摩擦耗能阻尼器研究综述

张会峰+李佳跃

【摘 要】近40年来，特别是唐山大地震之后，对于建筑结构的抗震能力研究越来越被研究学者们重视，并且已经取得了显著的研究成果。研究学者不再局限于简单的抗振动能力的研究方法，而是通过结构自身的动力性能，利用吸能、耗能等结构外装置组成 “结构的保护系统”来减小地震、风力的破坏。例如阻尼器吸能、摩擦耗能等都已经走向了工程实际应用。重点介绍摩擦耗能阻尼器的研究进展工作原理、研究进展与实际应用。

【关键词】抗震；保护系统；摩擦耗能；阻尼器

前言

建筑结构传统的抗震方法主要是通过增强结构自身的抗震性能来满足结构抗震设防标准。在古代，摩擦减振就应用于土木结构中，1972年姚冶平提出了结构振动控制的概念，才开始系统地开发研制摩擦耗能阻尼器进而运用到结构工程中达到减震的目的。随后大批的研究学者进行了深入的研究和探索，在摩擦耗能减震、半主动控制、主动控制等方面取得了显著的成果。

减震耗能技术是指在建筑结构的关键部位设置耗能装置或阻尼器来消耗地震能量，减小主体结构的地震反应，减轻主体结构的破坏以达到减震的目的。近些年来，国内外研究学者广泛研究的各种耗能阻尼器装置正是因此展开的。

1.摩擦耗能阻尼器发展概况

为应对不同建筑结构类型的地震反应，国内外研究学者陆续研制开发了多种摩擦耗能阻尼器。现阶段研究较为成熟并且已经得到实际应用的摩擦耗能阻尼器主要有：普通钢板摩擦阻尼器、Pall型摩擦阻尼器、滑移型螺栓节点阻尼器、多级摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器以及一些复合摩擦耗能阻尼器。其基本原理主要是从摩擦力大小控制、螺栓预紧力确定、摩擦耗能材料选取来展开。

2.摩擦耗能阻尼器的原理

摩擦耗能阻尼器的基本原理为经典库伦摩擦定律[1]。简易构造如图1 所示：主要是通过开有槽孔的中间钢板相对于上下两块钢板的摩擦运动而耗能，通过调整螺栓的预紧力来控制滑动摩擦力。利用经典库伦摩擦原理建立摩擦耗能阻尼器滑动摩擦力的模型为：

（1） f=2μFP

其中：2代表有两个摩擦面；μ为滑动摩擦系数。

由式（1）可知，可以通过增大螺栓预紧力和滑动摩擦系数来增大摩擦力，从而达到耗能的效果。

耗能能力是评价摩擦耗能阻尼器性能的重要指标，在低周往复荷载下，每次循环形成的滞回环所包围的面积就是该次循环的耗能值。为了便于摩擦耗能阻尼器的推广与应用，采用理想弹塑性模型来拟合恢复力模型[2]。恢复力模型如图2所示。

3.摩擦耗能阻尼器在结构工程中的应用

摩擦耗能阻尼器在近几十年的研究中无论从理论基础、试验研究和实际应用上均取得了显著的成果，目前多种摩擦阻尼器已经运用到了实际建筑结构中，在建筑结构抗震及结构工程加固的研究中起到了至关重要的作用。

Pall等人[3]提出Pall摩擦阻尼器，并且已经应用在国外多幢民用及工业建筑中。Pall摩擦阻尼器是一种安装在X型支撑中央的双向摩擦耗能阻尼器。Pall摩擦阻尼器的摩擦力较普通摩擦耗能器更加稳定，摩擦力的衰减几乎不受螺栓预紧力得影响，最重要的是，Pall摩擦阻尼器的滞回性能比较稳定，不受支撑屈曲力的影响，但其构造安装较为复杂。

欧进萍等[4]在钢板摩擦耗能阻尼器的研究基础上，研制了形芯板摩擦阻尼器和拟粘滞摩擦阻尼器两种新型摩擦阻尼器，通过理论分析和试验研究，都取得了很好的耗能效果，具有广阔的工程应用前景。

Mualla等[5]提出了夹板转动摩擦耗能器，这种新型摩擦阻尼器由可阻碍相对反向旋转的钢板组成，这些钢板被摩擦材料垫片分割开，当钢板相对旋转时，由于螺栓预紧力的作用，摩擦垫片会产生摩擦力，进而消耗地震能量。该耗能器几乎不受荷载频率、循环次数及温度等因素影响，滞回性能稳定。其结构简单，安装方便，性能可靠，而且适合于各种结构，具有较好的应用前景。

李澈[6]研制了一种半主动控制可变摩擦阻尼器，主要由滑动坡面、摩擦面、螺杆、碟形弹賛组成。其主要工作原理是利用坡面使阻尼器变形过程中板件之间的距离增大，压缩弹簧，使摩擦面间的法向正压力增大，从而达到变形越大，摩擦越大的变摩擦效果。通过设置适出的初始预紧力、一定长度的平滑段和起坡段，可使阻尼器在小震、中震、大震中均有良好的减震性能。

4.结语

随着人们对建筑房屋结构抗震要求的提高，研究学者对摩擦耗能阻尼器的研究越来越深入，技术发展日渐成熟。从前文的介绍可以看出多种摩擦耗能阻尼器已经运用到实际工程中并取得了明显的抗震效果，但其中存在的问题也还很多，例如摩擦接触面的不稳定、螺栓预紧力等问题还需要研究学者不断努力，使其向更为方便實用的方向发展。

参考文献：

[1]王晓天，邹向阳等. 摩擦耗能器发展概况评述[J]. 长春工程学院学报（自然科学版） ，2008， 01：14-18.

[2]郭子雄，张鹏等. 长孔螺栓板式摩擦耗能器滞回性能试验研究[J]. 福州大学学报（自然科学版），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]欧进萍，吴斌. 组合钢板耗能器——一种新型耗能减震装置[J]. 地震工程与工程振动，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. 摩擦阻尼器的研制与应用[D].中国建筑科学研究院，2011.endprint