高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器性能分析

馬鴻川

（煙臺(tái)橡研材料科技有限公司 山東 龍口 265700）

0 引言

在人類(lèi)社會(huì)中，自然災(zāi)害的發(fā)生往往是不可避免的。現(xiàn)今，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)代環(huán)境下，世界的人口數(shù)量，一直呈直線(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。因?yàn)槿丝谠絹?lái)越密集，建筑高度與建筑數(shù)量的增加，這就導(dǎo)致在許多災(zāi)害來(lái)臨時(shí)，產(chǎn)生的后果更加嚴(yán)峻。地震災(zāi)害，是對(duì)建筑設(shè)施影響最大的一種自然災(zāi)害，地震時(shí)，建筑的坍塌與損壞，會(huì)對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生直接的威脅。相對(duì)的，人們?cè)絹?lái)越注重建筑的抗震施工技術(shù)與減震技術(shù)，提高建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性，以此來(lái)保證在地震發(fā)生時(shí)，建筑能夠維持原本的穩(wěn)定結(jié)果，不發(fā)生倒塌從而危害人類(lèi)的生命。在建筑的抗震技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的是摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)，通過(guò)摩擦力，為建筑設(shè)施提供強(qiáng)大的剛度與穩(wěn)定性，從而達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)的消能、減震的功能特性[2]。由于在實(shí)際的施工當(dāng)中，常常不能準(zhǔn)確地控制阻尼器的變阻效率，與彈性機(jī)制，不能達(dá)到最好的減震效果，不利于建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。基于以上背景，本文研究了一種高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器的性能分析方法，為阻尼器的調(diào)節(jié)提供了一種技術(shù)支持，希望可以提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

1 建立形狀記憶合金本構(gòu)模型

根據(jù)上述阻尼器的運(yùn)行原理與力學(xué)性能分析，建立形狀記憶合金的本構(gòu)模型。應(yīng)用Tanaka原理，得到合金的應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)模型，表示為：

上式中，分別表示相變以及逆相變過(guò)程的結(jié)果；分別表示馬氏原理與奧氏原理開(kāi)始相變時(shí)的初始溫度；1μ、2μ、1σ、2σ分別表示對(duì)應(yīng)的不同的溫度特征系數(shù)。高阻尼橡膠的實(shí)際的力學(xué)特性，會(huì)隨著加載條件，以及外部環(huán)境條件的改變而發(fā)生較大的改變。建立形狀記憶合金本構(gòu)模型，結(jié)合高阻尼橡膠材料、合金材料的力學(xué)性能分析，為阻尼器消能減震作用的增強(qiáng)，奠定理論基礎(chǔ)。

2 阻尼器彈性性能分析

高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器，憑借其良好的彈性，以及塑性特性，常常應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)的消能減震的施工或改造當(dāng)中[3]。其材料內(nèi)部的分子連接形式，是一種通過(guò)摩擦耗能，產(chǎn)生黏性特征。橡膠的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，滯后于其結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能力。在實(shí)際的應(yīng)用中，主要的功能作用表現(xiàn)為建筑設(shè)施的減震施工中，具體的工作原理為：在硫化作用的基礎(chǔ)上，將高阻尼橡膠材料，與建筑的鋼結(jié)構(gòu)層，疊合在一起，通過(guò)提升結(jié)構(gòu)的阻尼作用，增強(qiáng)建筑的抗震能力[4]。形狀記憶合金的阻尼器的作用機(jī)理，是通過(guò)受到組成結(jié)構(gòu)中的阻尼器內(nèi)桿，以及合金絲等部件的相互作用，形成結(jié)構(gòu)滑動(dòng)的擋板的拉伸力，壓縮力，達(dá)到消能減震的作用。

阻尼器彈性能耗的力學(xué)示意圖如下圖1所示。

圖1 阻尼器彈簧能耗力學(xué)示意圖

根據(jù)上圖所示的力學(xué)示意分析，計(jì)算形狀記憶合金阻尼器的彈簧結(jié)構(gòu)作用原理。計(jì)算形狀記憶合金結(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)組的拉伸力A1（kN），表示為：

上式中：Z0表示一側(cè)形狀記憶合金絲的截面的總面積（m2）；1α表示形狀記憶合金絲結(jié)構(gòu)中，伸長(zhǎng)組的應(yīng)力（kN）。基于上式，結(jié)合力的平衡原理，得到下列公式：

上式中，A2表示形狀記憶合金絲結(jié)構(gòu)中，縮短組的應(yīng)力；A0表示形狀記憶合金絲結(jié)構(gòu)中，耗能組的整體應(yīng)力。由于阻尼器的整體結(jié)構(gòu)，在組裝時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)中的彈簧施加力的作用[5]。因此，在阻尼器的工作中，將彈簧結(jié)構(gòu)的工作原理表示為：

上式中，A4表示形狀記憶合金絲結(jié)構(gòu)中，彈簧一側(cè)的預(yù)設(shè)壓力（kN）；ε表示彈簧結(jié)構(gòu)的剛度（kPa）；A3表示彈簧結(jié)構(gòu)組的整體應(yīng)力（kN）；ωΔ表示一側(cè)形狀記憶合金絲整體的相對(duì)位移（mm）。基于阻尼器合金絲材料的彈性分析，對(duì)阻尼器的螺桿與支座的塑性特性進(jìn)行分析，提高阻尼器的消能減震作用。

2 阻尼器塑性性能分析

阻尼器的減震性能，主要與其構(gòu)成材料的塑性物理性能與力學(xué)性能有關(guān)，通過(guò)材料的性能，吸收地震過(guò)程產(chǎn)生的能量，降低地震的作用力，以此來(lái)保護(hù)建筑設(shè)施。阻尼器的是由滾動(dòng)的杠螺桿與導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)為主，控制杠桿結(jié)構(gòu)螺母，做范圍的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)阻尼器的超彈力學(xué)性能，計(jì)算阻尼器的各部分的力學(xué)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)阻尼器未發(fā)生作用時(shí)，即螺桿未發(fā)生旋轉(zhuǎn)，此時(shí)的轉(zhuǎn)角為0°，此時(shí)合金絲的相對(duì)位移為0 mm，阻尼器整體的相對(duì)位移也為0 mm，得到 'x x=。在阻尼器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，當(dāng)螺桿的旋轉(zhuǎn)角為90°，合金絲的最大相對(duì)位移表示為其中，表示高合金絲的自身長(zhǎng)度；表示杠桿螺母到底部支座的豎直距離。得到阻尼器的直線(xiàn)位移1xΔ，表示為：

上式中，γ表示杠桿頂端螺母的螺紋間距。計(jì)算阻尼器的變形放大系數(shù)τ，表示為：

在上述阻尼器結(jié)構(gòu)間彈性位移特征的基礎(chǔ)上，計(jì)算阻尼器的剛度，表示為：

上式中，0λ表示阻尼器的整體等效剛度；A7表示阻尼器最大移動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；6x表示最大作用力對(duì)應(yīng)的位移。根據(jù)剛度與位移的相互關(guān)系，計(jì)算阻尼器的阻尼比θ，表示為：

上式中，E表示阻尼器作用一周對(duì)應(yīng)的能量消耗值。確定阻尼器的阻尼系數(shù)，設(shè)阻尼器結(jié)構(gòu)材料整體到達(dá)塑性狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為G，得到阻尼器的應(yīng)力變形表達(dá)式，表示為：

上式中，?表示設(shè)定的抗震裂縫的軸向壓力；β表示設(shè)定的抗震裂縫的寬度，其中，當(dāng)( Δ ω +β)＜0時(shí)，抗震裂縫的軸向壓力為ε ( Δ ω +β)；當(dāng)(Δ ω +β)≥0，抗震裂縫的軸向壓力為0。在阻尼器的作用過(guò)程中，最重要的部分是結(jié)構(gòu)的滯回能力φ，即結(jié)構(gòu)的恢復(fù)能力，可以表示為：

上式中，'x表示阻尼器的恢復(fù)位移。當(dāng)恢復(fù)位移大于等于0時(shí)，滯回能力取4'A xε+；當(dāng)恢復(fù)位移為負(fù)數(shù)時(shí)，滯回能力取4'A xε-+ 。根據(jù)形狀記憶合金的本構(gòu)模型，結(jié)合上述彈性、塑性性能分析，確定阻尼器的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)一步研究阻尼器的抗震效果。

4 試驗(yàn)與檢測(cè)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

上述文章分析了高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器的力學(xué)性能，為了檢測(cè)相關(guān)性能在實(shí)際工程中的抗震性能，基于M工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了仿真模擬試驗(yàn)。檢測(cè)力學(xué)控制下的合金阻尼器在地震作用下的響應(yīng)狀態(tài)，分析阻尼器的抗震效果。項(xiàng)目的基本參數(shù)如下表1所示。

表1 試驗(yàn)建筑項(xiàng)目的基本參數(shù)表

根據(jù)上文的力學(xué)性能分析，結(jié)合上述項(xiàng)目工程的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算阻尼器的模型參數(shù)，如下表2所示。

表2 阻尼器的模型參數(shù)表

基于上述設(shè)計(jì)參數(shù)，利用Benchmark結(jié)構(gòu)模型，搭建模擬試驗(yàn)平臺(tái)。在罕遇地震的條件下，分別采用3組不同的地震波，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，地震波的基本參數(shù)如下表3所示。

表3 試驗(yàn)地震波參數(shù)表

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述試驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，計(jì)算在不同類(lèi)型的仿真地震波的作用下，建筑結(jié)構(gòu)的不同評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果。將結(jié)果代入下式，分別計(jì)算3種評(píng)價(jià)指標(biāo)的減振效果φ，計(jì)算表示為：

四條地震波作用下，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的減震率結(jié)果如下圖2所示。

圖2 4條地震波作用下的阻尼器減震率

由上圖可知，4種地震波的罕遇地震等級(jí)作用下，建筑結(jié)構(gòu)樓層位移指標(biāo)的減震率分別為40.8%、32.5%、39.2%、27.9%，建筑結(jié)構(gòu)的層間位移角度指標(biāo)，對(duì)應(yīng)的減震率分別為33.0%、25.6%、46.7%、39.6%；建筑結(jié)構(gòu)的樓層的最大加速度指標(biāo)，對(duì)應(yīng)的減震率分別為12.1%、17.7%、10.4%、12.5%，結(jié)果顯示，在高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器的作用下，建筑的層間位移，樓層間位移角的控制效果較為明顯，對(duì)建筑樓層的最大加速度具有一定的穩(wěn)定作用，但控制效果相對(duì)較小。雖然對(duì)不同地震波條件的減震率有所變化，但總體上均得到了降低與控制。

綜上所述，通過(guò)本文的高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器的性能分析，所調(diào)試的阻尼器的力學(xué)參數(shù)與布設(shè)方式，在罕遇地震的條件下，呈現(xiàn)出了有效的消能減震作用，可以降低建筑結(jié)構(gòu)的損傷，提高建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，為建筑結(jié)構(gòu)的安全性，奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)地震等自然災(zāi)害，建筑必須要有強(qiáng)大的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)，才能保證生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，加強(qiáng)研究阻尼器的力學(xué)性能，提高建筑結(jié)構(gòu)的消能減振能力，對(duì)建筑工程行業(yè)的發(fā)展，與土木工程行業(yè)的發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的價(jià)值意義。