复合耗能阻尼器研究进展

赵子龙

（广州大学广东省地震工程与应用技术重点实验室）

0 引言

结构消能减震技术是在结构某些部位（如支撑、剪力墙、连接缝或连接构件）设置耗能装置。在主体进入非弹性状态前装置率先进入耗能工作状态，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）弹塑性（或粘弹性）滞回变形来耗散能量或吸收地震输入结构的能量，以减少主体结构的地震反应。消能减震耗能装置主要包括传统的金属阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼和新型的形状记忆合金（SMA）阻尼器和质量调谐（TMD）阻尼器，这些阻尼器均为单一耗能型减震装置，即仅以一种耗能机制耗散能量，其耗能能力有限，不能同时适应各级地震，如根据小、中震设计金属阻尼器，在大震作用下，阻尼器因外荷载较大而超过其极限变形能力导致破坏，无法耗能；若根据大震设计摩擦阻尼器，则阻尼器在小、中震作用下，只能为结构提供刚度，无法进行工作耗能。故国内外一些学者基于“综合利用不同耗能原理或机制来设计新型耗能减震器，即耗能器同时利用两种或两种以上的方式耗能”的思想提出了将多种阻尼器组合形成的新型复合阻尼器。复合阻尼器由于结合了各阻尼器的优点，耗能单元之间取长补短，若对二者进行优化组合设计后可实现“1+1＞2”的效果，因此备受国内外学者及工程界的关注。同传统单一耗能型阻尼器相比，复合阻尼器不但具有耗能能力强和适应性强等优点，而且还能使各耗能单元协调工作，共同工作。因此，复合耗能阻尼器近年来在消能减震体系中得到了广泛关注。

1 复合阻尼器研究现状

按照耗能机理分类，阻尼器可分为金属阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹阻尼器和黏滞流体阻尼器；按照相关性分类可分为位移相关型阻尼器和速度相关型阻尼器。但是目前的阻尼器大多是单一类型的阻尼器，耗能形式单一，在震后无法自复位，不能在小、大震下分阶段耗能。复合型的阻尼器，是将不同类型的阻尼器或者不同的材料，通过构造方面的特殊设计组合在一起，利用不同的耗能机制，使其能够应对不同的地震作用，耗能更彻底，能够更好地保护主体结构不在地震中受损。

1.1 SMA 复合阻尼器

形状记忆合金（SMA）是一种具有超弹性、高阻尼和性形状记忆功能等性能的新型智能材料。SMA 根据环境温度的不同，可以分别表现出形状记忆效应和超弹性迟滞效应。故一些学者根据SMA 不同的材料特性将其与阻尼器相结合组成复合阻尼器，并用于减震试验研究，结果表明SMA 复合阻尼器不但具有良好的减震效果，还可以消除阻尼器的残余应变，使其具有自复位的功能。

左晓宝[1]等根据SMA 的超弹性特点，提出了一种超弹性SMA 复合摩擦阻尼器，该复合阻尼器的工作原理是通过内外滑条的相对位移使SMA 变形耗能，另外还可以利用SMA 的约束使滑条之间发生摩擦进一步耗能。薛素铎[2]等将Pall 摩擦阻尼器与SMA 丝相结合提出一种新型复合阻尼器。该阻尼器工作原理为当外荷载受到小于摩擦起滑力时，阻尼器不工作；当外力大于摩擦起滑力后，摩擦垫开始转动产生摩擦耗能，同时相应的SMA丝也产生变形耗能。钱辉、任文杰[3]等研制出一种自复位SMA 摩擦阻尼器(HSMAFD)，如图1 所示。该复合阻尼器也是通过摩擦板之间的相对滑动带动SMA 进行拉伸和压缩，使其同时产生摩擦耗能和SMA 变形耗能，另外SMA 还具有自复位的功能。戴纳新[4]等提出一种新型压电-SMA 变摩擦阻尼器，并对其进行了力学性能试验。结果表明，SMA 丝能够提供很好的自复位能力，智能压电半主动和被动控制下的滞回性能稳定。

图1 自复位SMA 摩擦阻尼器构造

1.2 金属复合阻尼器

金属阻尼器取材简单，耗能原理明确，其耗能效果与使用的金属的数量有关。金属阻尼器大多尺寸固定，耗能量固定；摩擦阻尼器耗能量与其摩擦力大小有关，一般情况下摩擦力大小也是固定的，因此两者都无法同时适应大小震。金属阻尼器与摩擦阻尼器都是位移相关型阻尼器，将二者相结合，通过调整摩擦－金属复合阻尼器尺寸等参数，可以使两种阻尼器分别在小位移和大位移下参与耗能。

颜学渊[5]等提出一种适用于多级地震的新型铅挤压摩擦复合阻尼器（LEFCD）。与传统的金属阻尼器相比，LEFCD 具有可更换和提供特定性能等优点。在小、中震作用下，LEFCD 只使用铅挤压阻尼器进行耗能；在大震作用下，LEFCD 同时使用铅挤压和摩擦阻尼器消散地震能量。Lee[6]等为提高结构在不同地震动强度下的抗震性能，提出了一种结合了摩擦阻尼器和软钢阻尼器的新型复合阻尼器（简称DS），如图2 所示。通过理论分析给出了该复合阻尼器的恢复力模型。该复合阻尼器的工作机理分为两个阶段，第一阶段为只摩擦阻尼器工作耗能，第二阶段为摩擦阻尼器和金属阻尼器共同耗能。Hyunkoo[7]等将槽型钢缝阻尼器和转动摩擦阻尼器并联，提出一种用于结构抗震改造的新型复合消能阻尼器。该阻尼器小震情况下，只有摩擦阻尼器起作用；大震下，摩擦阻尼器和钢缝阻尼器共同参与耗能。Joonho、Jinkoo[8]等在Hyunkoo 研究的基础上，提出另外-种钢缝- 摩擦复合阻尼器，其工作性能和耗能能力与Hyunkoo 提出的复合阻尼器差异不大。

图2 钢缝- 摩擦复合阻尼器

1.3 TMD 复合阻尼器

一般的TMD (Tuned Mass Damper，质量调谐阻尼器) 通过设计使其固有频率与主结构的控制频率相近，当TMD 安装在主结构上时，一旦发生振动，由于惯性的作用，TMD 会对主结构施加一个与振动方向相反的惯性力，从而减小主结构的振动。但TMD 只能对某个区间内的频率起作用，只能针对主结构的某一特定振型起作用，并且由于误差的存在，通过计算所得到的最优值并不能够准确实现。因此，国内外研究者根据TMD 特性将其与其他阻尼器组合而成得到新型复合阻尼器，在一定程度上达到了更高的功能需求。

戴军[9]等提出了一种黏弹性调谐质量阻尼器，该阻尼器由质量块、弹性单元和阻尼单元组成，如图3 所示。作者通过建立该阻尼器系统的动力学方程和定义频率依赖性指标对受控结构的结构响应进行了研究分析。分析表明，黏弹性材料的频率依赖性越高，该复合阻尼器的减震效果越好；而损伤因子的频率依赖性对复合阻尼器的控制效果影响较小。王社良[10]等根据SMA 的超弹性特点，将其与TMD 相结合提出一种SMA 复合悬摆减震系统。该系统是通过悬摆左右运动时，带动滑块左右滑动，与滑块相连接的SMA 丝也随之产生相对位移而变形耗能（一侧拉伸，一侧压缩）。国外学者Zhang[11]等最早提出了黏弹性碰撞调谐阻尼器(PTMD)。PTMD 是通过用黏弹性材料组成的介质层来限制TMD 的行程，并与之发生碰撞来消耗能量。作者将其放置在55m 高的输电塔模型上进行了减震分析，并提出了最优化参数设计。另外还将阻尼器用于海底管道的减振控制上，研究了海水对黏弹性PTMD 控制效果的影响。Tian[12]等将TMD 中的普通弹簧换成SMA 螺旋弹簧，制成SMA-TMD 阻尼器。作者利用ANSYS 建立了安装三种不同材性的SMA-TMD 输电塔的三维有限元模型，并采用非线性时程分析对其进行地震响应分析。研究表明，不同形状的SMA-TMD 都能够有效的降低输电塔的位移响应。

图3 黏弹性调谐质量阻尼器

2 小结

综上所述，SMA 复合阻尼器不但具有良好的减震效果，还具有自复位的功能；金属复合阻尼器构造简单、耗能明确，工程易于实现；TMD 复合阻尼器相较于单一型TMD 具有更高的功能需求。因此，在实际工程中，需全面考虑建筑实际需求和减震性能目标来选择合适的复合阻尼器。