SMA摩擦型阻尼器的研究进展

张翔宇，胡方琪 （内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

1 引言

如何有效地预防自然灾害的侵袭、减少地震等自然灾害对地上建筑所造成的破坏，一直都是现代土木行业关注的重点问题[1]。我国因特殊的地理位置与复杂的地质构造，特别容易遭受地震灾害的侵袭[2-3]。因此我国对建筑抗震设计的要求越来越严格，对结构的消能减震能力也越来越重视。

在以往，我国建筑工程的抗震设计主要是以抗震“延性”设计为主，随着科技的进步，抗震设计理念正逐渐由“延性”理念转向“韧性”理念[4-5]。目前，我国已有多种技术手段可以实现结构抗震“韧性”设计理念的应用[6]。近年来，为了进一步加强结构抗震“韧性”设计理念与实际抗震工程的融合应用，我国土木工程在结构抗震的研究方向正逐步趋向于智能金属材料与建筑结构体系的融合研究，其中形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）作为一种新型的智能功能型材料，因其具有的形状记忆效应（SME）和超弹性效应（SE）等特性，在消能减震、结构加固、裂缝修复等方面具有良好的应用效果。特别在消能减震技术领域中，SMA 自复位阻尼器的研究对整体结构的抗震“韧性”能力的提升具有重要作用[7]。此外，该技术与结构抗震领域的抗震“韧性”设计理念的发展方向相符合，在未来具有巨大的潜力。

2 SMA发展历史与材料特性

2.1 SMA发展历史

1932 年形状记忆合金（SMA）首次被Arne Olander[8]发现，随后经过科学家们多年的研究，于1941 年Vernon 首次提出“形状记忆”这一概念名词。此后，SMA 受到了越来越多的科学家的关注，并通过研究发现SMA 的“形状记忆”这一特殊的冶金特性是由于可逆马氏体相变引起的。在经过近8 年的研究后，终于在1949 年，Kurdjumov 和Khandros[9]在研究Cu-Zn 合金的可逆马氏体试验中提出了热弹性马氏体相变概念，进而解释了马氏体可逆相变的原理。又经历近20 年的研究后，在1963 年William Buehler 和Frederick Wang[10]在镍钛（Ni-Ti）合金中发现了形状记忆效应（SME）。至此，形状记忆合金开始得到广泛地应用。

2.2 SMA材料特性介绍

SMA 是一种可以自动或通过激励进行应变恢复的独特金属材料，1998 年Otsuka 和Wayman[11]对其微观结构和晶体学进行研究，发现该材料主要有马氏体和奥氏体两种相变，并且具有三种不同的晶体结构，分别为孪晶马氏体、非孪晶马氏体和奥氏体。从奥氏体到马氏体的相变称为正向相变，从马氏体到奥氏体的相变称为反向相变。有四个与转变过程相关的特征温度，即马氏体相变开始温度Ms、马氏体相变结束温度Mf、奥氏体相变开始温度As和奥氏体相变结束温度Af，如图1所示[12]。

图1 形状记忆合金的相变与晶体结构

SMA 有两个显著的特征分别为形状记忆效应（Shape Memory Effect）和超弹性效应（Superelas-ticity）。SMA所具有的形状记忆效应主要是指材料在低温或受到应力作用时，经受塑性变形，在温度升高或应力降低时，材料可以恢复原来的形状[13]，其应力应变图如图2所示。

图2[12] SMA材料的形状记忆效应和超弹性

2.2.1 形状记忆效应（SME）

形状记忆效应又可分为单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。单程记忆效应指的是在低温相马氏体相下变形，在加热后，恢复到高温相奥氏体相时的形状；双程记忆效应是指加热后恢复至高温相奥氏体相形状，冷却又恢复至低温相马氏体相；全程记忆效应则是指加热恢复至高温相奥氏体相，冷却后变为形状相同但取向相反的低温相马氏体相形状。

2.2.2 超弹性（SE）

当温度超过奥氏体相变结束温度（Af）时，SMA 材料产生非弹性应变，材料通过从奥氏体转变为非孪晶马氏体来适应应变。由于其内部仍存在可以使材料恢复原始形状的收缩力或恢复力，因此在卸载时即使不加热，卸载后也可自动恢复8%～10%的应变，这种现象被称为形状记忆合金的超弹性效应[14-15]。

3 SMA摩擦阻尼器研究进展

我国的消能减震技术以增强结构抗震“韧性”为主导，大力发展自复位阻尼器的相关研究。形状记忆合金（SMA）因其超弹性，在消能减震技术方面主要应用于自复位阻尼器的研发，从而克服传统阻尼器不具有自复位能力和残余应变过大等缺点。

传统的阻尼器产生的滞回曲线是较为“饱满”的，其产生的残余应变较小，而自复位阻尼器产生的“旗帜”型滞回曲线[16]，其产生的残余应变在外力为零时相较于传统阻尼器更小。结构的残余应变是评估结构可修复性的一个重要指标，因此自复位阻尼器在降低残余应变方面更为突出，更加有助于灾后对结构的修复工作。

1991 年，Graesser 等[17]最早提出了利用SMA 材料制作阻尼器的想法，自此之后SMA 相关阻尼耗能装置的研发开始在国内外陆续开展。基于SMA 在减缓地震反应和震后残余变形方面的有效性已经被许多研究证实[18-20]，下面将分别介绍SMA 在各种类型阻尼器上的应用与研究。

在常规的消能减震技术中，摩擦阻尼器是运用摩擦阻尼原理进行耗散地震能量的减震装置[21-22]，因其构造简单、性能稳定等优点，被广泛应用和研究[23]。然而传统的摩擦阻尼器存在无法实现自复位功能和残余位移较大等缺点，很容易在灾后彻底失去减震功能，不利于灾后结构的稳定和安全性[24]。但SMA 摩擦阻尼器相较于传统摩擦阻尼器在自复位能力和灾后结构功能快速恢复等方面具有明显的优势。

2000 年，Dolce 等[25]根据SMA 的超弹性提出了一种具有自复位特性的SMA 阻尼器，并通过对SMA 被动地震控制装置的测试，验证了SMA 丝材具有良好的耗能能力。薛素铎等[26]利用SMA 的超弹性，设计出一种新型SMA摩擦阻尼器，如图3 所示，并通过对比研究其力-位移滞回曲线，发现SMA 丝材具有饱满的梭形滞回曲线[27]。试验结果发现SMA 可以使阻尼器对地震能量的耗散能力得到显著提升。

图3 阻尼器构造示意图

有研究发现传统的摩擦阻尼器不能调节起滑力的大小，若按小震确定，则大震时难以保证结构的稳定性，若按大震确定，在中小震时，阻尼器可能无法参与耗能，只增加结构刚度。而在大、小震中均能发挥耗能作用的变摩擦阻尼器可以很好地解决这个问题。为解决这个问题，Osman 等[28]将改进的可变摩擦阻尼器与SMA 材料相结合，研发的一种新型SMA 可变摩擦阻尼器，如图4 所示。试验结果发现该阻尼器可以有效使结构受到地震作用时输入能量减少49%，结构产生的残余变形得到明显的减少。此外，可变摩擦阻尼器本身相较于传统摩擦阻尼器拥有调节阻尼力的特点，可以适用更多的情况和条件，该阻尼器也为SMA 自复位阻尼器的研制提供了新的思路。

图4 SMA变摩擦阻尼器构造图

SMA 自复位阻尼器的性能测试已有大量的研究，但对其在具体结构中的减震分析仍是较少。因此，在Morelli F等[29]发现自定心滞回阻尼器对钢结构具有显著的减震效果之后。张振华等[30]研发了一种新型变形放大型SMA 摩擦阻尼器，如图5 所示，该阻尼器由变摩擦阻尼装置和SMA 自定心装置组成。自定心装置的作用机理是通过主动杆的牵拉使得两侧副杆产生摆动，从而达到SMA丝材受拉并发挥其超弹性等性能的目的。研究团队对该摩擦阻尼器进行试验，分析对结构震后的残余变形的影响。试验结果发现SMA 摩擦阻尼器对钢筋混凝土框架结构的地震反应具有明显的控制效果，对降低结构的残余变形有显著的效果。

图5 阻尼器3D图

此外，为了避免自复位阻尼器的工作机制过于单一，2021 年杜永峰等[31]研发了一种基于齿轮机构的SMA 摩擦阻尼器，其构造如图6 所示。该阻尼器利用齿轮机构对SMA 丝材进行非比例拉伸，试验后减震效果显著，自复位能力明显。

图6 SMA摩擦阻尼器构造图

随着研究的不断深入，科学家们渐渐发现SMA 弹簧相较于丝材可以提供更大的承载力和更好的耗能能力，在消能减震领域具有十分广阔的潜力[32]。因此戢广禹等[33]研发了一种SMA 弹簧摩擦阻尼器（SFD），如图7 所示。通过研究其滞回曲线，发现SMA 弹簧具有较大的承载力和较好的耗能能力，并且可以提供饱满的滞回曲线以及给与摩擦阻尼器一定的限位能力和自复位功能。

图7 SFD构造图

对SMA 自复位摩擦阻尼器的研究不能局限于单一的性能测试与工程分析，在消能减震方面的综合能力研究也是一个关键性的问题。为此，2022 年李星志等[34]依据“多种耗能机制共同耗能”的理论，研发出一种结合SMA 超弹性和摩擦阻尼器高耗能特性的新型SMA 摩擦复合阻尼器（SFCD），如图8 所示。通过试验发现SFCD 对残余位移的整体控制较好，相较于传统摩擦阻尼器，具有更稳定的滞回性能和更有优越的耗能性能。

图8 SFCD构造图

为了继续深入探究SMA 摩擦阻尼器在工程结构中的减震效果，邱灿星等[35]首次采用SMA 螺栓，并将加入SMA 螺栓的SMA 滑动摩擦阻尼器（SMA-SFD）置于摇摆柱组成一种新型自复位摇摆柱，进行拟静力试验，其构造如图9 所示。通过试验发现该阻尼器为摇摆柱提供良好的消能能力，使摇摆柱具有比单柱更稳定的抗侧移能力。由此可见，SMA 摩擦阻尼器放在实际工程结构中可以提供显著的消能能力，并且具有良好的稳定性与耐久性。

图9 SMA-SFD构造图

4 结论与展望

SMA 摩擦型阻尼器是当今消能减震技术的热点之一，其相较于传统阻尼器，拥有自复位、高阻尼等特性，还可以保证阻尼器本身在经历地震之后，仍具备良好的消能减震能力。此外，多项研究表明，加入SMA 的阻尼器的滞回曲线更为饱满，性能更加稳定，在大荷载作用时依然可以发挥其耗能能力，维持主体结构的安全与稳定。SMA 自复位阻尼器的研究在消能减震领域已经取得一定的突破和进展，但仍有以下问题亟待解决。

①当前SMA 自复位阻尼器的研究成果较为丰富，但应用于实际工程当中的大多还是以传统阻尼器为主。SMA自复位阻尼器的研究大多还是停留在性能测试和抗震模拟分析，在具体的设计和安装方法以及实际应用上仍较为缺乏。在日后的研究中，应着重研究SMA自复位阻尼器在实际工作中的耗能能力和工作方式是否达到预期标准以及是否适应不同的工况等问题。

②形状记忆合金材料种类较多，目前SMA 自复位阻尼器使用较多的是镍钛基（Ni-Ti）形状记忆合金，但是价格较为昂贵。铁基（Fe）和铜基（Cu）形状记忆合金的价格较便宜，但性能一般。SMA 作为拥有形状记忆、超弹性和高阻尼特性的特殊智能材料，希望在材料方面能有进一步的突破，研制出价格便宜、性能优越的阻尼材料。

③大多数自复位阻尼器主要起到类似防屈曲支撑的耗能作用，很少有在节点处的转动型自复位阻尼器的研究，在地震作用下，结构的节点位置的抗震性能往往决定了整个结构的抗震性能。因此，应加强对节点处转动型SMA 自复位阻尼器的开发与研究。

④SMA 阻尼器的性能仍存在提升空间，应在日后的研究中对其构造、材料和耗能机理等方面进行改进，使其具有更优质的性能，可以应对多种复杂的实际工况。