结构振动控制中金属型阻尼器的研究进展

王旭东

(无锡市民用建筑设计院有限公司，江苏无锡 214072)

0 引言

在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中，早已应用各种各样的阻尼器(或减震器)来减振消能。从20世纪70年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中。随着经济水平和建筑技术的提高，对结构的安全性、舒适性和耐久性也提出了更高的要求，从而使结构振动控制成为近年来的研究热点。结构振动控制大体上来说可分为主动控制、被动控制、半主动控制、混合控制和智能控制。阻尼器作为耗散振动能量的最有效手段，可单独使用在结构中，也可与其他控制方法结合使用，减震效果较好，适用范围较广。

金属阻尼器作为阻尼器的一种，其原理是在建筑结构发生塑性变形前首先发生屈服，以耗散大部分地面运动传递给建筑结构的能量。早在1972年，Kelly等［1］就提出利用金属良好的滞回特性，吸收大量能量以减小结构的地震反应。目前常用的金属阻尼器有:软钢阻尼器、铅阻尼器和形状记忆合金阻尼器。

1 软钢阻尼器

软钢阻尼器具有稳定的滞回特性、良好的低周疲劳特性、不受环境温度的影响等优点，因此阻尼轮引起了国内外学者的广泛关注，并已在一些建筑物上开始应用。此类阻尼器的构造简单，震后更换方便，且减震机理明确，效果显著。缺点是:可恢复性差，其滞回耗能性能受其形状的影响较为显著，如形状制作不合适，会引起滞回环的畸变。

图1是一种单圆孔形软钢阻尼器。

图1 单圆孔形软钢阻尼器

国外已有不少采用软钢阻尼器的建筑，但在我国的应用还很少。近年来，针对软钢阻尼器的研究主要有:徐艳红等［2］提出的一种抛物线外形的软钢阻尼器，其具有全长截面同时屈服的特点，可充分发挥软钢的材料功效，如图2所示。

李钢等［3，4］提出了初始刚度较大且屈服后具有良好变形耗能能力两个特点的“双功能”软钢阻尼器，并对装有该阻尼器的框架结构进行了模拟地震振动台试验与分析。

高杰等［5］对中国建筑科学研究院的JY-SS型金属剪切型软钢阻尼器开展了试验。

图2 抛物线外形的软钢阻尼器

章平平等［6］提出了一种U形软钢阻尼器，并根据该阻尼器的受力特点，建立了相应的力学分析模型。

王爽等［7］设计了分别开椭圆形孔和菱形孔的两种新型H型钢耗能器，研究了开孔形状、肢宽与肢高等参数对新型耗能器耗能性能的影响。

2 铅阻尼器

铅具有高密度、高刚度、低阻尼、较好的柔性和延展性，在变形过程中可以吸收大量能量，并且由于熔点较低，其变形将会同时发生动态恢复及动态再结晶过程，理论上在室温下作塑性循环不会发生累计疲劳现象，因此是一种耗能减震的好材料。根据铅的变形特性不同可制成不同的阻尼器，如挤压型阻尼器、剪切型阻尼器等，也可作为隔震支座中提供阻尼的部件，如铅芯橡胶隔震支座。

近年来，针对铅阻尼器的研究主要有:闫维明等［9］开发了一种具有变形放大功能的转动式铅剪切阻尼器，并对其影响参数和耗能性能进行了有限元分析和试验研究，如图3所示。随后，对铅挤压阻尼器进行了数值模拟与试验［10］，对影响铅挤压阻尼器滞回性能的各种参数进行了研究。

图3 转动式铅剪切阻尼器

杨明飞，徐赵东等［11，12］研究了铅挤压阻尼器中铅的受力特点，考虑灌铅过程中可能引起阻尼器内部出现的空隙对铅挤压阻尼器滞回曲线的影响，修正了刚塑性模型，并对铅挤压阻尼器在大跨空间网壳结构中的减震效果进行了分析。周云等［13，14］研制的铅粘弹性阻尼器由铅芯、粘弹性材料等组成，通过铅芯的塑性变形和粘弹性材料的剪切滞回变形耗能，具有位移相关型阻尼器和速度相关型阻尼器复合特性，如图4所示。同时，周云等［15］也进行钢粘弹性阻尼器的开发研究。

图4 圆形铅橡胶阻尼器

3 形状记忆合金(SMA)阻尼器

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)作为一种智能材料，具有奇特的形状记忆效应、超弹性和高阻尼特性。利用SMA的超弹性和阻尼特性制作的被动耗能阻尼器与其他阻尼器相比，具有耐久性和耐腐蚀性能好、使用周期长、变形大且可自复位等优点。目前针对它的研究，主要集中在利用超弹性SMA丝，开发不同形状、不同构造的阻尼器。近年来，针对形状记忆合金阻尼器的研究主要有:李惠等［16］研究了利用NiTi形状记忆合金丝的超弹性性能进行结构振动控制，并将新型SMA阻尼器安装在结构模型上进行了地震模拟振动台试验。李宏男，钱辉等［17，18］设计了新型的SMA阻尼器，通过试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能;并研制了一种兼具自复位功能和高耗能的形状记忆合金复合摩擦阻尼器，该阻尼器由超弹性形状记忆合金丝复位装置和摩擦耗能装置组成，通过试验研究了它在循环荷载作用下的力学性能，考察了初始应变、位移幅值、摩擦力和加载频率对其力学性能的影响，如图5所示。黄襄云等［19］通过试验，研究了温度、加载速率、应变幅值、循环次数、施加预应力等因素对SMA和一种CT形SMA阻尼器的影响。

图5 SMA复合摩擦阻尼器

4 结语

金属型阻尼器因其滞回性能好，减震机理明确而得到较为广泛的应用，也成为结构振动控制的重要研究方向。由于阻尼器的主要材料较为固定，因此阻尼器的形状和构造对其性能的影响最为关键，也是研究的热点所在。可通过数值模拟的方法对形状进行优选，再辅以少量试验，以提高研究的效率，节省研究成本。

［1］Kelly JM，Skinner R I，Heine A J．Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］．Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63-88．

［2］徐艳红，李爱群，黄 镇．抛物线外形软钢阻尼器试验研究［J］．建筑结构学，2011，32(12):202-209．

［3］李 钢，李宏男．新型软钢阻尼器的减震性能研究［J］．振动与冲击，2006，25(3):66-72．

［4］李 钢，李宏男．装有“双功能”软钢阻尼器框架结构振动台试验与分析［J］．振动与冲击，2010，29(8):164-168．

［5］高 杰，薛彦涛．JY-SS-I型金属软钢阻尼器试验研究［J］．土木工程与管理学报，2011，28(3):336-338．

［6］章平平，左晓宝．U型软钢阻尼器的设计及力学性能分析［J］．江苏建筑，2012(1):46-49．

［7］王 爽，张春梅，周 云．新型开孔H型钢阻尼器有限元分析［J］．防灾减灾工程学报，2012，32(3):346-352．

［8］章丛俊，李爱群，赵 明．软钢阻尼器耗能减震结构的研究与应用综述［J］．工业建筑，2006，36(9):17-21．

［9］闫维明，刘 猛．新型铅剪切阻尼器的数值模拟试验研究［J］．北京工业大学学报，2008，34(12):1286-1290．

［10］闫维明，苏 亮．铅挤压阻尼器的数值模拟与试验［J］．北京工业大学学报，2010，36(8):1099-1103．

［11］杨明飞，徐赵东．考虑空隙率修正的铅挤压阻尼器刚塑性模型［J］．华中科技大学学报(自然科学版)，2012，40(3):85-88．

［12］杨明飞，徐赵东．铅挤压阻尼器对网壳结构的减振控制［J］．东南大学学报(自然科学版)，2012，42(4):713-718．

［13］周 云，吴从晓．铅粘弹性阻尼器的开发、研究与应用［J］．工程力学，2009，26(2):80-90．

［14］周 云，徐 昕．扇形铅粘弹性阻尼器的设计及数值仿真分析［J］．土木工程与管理学报，2011，28(2):1-6．

［15］吴从晓，周 云．钢铅粘弹性阻尼器试验研究［J］．工程力学，2012，29(3):150-155．

［16］毛晨曦，李 惠，欧进萍．形状记忆合金被动阻尼器及结构地震反应控制试验研究和分析［J］．建筑结构学报，2005，26(3):38-44．

［17］李宏男，钱 辉．一种新型SMA阻尼器的试验和数值模拟研究［J］．振动工程学报，2008，21(2):179-184．

［18］钱 辉，李宏男．形状记忆合金复合摩擦阻尼器设计及试验研究［J］．建筑结构学报，2011，32(9):58-64．

［19］黄襄云，王凤华．SMA超弹性阻尼特性的试验研究［J］．广州大学学报(自然科学版)，2009，8(1):46-52．