摩擦耗能阻尼器研究綜述

張會峰+李佳躍

【摘 要】近40年來，特別是唐山大地震之后，對于建筑結構的抗震能力研究越來越被研究學者們重視，并且已經取得了顯著的研究成果。研究學者不再局限于簡單的抗振動能力的研究方法，而是通過結構自身的動力性能，利用吸能、耗能等結構外裝置組成 “結構的保護系統”來減小地震、風力的破壞。例如阻尼器吸能、摩擦耗能等都已經走向了工程實際應用。重點介紹摩擦耗能阻尼器的研究進展工作原理、研究進展與實際應用。

【關鍵詞】抗震；保護系統；摩擦耗能；阻尼器

前言

建筑結構傳統的抗震方法主要是通過增強結構自身的抗震性能來滿足結構抗震設防標準。在古代，摩擦減振就應用于土木結構中，1972年姚冶平提出了結構振動控制的概念，才開始系統地開發研制摩擦耗能阻尼器進而運用到結構工程中達到減震的目的。隨后大批的研究學者進行了深入的研究和探索，在摩擦耗能減震、半主動控制、主動控制等方面取得了顯著的成果。

減震耗能技術是指在建筑結構的關鍵部位設置耗能裝置或阻尼器來消耗地震能量，減小主體結構的地震反應，減輕主體結構的破壞以達到減震的目的。近些年來，國內外研究學者廣泛研究的各種耗能阻尼器裝置正是因此展開的。

1.摩擦耗能阻尼器發展概況

為應對不同建筑結構類型的地震反應，國內外研究學者陸續研制開發了多種摩擦耗能阻尼器。現階段研究較為成熟并且已經得到實際應用的摩擦耗能阻尼器主要有：普通鋼板摩擦阻尼器、Pall型摩擦阻尼器、滑移型螺栓節點阻尼器、多級摩擦阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器以及一些復合摩擦耗能阻尼器。其基本原理主要是從摩擦力大小控制、螺栓預緊力確定、摩擦耗能材料選取來展開。

2.摩擦耗能阻尼器的原理

摩擦耗能阻尼器的基本原理為經典庫倫摩擦定律[1]。簡易構造如圖1 所示：主要是通過開有槽孔的中間鋼板相對于上下兩塊鋼板的摩擦運動而耗能，通過調整螺栓的預緊力來控制滑動摩擦力。利用經典庫倫摩擦原理建立摩擦耗能阻尼器滑動摩擦力的模型為：

（1） f=2μFP

其中：2代表有兩個摩擦面；μ為滑動摩擦系數。

由式（1）可知，可以通過增大螺栓預緊力和滑動摩擦系數來增大摩擦力，從而達到耗能的效果。

耗能能力是評價摩擦耗能阻尼器性能的重要指標，在低周往復荷載下，每次循環形成的滯回環所包圍的面積就是該次循環的耗能值。為了便于摩擦耗能阻尼器的推廣與應用，采用理想彈塑性模型來擬合恢復力模型[2]。恢復力模型如圖2所示。

3.摩擦耗能阻尼器在結構工程中的應用

摩擦耗能阻尼器在近幾十年的研究中無論從理論基礎、試驗研究和實際應用上均取得了顯著的成果，目前多種摩擦阻尼器已經運用到了實際建筑結構中，在建筑結構抗震及結構工程加固的研究中起到了至關重要的作用。

Pall等人[3]提出Pall摩擦阻尼器，并且已經應用在國外多幢民用及工業建筑中。Pall摩擦阻尼器是一種安裝在X型支撐中央的雙向摩擦耗能阻尼器。Pall摩擦阻尼器的摩擦力較普通摩擦耗能器更加穩定，摩擦力的衰減幾乎不受螺栓預緊力得影響，最重要的是，Pall摩擦阻尼器的滯回性能比較穩定，不受支撐屈曲力的影響，但其構造安裝較為復雜。

歐進萍等[4]在鋼板摩擦耗能阻尼器的研究基礎上，研制了形芯板摩擦阻尼器和擬粘滯摩擦阻尼器兩種新型摩擦阻尼器，通過理論分析和試驗研究，都取得了很好的耗能效果，具有廣闊的工程應用前景。

Mualla等[5]提出了夾板轉動摩擦耗能器，這種新型摩擦阻尼器由可阻礙相對反向旋轉的鋼板組成，這些鋼板被摩擦材料墊片分割開，當鋼板相對旋轉時，由于螺栓預緊力的作用，摩擦墊片會產生摩擦力，進而消耗地震能量。該耗能器幾乎不受荷載頻率、循環次數及溫度等因素影響，滯回性能穩定。其結構簡單，安裝方便，性能可靠，而且適合于各種結構，具有較好的應用前景。

李澈[6]研制了一種半主動控制可變摩擦阻尼器，主要由滑動坡面、摩擦面、螺桿、碟形彈賛組成。其主要工作原理是利用坡面使阻尼器變形過程中板件之間的距離增大，壓縮彈簧，使摩擦面間的法向正壓力增大，從而達到變形越大，摩擦越大的變摩擦效果。通過設置適出的初始預緊力、一定長度的平滑段和起坡段，可使阻尼器在小震、中震、大震中均有良好的減震性能。

4.結語

隨著人們對建筑房屋結構抗震要求的提高，研究學者對摩擦耗能阻尼器的研究越來越深入，技術發展日漸成熟。從前文的介紹可以看出多種摩擦耗能阻尼器已經運用到實際工程中并取得了明顯的抗震效果，但其中存在的問題也還很多，例如摩擦接觸面的不穩定、螺栓預緊力等問題還需要研究學者不斷努力，使其向更為方便實用的方向發展。

參考文獻：

[1]王曉天，鄒向陽等. 摩擦耗能器發展概況評述[J]. 長春工程學院學報（自然科學版） ，2008， 01：14-18.

[2]郭子雄，張鵬等. 長孔螺栓板式摩擦耗能器滯回性能試驗研究[J]. 福州大學學報（自然科學版），2013，（04）：622-628.

[3]Pall A S，Marsh C. Response of friction damped braced frames [J]. Journal of theStructural Division，ASCE，1982，108（ST6）：1313-1323.

[4]歐進萍，吳斌. 組合鋼板耗能器——一種新型耗能減震裝置[J]. 地震工程與工程振動，1997，01：33-40.

[5]Mualla I H.Experimental evaluation of new friction damper device[C]/ / 12th World Conference on Earthquake Engineering，Auckland.2000： 314-316.

[6]李澈. 摩擦阻尼器的研制與應用[D].中國建筑科學研究院，2011.endprint