高阻尼橡胶形状记忆合金阻尼器性能分析

马鸿川

（烟台橡研材料科技有限公司 山东 龙口 265700）

0 引言

在人类社会中，自然灾害的发生往往是不可避免的。现今，在经济迅速发展的时代环境下，世界的人口数量，一直呈直线增长的趋势[1]。因为人口越来越密集，建筑高度与建筑数量的增加，这就导致在许多灾害来临时，产生的后果更加严峻。地震灾害，是对建筑设施影响最大的一种自然灾害，地震时，建筑的坍塌与损坏，会对人类产生直接的威胁。相对的，人们越来越注重建筑的抗震施工技术与减震技术，提高建筑整体结构的抗震性，以此来保证在地震发生时，建筑能够维持原本的稳定结果，不发生倒塌从而危害人类的生命。在建筑的抗震技术中，应用最广泛的是摩擦阻尼器结构，通过摩擦力，为建筑设施提供强大的刚度与稳定性，从而达到建筑结构的消能、减震的功能特性[2]。由于在实际的施工当中，常常不能准确地控制阻尼器的变阻效率，与弹性机制，不能达到最好的减震效果，不利于建筑结构的长期稳定性。基于以上背景，本文研究了一种高阻尼橡胶形状记忆合金阻尼器的性能分析方法，为阻尼器的调节提供了一种技术支持，希望可以提高建筑结构的稳定性与安全性，实现最大化的经济效益与环境效益。

1 建立形状记忆合金本构模型

根据上述阻尼器的运行原理与力学性能分析，建立形状记忆合金的本构模型。应用Tanaka原理，得到合金的应力状态下的本构模型，表示为：

上式中，分别表示相变以及逆相变过程的结果；分别表示马氏原理与奥氏原理开始相变时的初始温度；1µ、2µ、1σ、2σ分别表示对应的不同的温度特征系数。高阻尼橡胶的实际的力学特性，会随着加载条件，以及外部环境条件的改变而发生较大的改变。建立形状记忆合金本构模型，结合高阻尼橡胶材料、合金材料的力学性能分析，为阻尼器消能减震作用的增强，奠定理论基础。

2 阻尼器弹性性能分析

高阻尼橡胶形状记忆合金阻尼器，凭借其良好的弹性，以及塑性特性，常常应用在建筑结构的消能减震的施工或改造当中[3]。其材料内部的分子连接形式，是一种通过摩擦耗能，产生黏性特征。橡胶的结构的应力，滞后于其结构的应变能力。在实际的应用中，主要的功能作用表现为建筑设施的减震施工中，具体的工作原理为：在硫化作用的基础上，将高阻尼橡胶材料，与建筑的钢结构层，叠合在一起，通过提升结构的阻尼作用，增强建筑的抗震能力[4]。形状记忆合金的阻尼器的作用机理，是通过受到组成结构中的阻尼器内杆，以及合金丝等部件的相互作用，形成结构滑动的挡板的拉伸力，压缩力，达到消能减震的作用。

阻尼器弹性能耗的力学示意图如下图1所示。

图1 阻尼器弹簧能耗力学示意图

根据上图所示的力学示意分析，计算形状记忆合金阻尼器的弹簧结构作用原理。计算形状记忆合金结构的伸长组的拉伸力A1（kN），表示为：

上式中：Z0表示一侧形状记忆合金丝的截面的总面积（m2）；1α表示形状记忆合金丝结构中，伸长组的应力（kN）。基于上式，结合力的平衡原理，得到下列公式：

上式中，A2表示形状记忆合金丝结构中，缩短组的应力；A0表示形状记忆合金丝结构中，耗能组的整体应力。由于阻尼器的整体结构，在组装时，需要对结构中的弹簧施加力的作用[5]。因此，在阻尼器的工作中，将弹簧结构的工作原理表示为：

上式中，A4表示形状记忆合金丝结构中，弹簧一侧的预设压力（kN）；ε表示弹簧结构的刚度（kPa）；A3表示弹簧结构组的整体应力（kN）；ωΔ表示一侧形状记忆合金丝整体的相对位移（mm）。基于阻尼器合金丝材料的弹性分析，对阻尼器的螺杆与支座的塑性特性进行分析，提高阻尼器的消能减震作用。

2 阻尼器塑性性能分析

阻尼器的减震性能，主要与其构成材料的塑性物理性能与力学性能有关，通过材料的性能，吸收地震过程产生的能量，降低地震的作用力，以此来保护建筑设施。阻尼器的是由滚动的杠螺杆与导向支撑结构为主，控制杠杆结构螺母，做范围的轴向旋转运动，根据阻尼器的超弹力学性能，计算阻尼器的各部分的力学参数以及结构参数。当阻尼器未发生作用时，即螺杆未发生旋转，此时的转角为0°，此时合金丝的相对位移为0 mm，阻尼器整体的相对位移也为0 mm，得到 'x x=。在阻尼器开始运行时，当螺杆的旋转角为90°，合金丝的最大相对位移表示为其中，表示高合金丝的自身长度；表示杠杆螺母到底部支座的竖直距离。得到阻尼器的直线位移1xΔ，表示为：

上式中，γ表示杠杆顶端螺母的螺纹间距。计算阻尼器的变形放大系数τ，表示为：

在上述阻尼器结构间弹性位移特征的基础上，计算阻尼器的刚度，表示为：

上式中，0λ表示阻尼器的整体等效刚度；A7表示阻尼器最大移动对应的应力；6x表示最大作用力对应的位移。根据刚度与位移的相互关系，计算阻尼器的阻尼比θ，表示为：

上式中，E表示阻尼器作用一周对应的能量消耗值。确定阻尼器的阻尼系数，设阻尼器结构材料整体到达塑性状态时，对应的应力为G，得到阻尼器的应力变形表达式，表示为：

上式中，ς表示设定的抗震裂缝的轴向压力；β表示设定的抗震裂缝的宽度，其中，当( Δ ω +β)＜0时，抗震裂缝的轴向压力为ε ( Δ ω +β)；当(Δ ω +β)≥0，抗震裂缝的轴向压力为0。在阻尼器的作用过程中，最重要的部分是结构的滞回能力φ，即结构的恢复能力，可以表示为：

上式中，'x表示阻尼器的恢复位移。当恢复位移大于等于0时，滞回能力取4'A xε+；当恢复位移为负数时，滞回能力取4'A xε-+ 。根据形状记忆合金的本构模型，结合上述弹性、塑性性能分析，确定阻尼器的力学参数，进一步研究阻尼器的抗震效果。

4 试验与检测

4.1 试验准备

上述文章分析了高阻尼橡胶形状记忆合金阻尼器的力学性能，为了检测相关性能在实际工程中的抗震性能，基于M工程项目，设计了仿真模拟试验。检测力学控制下的合金阻尼器在地震作用下的响应状态，分析阻尼器的抗震效果。项目的基本参数如下表1所示。

表1 试验建筑项目的基本参数表

根据上文的力学性能分析，结合上述项目工程的相关参数，计算阻尼器的模型参数，如下表2所示。

表2 阻尼器的模型参数表

基于上述设计参数，利用Benchmark结构模型，搭建模拟试验平台。在罕遇地震的条件下，分别采用3组不同的地震波，进行模拟试验，地震波的基本参数如下表3所示。

表3 试验地震波参数表

4.2 试验结果与分析

在上述试验准备的基础上，进行仿真模拟试验，计算在不同类型的仿真地震波的作用下，建筑结构的不同评价指标结果。将结果代入下式，分别计算3种评价指标的减振效果φ，计算表示为：

四条地震波作用下，对应评价指标的减震率结果如下图2所示。

图2 4条地震波作用下的阻尼器减震率

由上图可知，4种地震波的罕遇地震等级作用下，建筑结构楼层位移指标的减震率分别为40.8%、32.5%、39.2%、27.9%，建筑结构的层间位移角度指标，对应的减震率分别为33.0%、25.6%、46.7%、39.6%；建筑结构的楼层的最大加速度指标，对应的减震率分别为12.1%、17.7%、10.4%、12.5%，结果显示，在高阻尼橡胶形状记忆合金阻尼器的作用下，建筑的层间位移，楼层间位移角的控制效果较为明显，对建筑楼层的最大加速度具有一定的稳定作用，但控制效果相对较小。虽然对不同地震波条件的减震率有所变化，但总体上均得到了降低与控制。

综上所述，通过本文的高阻尼橡胶形状记忆合金阻尼器的性能分析，所调试的阻尼器的力学参数与布设方式，在罕遇地震的条件下，呈现出了有效的消能减震作用，可以降低建筑结构的损伤，提高建筑结构整体的稳定性，为建筑结构的安全性，奠定了良好的技术基础。

5 结语

面对地震等自然灾害，建筑必须要有强大的稳定结构与支撑结构，才能保证生命财产的安全。因此，加强研究阻尼器的力学性能，提高建筑结构的消能减振能力，对建筑工程行业的发展，与土木工程行业的发展，具有深远的价值意义。