研制的鉛粘彈性阻尼器由鉛芯、粘彈性材料等組成，通過鉛芯的塑性變形和粘彈性材料的剪切滯回變形耗能，具有位移相關型阻尼器和速度相關型阻尼器復合特性，如圖4所示。同時，周云等［15］也進行鋼粘彈性阻尼器的開發研究。

圖4 圓形鉛橡膠阻尼器

3 形狀記憶合金(SMA)阻尼器

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)作為一種智能材料，具有奇特的形狀記憶效應、超彈性和高阻尼特性。利用SMA的超彈性和阻尼特性制作的被動耗能阻尼器與其他阻尼器相比，具有耐久性和耐腐蝕性能好、使用周期長、變形大且可自復位等優點。目前針對它的研究，主要集中在利用超彈性SMA絲，開發不同形狀、不同構造的阻尼器。近年來，針對形狀記憶合金阻尼器的研究主要有:李惠等［16］研究了利用NiTi形狀記憶合金絲的超彈性性能進行結構振動控制，并將新型SMA阻尼器安裝在結構模型上進行了地震模擬振動臺試驗。李宏男，錢輝等［17，18］設計了新型的SMA阻尼器，通過試驗研究了該阻尼器在循環荷載作用下不同位移幅值、不同加載頻率和不同初始位移條件下的力學性能;并研制了一種兼具自復位功能和高耗能的形狀記憶合金復合摩擦阻尼器，該阻尼器由超彈性形狀記憶合金絲復位裝置和摩擦耗能裝置組成，通過試驗研究了它在循環荷載作用下的力學性能，考察了初始應變、位移幅值、摩擦力和加載頻率對其力學性能的影響，如圖5所示。黃襄云等［19］通過試驗，研究了溫度、加載速率、應變幅值、循環次數、施加預應力等因素對SMA和一種CT形SMA阻尼器的影響。

圖5 SMA復合摩擦阻尼器

4 結語

金屬型阻尼器因其滯回性能好，減震機理明確而得到較為廣泛的應用，也成為結構振動控制的重要研究方向。由于阻尼器的主要材料較為固定，因此阻尼器的形狀和構造對其性能的影響最為關鍵，也是研究的熱點所在。可通過數值模擬的方法對形狀進行優選，再輔以少量試驗，以提高研究的效率，節省研究成本。

［1］Kelly JM，Skinner R I，Heine A J．Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］．Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63-88．

［2］徐艷紅，李愛群，黃 鎮．拋物線外形軟鋼阻尼器試驗研究［J］．建筑結構學，2011，32(12):202-209．

［3］李 鋼，李宏男．新型軟鋼阻尼器的減震性能研究［J］．振動與沖擊，2006，25(3):66-72．

［4］李 鋼，李宏男．裝有“雙功能”軟鋼阻尼器框架結構振動臺試驗與分析［J］．振動與沖擊，2010，29(8):164-168．

［5］高 杰，薛彥濤．JY-SS-I型金屬軟鋼阻尼器試驗研究［J］．土木工程與管理學報，2011，28(3):336-338．

［6］章平平，左曉寶．U型軟鋼阻尼器的設計及力學性能分析［J］．江蘇建筑，2012(1):46-49．

［7］王 爽，張春梅，周 云．新型開孔H型鋼阻尼器有限元分析［J］．防災減災工程學報，2012，32(3):346-352．

［8］章叢俊，李愛群，趙 明．軟鋼阻尼器耗能減震結構的研究與應用綜述［J］．工業建筑，2006，36(9):17-21．

［9］閆維明，劉 猛．新型鉛剪切阻尼器的數值模擬試驗研究［J］．北京工業大學學報，2008，34(12):1286-1290．

［10］閆維明，蘇 亮．鉛擠壓阻尼器的數值模擬與試驗［J］．北京工業大學學報，2010，36(8):1099-1103．

［11］楊明飛，徐趙東．考慮空隙率修正的鉛擠壓阻尼器剛塑性模型［J］．華中科技大學學報(自然科學版)，2012，40(3):85-88．

［12］楊明飛，徐趙東．鉛擠壓阻尼器對網殼結構的減振控制［J］．東南大學學報(自然科學版)，2012，42(4):713-718．

［13］周 云，吳從曉．鉛粘彈性阻尼器的開發、研究與應用［J］．工程力學，2009，26(2):80-90．

［14］周 云，徐 昕．扇形鉛粘彈性阻尼器的設計及數值仿真分析［J］．土木工程與管理學報，2011，28(2):1-6．

［15］吳從曉，周 云．鋼鉛粘彈性阻尼器試驗研究［J］．工程力學，2012，29(3):150-155．

［16］毛晨曦，李 惠，歐進萍．形狀記憶合金被動阻尼器及結構地震反應控制試驗研究和分析［J］．建筑結構學報，2005，26(3):38-44．

［17］李宏男，錢 輝．一種新型SMA阻尼器的試驗和數值模擬研究［J］．振動工程學報，2008，21(2):179-184．

［18］錢 輝，李宏男．形狀記憶合金復合摩擦阻尼器設計及試驗研究［J］．建筑結構學報，2011，32(9):58-64．

［19］黃襄云，王鳳華．SMA超彈性阻尼特性的試驗研究［J］．廣州大學學報(自然科學版)，2009，8(1):46-52．