復合耗能阻尼器研究進展

趙子龍

（廣州大學廣東省地震工程與應用技術重點實驗室）

0 引言

結構消能減震技術是在結構某些部位（如支撐、剪力墻、連接縫或連接構件）設置耗能裝置。在主體進入非彈性狀態前裝置率先進入耗能工作狀態，通過該裝置產生摩擦、彎曲（或剪切、扭轉）彈塑性（或粘彈性）滯回變形來耗散能量或吸收地震輸入結構的能量，以減少主體結構的地震反應。消能減震耗能裝置主要包括傳統的金屬阻尼器、摩擦阻尼器、粘滯阻尼和新型的形狀記憶合金（SMA）阻尼器和質量調諧（TMD）阻尼器，這些阻尼器均為單一耗能型減震裝置，即僅以一種耗能機制耗散能量，其耗能能力有限，不能同時適應各級地震，如根據小、中震設計金屬阻尼器，在大震作用下，阻尼器因外荷載較大而超過其極限變形能力導致破壞，無法耗能；若根據大震設計摩擦阻尼器，則阻尼器在小、中震作用下，只能為結構提供剛度，無法進行工作耗能。故國內外一些學者基于“綜合利用不同耗能原理或機制來設計新型耗能減震器，即耗能器同時利用兩種或兩種以上的方式耗能”的思想提出了將多種阻尼器組合形成的新型復合阻尼器。復合阻尼器由于結合了各阻尼器的優點，耗能單元之間取長補短，若對二者進行優化組合設計后可實現“1+1＞2”的效果，因此備受國內外學者及工程界的關注。同傳統單一耗能型阻尼器相比，復合阻尼器不但具有耗能能力強和適應性強等優點，而且還能使各耗能單元協調工作，共同工作。因此，復合耗能阻尼器近年來在消能減震體系中得到了廣泛關注。

1 復合阻尼器研究現狀

按照耗能機理分類，阻尼器可分為金屬阻尼器、摩擦阻尼器、黏彈阻尼器和黏滯流體阻尼器；按照相關性分類可分為位移相關型阻尼器和速度相關型阻尼器。但是目前的阻尼器大多是單一類型的阻尼器，耗能形式單一，在震后無法自復位，不能在小、大震下分階段耗能。復合型的阻尼器，是將不同類型的阻尼器或者不同的材料，通過構造方面的特殊設計組合在一起，利用不同的耗能機制，使其能夠應對不同的地震作用，耗能更徹底，能夠更好地保護主體結構不在地震中受損。

1.1 SMA 復合阻尼器

形狀記憶合金（SMA）是一種具有超彈性、高阻尼和性形狀記憶功能等性能的新型智能材料。SMA 根據環境溫度的不同，可以分別表現出形狀記憶效應和超彈性遲滯效應。故一些學者根據SMA 不同的材料特性將其與阻尼器相結合組成復合阻尼器，并用于減震試驗研究，結果表明SMA 復合阻尼器不但具有良好的減震效果，還可以消除阻尼器的殘余應變，使其具有自復位的功能。

左曉寶[1]等根據SMA 的超彈性特點，提出了一種超彈性SMA 復合摩擦阻尼器，該復合阻尼器的工作原理是通過內外滑條的相對位移使SMA 變形耗能，另外還可以利用SMA 的約束使滑條之間發生摩擦進一步耗能。薛素鐸[2]等將Pall 摩擦阻尼器與SMA 絲相結合提出一種新型復合阻尼器。該阻尼器工作原理為當外荷載受到小于摩擦起滑力時，阻尼器不工作；當外力大于摩擦起滑力后，摩擦墊開始轉動產生摩擦耗能，同時相應的SMA絲也產生變形耗能。錢輝、任文杰[3]等研制出一種自復位SMA 摩擦阻尼器(HSMAFD)，如圖1 所示。該復合阻尼器也是通過摩擦板之間的相對滑動帶動SMA 進行拉伸和壓縮，使其同時產生摩擦耗能和SMA 變形耗能，另外SMA 還具有自復位的功能。戴納新[4]等提出一種新型壓電-SMA 變摩擦阻尼器，并對其進行了力學性能試驗。結果表明，SMA 絲能夠提供很好的自復位能力，智能壓電半主動和被動控制下的滯回性能穩定。

圖1 自復位SMA 摩擦阻尼器構造

1.2 金屬復合阻尼器

金屬阻尼器取材簡單，耗能原理明確，其耗能效果與使用的金屬的數量有關。金屬阻尼器大多尺寸固定，耗能量固定；摩擦阻尼器耗能量與其摩擦力大小有關，一般情況下摩擦力大小也是固定的，因此兩者都無法同時適應大小震。金屬阻尼器與摩擦阻尼器都是位移相關型阻尼器，將二者相結合，通過調整摩擦－金屬復合阻尼器尺寸等參數，可以使兩種阻尼器分別在小位移和大位移下參與耗能。

顏學淵[5]等提出一種適用于多級地震的新型鉛擠壓摩擦復合阻尼器（LEFCD）。與傳統的金屬阻尼器相比，LEFCD 具有可更換和提供特定性能等優點。在小、中震作用下，LEFCD 只使用鉛擠壓阻尼器進行耗能；在大震作用下，LEFCD 同時使用鉛擠壓和摩擦阻尼器消散地震能量。Lee[6]等為提高結構在不同地震動強度下的抗震性能，提出了一種結合了摩擦阻尼器和軟鋼阻尼器的新型復合阻尼器（簡稱DS），如圖2 所示。通過理論分析給出了該復合阻尼器的恢復力模型。該復合阻尼器的工作機理分為兩個階段，第一階段為只摩擦阻尼器工作耗能，第二階段為摩擦阻尼器和金屬阻尼器共同耗能。Hyunkoo[7]等將槽型鋼縫阻尼器和轉動摩擦阻尼器并聯，提出一種用于結構抗震改造的新型復合消能阻尼器。該阻尼器小震情況下，只有摩擦阻尼器起作用；大震下，摩擦阻尼器和鋼縫阻尼器共同參與耗能。Joonho、Jinkoo[8]等在Hyunkoo 研究的基礎上，提出另外-種鋼縫- 摩擦復合阻尼器，其工作性能和耗能能力與Hyunkoo 提出的復合阻尼器差異不大。

圖2 鋼縫- 摩擦復合阻尼器

1.3 TMD 復合阻尼器

一般的TMD (Tuned Mass Damper，質量調諧阻尼器) 通過設計使其固有頻率與主結構的控制頻率相近，當TMD 安裝在主結構上時，一旦發生振動，由于慣性的作用，TMD 會對主結構施加一個與振動方向相反的慣性力，從而減小主結構的振動。但TMD 只能對某個區間內的頻率起作用，只能針對主結構的某一特定振型起作用，并且由于誤差的存在，通過計算所得到的最優值并不能夠準確實現。因此，國內外研究者根據TMD 特性將其與其他阻尼器組合而成得到新型復合阻尼器，在一定程度上達到了更高的功能需求。

戴軍[9]等提出了一種黏彈性調諧質量阻尼器，該阻尼器由質量塊、彈性單元和阻尼單元組成，如圖3 所示。作者通過建立該阻尼器系統的動力學方程和定義頻率依賴性指標對受控結構的結構響應進行了研究分析。分析表明，黏彈性材料的頻率依賴性越高，該復合阻尼器的減震效果越好；而損傷因子的頻率依賴性對復合阻尼器的控制效果影響較小。王社良[10]等根據SMA 的超彈性特點，將其與TMD 相結合提出一種SMA 復合懸擺減震系統。該系統是通過懸擺左右運動時，帶動滑塊左右滑動，與滑塊相連接的SMA 絲也隨之產生相對位移而變形耗能（一側拉伸，一側壓縮）。國外學者Zhang[11]等最早提出了黏彈性碰撞調諧阻尼器(PTMD)。PTMD 是通過用黏彈性材料組成的介質層來限制TMD 的行程，并與之發生碰撞來消耗能量。作者將其放置在55m 高的輸電塔模型上進行了減震分析，并提出了最優化參數設計。另外還將阻尼器用于海底管道的減振控制上，研究了海水對黏彈性PTMD 控制效果的影響。Tian[12]等將TMD 中的普通彈簧換成SMA 螺旋彈簧，制成SMA-TMD 阻尼器。作者利用ANSYS 建立了安裝三種不同材性的SMA-TMD 輸電塔的三維有限元模型，并采用非線性時程分析對其進行地震響應分析。研究表明，不同形狀的SMA-TMD 都能夠有效的降低輸電塔的位移響應。

圖3 黏彈性調諧質量阻尼器

2 小結

綜上所述，SMA 復合阻尼器不但具有良好的減震效果，還具有自復位的功能；金屬復合阻尼器構造簡單、耗能明確，工程易于實現；TMD 復合阻尼器相較于單一型TMD 具有更高的功能需求。因此，在實際工程中，需全面考慮建筑實際需求和減震性能目標來選擇合適的復合阻尼器。