高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器性能分析

馬鴻川

（煙臺橡研材料科技有限公司 山東 龍口 265700）

0 引言

在人類社會中，自然災害的發生往往是不可避免的。現今，在經濟迅速發展的時代環境下，世界的人口數量，一直呈直線增長的趨勢[1]。因為人口越來越密集，建筑高度與建筑數量的增加，這就導致在許多災害來臨時，產生的后果更加嚴峻。地震災害，是對建筑設施影響最大的一種自然災害，地震時，建筑的坍塌與損壞，會對人類產生直接的威脅。相對的，人們越來越注重建筑的抗震施工技術與減震技術，提高建筑整體結構的抗震性，以此來保證在地震發生時，建筑能夠維持原本的穩定結果，不發生倒塌從而危害人類的生命。在建筑的抗震技術中，應用最廣泛的是摩擦阻尼器結構，通過摩擦力，為建筑設施提供強大的剛度與穩定性，從而達到建筑結構的消能、減震的功能特性[2]。由于在實際的施工當中，常常不能準確地控制阻尼器的變阻效率，與彈性機制，不能達到最好的減震效果，不利于建筑結構的長期穩定性。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，為阻尼器的調節提供了一種技術支持，希望可以提高建筑結構的穩定性與安全性，實現最大化的經濟效益與環境效益。

1 建立形狀記憶合金本構模型

根據上述阻尼器的運行原理與力學性能分析，建立形狀記憶合金的本構模型。應用Tanaka原理，得到合金的應力狀態下的本構模型，表示為：

上式中，分別表示相變以及逆相變過程的結果；分別表示馬氏原理與奧氏原理開始相變時的初始溫度；1μ、2μ、1σ、2σ分別表示對應的不同的溫度特征系數。高阻尼橡膠的實際的力學特性，會隨著加載條件，以及外部環境條件的改變而發生較大的改變。建立形狀記憶合金本構模型，結合高阻尼橡膠材料、合金材料的力學性能分析，為阻尼器消能減震作用的增強，奠定理論基礎。

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，常常應用在建筑結構的消能減震的施工或改造當中[3]。其材料內部的分子連接形式，是一種通過摩擦耗能，產生黏性特征。橡膠的結構的應力，滯后于其結構的應變能力。在實際的應用中，主要的功能作用表現為建筑設施的減震施工中，具體的工作原理為：在硫化作用的基礎上，將高阻尼橡膠材料，與建筑的鋼結構層，疊合在一起，通過提升結構的阻尼作用，增強建筑的抗震能力[4]。形狀記憶合金的阻尼器的作用機理，是通過受到組成結構中的阻尼器內桿，以及合金絲等部件的相互作用，形成結構滑動的擋板的拉伸力，壓縮力，達到消能減震的作用。

阻尼器彈性能耗的力學示意圖如下圖1所示。

圖1 阻尼器彈簧能耗力學示意圖

根據上圖所示的力學示意分析，計算形狀記憶合金阻尼器的彈簧結構作用原理。計算形狀記憶合金結構的伸長組的拉伸力A1（kN），表示為：

上式中：Z0表示一側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構中，伸長組的應力（kN）。基于上式，結合力的平衡原理，得到下列公式：

上式中，A2表示形狀記憶合金絲結構中，縮短組的應力；A0表示形狀記憶合金絲結構中，耗能組的整體應力。由于阻尼器的整體結構，在組裝時，需要對結構中的彈簧施加力的作用[5]。因此，在阻尼器的工作中，將彈簧結構的工作原理表示為：

上式中，A4表示形狀記憶合金絲結構中，彈簧一側的預設壓力（kN）；ε表示彈簧結構的剛度（kPa）；A3表示彈簧結構組的整體應力（kN）；ωΔ表示一側形狀記憶合金絲整體的相對位移（mm）。基于阻尼器合金絲材料的彈性分析，對阻尼器的螺桿與支座的塑性特性進行分析，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，主要與其構成材料的塑性物理性能與力學性能有關，通過材料的性能，吸收地震過程產生的能量，降低地震的作用力，以此來保護建筑設施。阻尼器的是由滾動的杠螺桿與導向支撐結構為主，控制杠桿結構螺母，做范圍的軸向旋轉運動，根據阻尼器的超彈力學性能，計算阻尼器的各部分的力學參數以及結構參數。當阻尼器未發生作用時，即螺桿未發生旋轉，此時的轉角為0°，此時合金絲的相對位移為0 mm，阻尼器整體的相對位移也為0 mm，得到 'x x=。在阻尼器開始運行時，當螺桿的旋轉角為90°，合金絲的最大相對位移表示為其中，表示高合金絲的自身長度；表示杠桿螺母到底部支座的豎直距離。得到阻尼器的直線位移1xΔ，表示為：

上式中，γ表示杠桿頂端螺母的螺紋間距。計算阻尼器的變形放大系數τ，表示為：

在上述阻尼器結構間彈性位移特征的基礎上，計算阻尼器的剛度，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對應的應力；6x表示最大作用力對應的位移。根據剛度與位移的相互關系，計算阻尼器的阻尼比θ，表示為：

上式中，E表示阻尼器作用一周對應的能量消耗值。確定阻尼器的阻尼系數，設阻尼器結構材料整體到達塑性狀態時，對應的應力為G，得到阻尼器的應力變形表達式，表示為：

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

上式中，'x表示阻尼器的恢復位移。當恢復位移大于等于0時，滯回能力取4'A xε+；當恢復位移為負數時，滯回能力取4'A xε-+ 。根據形狀記憶合金的本構模型，結合上述彈性、塑性性能分析，確定阻尼器的力學參數，進一步研究阻尼器的抗震效果。

4 試驗與檢測

4.1 試驗準備

上述文章分析了高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器的力學性能，為了檢測相關性能在實際工程中的抗震性能，基于M工程項目，設計了仿真模擬試驗。檢測力學控制下的合金阻尼器在地震作用下的響應狀態，分析阻尼器的抗震效果。項目的基本參數如下表1所示。

表1 試驗建筑項目的基本參數表

根據上文的力學性能分析，結合上述項目工程的相關參數，計算阻尼器的模型參數，如下表2所示。

表2 阻尼器的模型參數表

基于上述設計參數，利用Benchmark結構模型，搭建模擬試驗平臺。在罕遇地震的條件下，分別采用3組不同的地震波，進行模擬試驗，地震波的基本參數如下表3所示。

表3 試驗地震波參數表

4.2 試驗結果與分析

在上述試驗準備的基礎上，進行仿真模擬試驗，計算在不同類型的仿真地震波的作用下，建筑結構的不同評價指標結果。將結果代入下式，分別計算3種評價指標的減振效果φ，計算表示為：

四條地震波作用下，對應評價指標的減震率結果如下圖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作用下，建筑結構樓層位移指標的減震率分別為40.8%、32.5%、39.2%、27.9%，建筑結構的層間位移角度指標，對應的減震率分別為33.0%、25.6%、46.7%、39.6%；建筑結構的樓層的最大加速度指標，對應的減震率分別為12.1%、17.7%、10.4%、12.5%，結果顯示，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，對建筑樓層的最大加速度具有一定的穩定作用，但控制效果相對較小。雖然對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，通過本文的高阻尼橡膠形狀記憶合金阻尼器的性能分析，所調試的阻尼器的力學參數與布設方式，在罕遇地震的條件下，呈現出了有效的消能減震作用，可以降低建筑結構的損傷，提高建筑結構整體的穩定性，為建筑結構的安全性，奠定了良好的技術基礎。

5 結語

面對地震等自然災害，建筑必須要有強大的穩定結構與支撐結構，才能保證生命財產的安全。因此，加強研究阻尼器的力學性能，提高建筑結構的消能減振能力，對建筑工程行業的發展，與土木工程行業的發展，具有深遠的價值意義。