具有位移放大功能的耗能減震器及減震性能研究

沈國棟，何芝仙，丁 坤

(安徽工程大學 建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000)

隨著我國經濟技術的發展，高層、超高層鋼結構建筑越來越多，但由于不確定性和突發性的臺風、地震作用，會給結構帶來較大的振動和破壞，甚至造成巨大的人員傷亡和經濟損失，因此提高這些結構的抗風抗震性能一直是工程師們關注的熱點問題。傳統的結構抗震設計方法是所謂“硬抗”的被動抗震設計方法[1]，即依靠結構自身的強度和塑型變形能力來抵抗地震荷載的作用。近年來發展了一種積極的消能減震設計方法，在結構設計中已經得到廣泛應用。減震器是消能減震結構的關鍵部件，類型很多，其中摩擦型耗能減震器因其構造簡單、制作容易、成本低等特點廣泛應用于結構抗震及加固。目前應用于結構抗震的摩擦型耗能減震器主要有A.S.Pall[2]發明的Pall型摩擦型消能器,Akin[3]等提出的Sumitomo摩擦型消能器以及歐進萍[4]等研制的Pall型改進型T型芯板摩擦阻尼器。這些減震器的預緊螺栓預緊力確定時，減震器的摩擦力保持不變，當起滑摩擦力設置過低時，則耗能效率低下，反之，當起滑摩擦力設置過大時，減震器在小震作用下可能無法達到其起滑位移即無能量的消耗。而在實際工程應用中，一般以強震下受力為前提設置起滑摩擦力，則在小震和風荷載作用下，結構物振動位移較小，由于設置的起滑摩擦力過高就會導致現有耗能減震器不工作無能量消耗，不能兼顧結構小位移工作條件下耗能效率和強震工作條件下結構減震需求。為了克服現有摩擦型耗能減震器的上述缺點和自適應差的不足[5]，許多學者對此問題進行了研究并提出改進措施[6]。如王偉[7-8]等提出的變摩擦力的永磁摩擦耗能減震器和電磁摩擦耗能減震器;張偉岳[9]提出了具有多級起滑力的摩擦型耗能減震器;Samani[10]等提出了一種可變摩擦阻尼器;Ozbulut[11]利用了記憶合金結合變阻尼器特性提出了自復位變摩擦耗能的減震器等。這些減震器有著變摩擦力的特性，在一定程度上改善了摩擦耗能減震器的減震性能。

研究提出了一種具有位移放大功能的機械傳動式摩擦耗能減震器，其特點是它可以將建筑物兩點之間微小位移進行非線性放大后傳遞到摩擦耗能部位，與現有傳統減震器相比，有著更小的起滑力或起滑位移，保證了結構在發生微小位移工作條件下減震器具有較好的耗能能力；同時阻尼力與位移之間具有非線性特性，具有馬鞍形滯回特性曲線，可實現小震耗小能、大震多耗能，改善了摩擦型耗能減震器的自適應能力。

1 具有位移放大功能的耗能減震器

1.1 耗能減震器的位移放大原理

為實現減震器位移放大功能，擬采用杠桿原理，其工作原理圖如圖1所示。采用一個偏置曲柄滑塊機構驅動作定軸轉動的杠桿將滑塊的往復微小移動放大成摩擦片的大位移圓弧滑動。機構中主要有移動滑塊B、連桿AB、曲柄O1A以及與曲柄固連的扇形摩擦片構成。建立XO1Y坐標系，通過幾何關系分析可得滑塊位移與曲柄轉角之間的關系如式(1)、式(2)所示，以曲柄O1A與y軸重合時為曲柄轉角的起始角，對應位置的連桿AB與曲柄O1A垂直。

(1)

Δ=Xb-L,

(2)

式中，XB為滑塊的位置即x軸的坐標;Δ為減震器的軸向位移;L為連桿長度;r為曲柄長度;φ為曲柄與y軸的夾角。

摩擦片中心弧位移S與曲柄轉動角度φ的關系

S=Rφ,

(3)

式中，R為摩擦片半圓弧的平均半徑。

(4)

取r=50 mm，R=300 mm,L=300 mm，可得此款耗能減震器的位移放大倍數曲線如圖2所示。由圖2可知，減震器位移放大倍數在6倍以上。

圖1 耗能減震器位移放大原理圖 圖2 新型減震器位移放大系數曲線

1.2 耗能減震器結構

為了將圖1所示的具有位移放大功能的耗能減震器工作原理付之實現，提出的耗能減震器的結構如圖3所示。由圖3可知，采用一個滑塊6驅動上下對稱的兩個曲柄連桿機構以及對應的扇形轉盤11的結構設計方案。這樣不僅將2個曲柄的徑向力完全抵消，使得減震器總體受力良好，還使得摩擦片數量增加了1倍。扇形轉盤11的兩個面通過沉頭螺釘安裝由抗磨材料制成的摩擦片，以提高減震器的使用壽命。一個扇形轉盤可安裝2個摩擦片，整個減震器安裝上下4個扇形摩擦片以提高耗能效率，也可以根據需要串聯更多的扇形轉盤以提高工作效率。圖3中只畫出2個扇形轉盤的結構形式。減震器預緊力通過安裝在預緊螺栓3上擰緊螺母實現，并通過碟形預緊彈簧7和限位套筒12調節并固定預緊力。由于位移放大作用以及多個摩擦片串聯工作，僅需要很小的預緊力便可獲得比較大的阻尼力。

圖3 減震器示意圖

1.3 減震器的滯回特性

根據功能原理即外力所做的功等于減震器摩擦力所消耗的能量如式(5)、式(6)所示。

FdΔ=nFfdS,

(5)

Ff=μFN,

(6)

式中,F為減震器提供的阻尼力;Δ為減震器軸向位移;Ff為減震器摩擦接觸面上的摩擦力;μ為摩擦片摩擦系數;FN為摩擦片上的正壓力；S為摩擦片中心弧位移；n為減震器摩擦接觸面數目。

根據圖3所示的結構設計方案，即采用一個滑塊6驅動上下對稱的2個扇形轉盤11的結構設計方案，共有4個摩擦接觸面，采用2個預緊螺栓施加預緊力以提供摩擦片所需要的預壓力。取摩擦片的摩擦系數μ=0.3，FN=15 N，起滑軸向位移e為0.01 mm，聯立式(1)～式(6)可計算出具有位移放大功能的耗能減震器在不同軸向位移幅值下的滯回特性曲線如圖4a所示；現有傳統摩擦耗能減震器設置起滑阻尼力與新型減震器相同，其起滑摩擦力為新型減震器的6倍，則起滑軸向位移為新型減震器的36倍即0.36 mm，在不同軸向位移幅值下的滯回特性曲線如圖4b所示?？梢?，研究討論的具有位移放大功能的摩擦耗能減震器具有馬鞍形的滯回特性曲線，且起滑位移小。

圖4 摩擦型耗能減震器不同位移下的滯回曲線

2 消能結構減震性能分析

2.1 ADAMS動力學仿真模型建立

為了研究提出的具有位移放大功能的耗能減震器的減震性能，選擇一個5層平面鋼框架結構，并采用ADAMS動力學仿真軟件進行動力學分析其減震性能。計算原始數據為：5層平面鋼框架結構，柱子采用箱型截面，截面尺寸400 mm×400 mm×20 mm，梁采用H型鋼，截面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm×12 mm，其中每層層高3 600 mm、跨度6 000 mm，鋼材選用Q235,密度取ρ=7 900 kg/m3,彈性模量E=2.1e11N/m2,泊松比μ=0.3，阻尼比ζ=0.035。

所建立的ADAMS減震結構動力學仿真模型如圖5所示。首先用三維繪圖軟件UG繪制5層平面框架整體實體外形，導入ADAMS后柱腳與大地固定連接建立框架結構剛體模型，利用有限元軟件ABAQUS生成框架的柔性體文件即MNF文件，在ADAMS中把剛體框架替換成柔性體，激勵力作用在頂層A點位置，減震器布置在結構每層的兩個對角位置之間，共布置10個，在ADAMS中采用在結構每層2個對角點之間施加作用力來替代減震器，將圖4所示的減震器滯回特性曲線制作成力與位移關系的樣條函數，ADAMS中用力函數獲取2個對角點之間的位移后調用樣條函數實現減震器的功能。由于減震器未達到起滑位移時并未消耗能量，則在編輯力函數時，以減震器起滑位移為判斷條件，當減震器的軸向位移幅值小于起滑位移時，使得減震器阻尼力為0，如式(7)所示。

(7)

式中，Δ為減震器的軸向位移;e為減震器的起滑位移。

2.2 框架結構的幅頻特性

ADAMS中的振動分析模塊可以進行結構幅頻特性分析。輸入輸出位置均選擇框架結構頂層A點位置，作用力方向為全局坐標系下的x方向，幅值為200 N。采用掃頻法，頻率范圍為1～20 Hz，得出結構的幅頻特性曲線如圖6所示。由圖6可知，在1～20 Hz頻率范圍內，結構有2個共振頻率，即一階共振頻率為2.7 Hz；2階共振頻率為9.9 Hz。結構安裝減震器后對結構的幅頻特性沒有影響，這是因為在進行振動分析時，作用在框架結構每層對角點的力來替代減震器，忽略了減震器的質量。

圖5 減震結構仿真模型 圖6 頻率響應曲線

2.3 消能結構的減震性能分析

研究提出的具有位移放大功能的減震器減震性能，選擇3種類型結構進行對比分析研究，具體包括：不安裝減震器的原結構、安裝現有傳統摩擦耗能減震器的傳統減震結構、安裝具有位移放大功能的新型摩擦耗能減震器的新型減震結構。設置正弦激勵力幅值500 N，工況1頻率為2 Hz、工況2頻率為2.7 Hz。在ADAMS中進行動力學分析，兩種工況下結構的各樓層水平絕對位移幅值降幅效果如圖7所示，幅值數據和降幅比例如表1、表2所示,結構各層的層間位移幅值如表3所示。

由動力學仿真結果可知，結構在工況1情況下，結構振動位移較小。通過表3的各樓層的層間位移幅值可知，最大的層間位移幅值發生在第3、4層，其最大的層間位移并未讓現有傳統減震器達到起滑位移，即傳統減震器不工作無能量消耗；最小的層間位移發生在第1層，使得新型減震器達到了起滑位移，即新型減震器有能量消耗。新型減震器和傳統減震器對結構的減震效果如圖7a所示，其對各樓層的絕對位移的降幅率如表1所示。通過數據分析可知，傳統減震器對結構未起到減震效果，而新型減震器對頂層A點水平絕對位移降幅達到了10.53%，體現出了新型減震器起滑位移小、易起滑工作特點，在小位移下具備良好的工作耗能能力。工況2情況下，通過表3的各樓層的層間位移幅值可知，最小的層間位移幅值發生在第1層，使得傳統減震器和新型減震器都達到了起滑位移，兩者都有能量的消耗，因為新型減震器的起滑位移小且具有阻尼力隨位移非線性增大特性，在同等位移下比傳統減震器有著更強的耗能能力。傳統減震器和新型減震器對結構的各層絕對位移的降幅如圖7b所示，無論傳統減震器和新型減震器都降低了結構各層的絕對位移幅值，且新型減震器的減震效果要優于傳統減震器。從表2的數據可知，傳統減震器對頂層A點水平絕對位移降幅達到了36.69%，新型減震器對頂層A點水平絕對位移降幅達到了48%，與傳統減震器相比降幅達到17.86%，體現出相同工況下新型減震比傳統減震器具有更好的耗能能力。

圖7 各樓層的水平絕對位移

表1 工況1下各樓層水平絕對位移幅值及降幅對比

表2 工況2下各樓層水平絕對位移幅值及降幅對比

表3 各樓層的層間位移幅值

3 結論

提出了一種具有位移放大功能的摩擦型耗能減震器的運動設計和結構設計方案，并定量計算了該新型減震器位移放大倍數和滯回特性曲線。計算結果表明，該減震器具有馬鞍形滯回特性曲線，起滑位移小，減震器阻尼力隨位移增大而呈非線性增加。

研究以5層平面鋼框架結構為算例，利用ADAMS軟件對其進行了動力學分析，得出如下結論：安裝減震器并未改變結構的共振頻率，在20 Hz范圍內結構共有2個共振頻率點，1階共振頻率為2.7 Hz，2階共振頻率為9.9 Hz。鋼框架結構在500 N幅值、2 Hz的外界正弦激勵力作用下，結構處在小位移振動狀態。從數據分析結果得出的圖7a、表1和表3可知，傳統消能減震結構中的現有傳統減震器不起滑無能量消耗，現有減震器并沒有減小各樓層的絕對位移幅值；而新型消能減震結構中的新型減震器起滑工作有能量的消耗，對結構各層的絕對位移幅值有大幅度降低，其對結構頂層A點絕對位移幅值的降幅率達到10.53%；鋼框架結構在500 N幅值、2.7 Hz的外界正弦激勵力作用下，其外界激勵力頻率和結構本身的共振頻率一樣，產生共振現象，則結構處在大位移的振動狀態。從數據分析結果得出的圖7b、表2及表3可知，傳統消能減震結構中的現有減震器和新型消能減震結構中新型減震器的起滑工作都有能量的消耗，現有傳統減震器對原結構頂層A點絕對位移幅值的降幅率達到36.69%；新型減震器對原結構頂層A點絕對位移幅值的降幅率達到了48%，與現有傳統減震器相比，降幅率達到17.86%，可見研究提出的具有位移放大功能的摩擦型耗能減震器與現有傳統減震器相比，有著更好的力學性能和減震效果，因此具有較好的應用推廣前景。