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轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的研究與應(yīng)用（建筑）

                           房曉俊，  周  云

                   （廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006）

[摘要]轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦能阻尼裝置( RFDD)是一種利用轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦耗能的新型減震裝置。介紹RFDD的研究與應(yīng)用，包括轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的構(gòu)造與工作機(jī)制、類(lèi)型與性能及在實(shí)際工程中的應(yīng)用，指出該裝置有待解決的問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置；耗能減震；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

0  引言

    消能減震技術(shù)作為一種有效、經(jīng)濟(jì)、安全的工程控制技術(shù)越來(lái)越受到工程界青睞。在建筑結(jié)構(gòu)中引入消能裝置，通過(guò)增加建筑結(jié)構(gòu)的剛度和（或）阻尼可以達(dá)到減少結(jié)構(gòu)位移和破壞的目的。丹麥某公司研發(fā)的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置( rotational friction damperdevice，RFDD)作為其中一種新型的消能裝置，具有高耗能、低成本、易于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)。該阻尼裝置是利用轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦原理耗能，可用于結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)和其他振動(dòng)的控制。

1  轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的構(gòu)造與原理

    轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的構(gòu)造如圖1所示，主要由中央（垂直）鋼板，側(cè)（水平）鋼板以及設(shè)置在中央鋼板和側(cè)鋼板之間的兩個(gè)圓形摩擦襯墊三部分組成，通常采用螺栓（預(yù)應(yīng)力）將三者連接。

    兩側(cè)鋼板和中央鋼板的組合不僅增加了摩擦表面的面積，而且還為保證裝置發(fā)生平面運(yùn)動(dòng)提供所需要的對(duì)稱性。預(yù)應(yīng)力螺栓為可調(diào)節(jié)式，可以將RFDD上的三塊鋼板“壓”在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)施加在鋼板與摩擦襯墊連接界面上的預(yù)壓力的控制。設(shè)置摩擦襯墊的目的是為了維持裝置內(nèi)的干摩擦力，以確保兩側(cè)鋼板和中央鋼板之間摩擦力的穩(wěn)定，同時(shí)也起到了減少運(yùn)動(dòng)噪音的作用。為了維持RFDD上預(yù)壓力的恒定，裝置采用了蝶形彈簧墊圈加以控制。蝶形彈簧墊圈和兩側(cè)鋼板之間還分別設(shè)置了硬化墊圈，目的是為了避免蝶形彈簧墊圈在受到擠壓時(shí)對(duì)兩側(cè)鋼板表面產(chǎn)生劃痕導(dǎo)致摩擦系數(shù)的改變。轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置具有以下特點(diǎn)：1）構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便。轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置主要由鋼板、摩擦襯墊等組成，構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于制作。2）耗能能力可控。通過(guò)增設(shè)摩擦襯墊或者將多個(gè)單元組合成多單元裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)耗能能力的靈活控制。3）布置靈活，方便安裝與連接。轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置可靈活布置在小而窄的空間，方便安裝與連接，且易于調(diào)整。4）施工周期短。轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置施工流程簡(jiǎn)易，可短時(shí)間完成生產(chǎn)和安裝，施工周期短。5)經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)用范圍廣。轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置取材方便，工藝簡(jiǎn)單，適用于不同結(jié)構(gòu)形式的建筑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2  轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的工作機(jī)制

    轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的工作機(jī)制可以通過(guò)圖2說(shuō)明。中央鋼板長(zhǎng)ha，通過(guò)鉸鏈連接的形式將RFDD連接到框架結(jié)構(gòu)梁的跨中。采用鉸鏈連接的目的是為了增加中央鋼板和兩側(cè)鋼板的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而提高系統(tǒng)吸收和耗散能量的能力。側(cè)鋼板兩端采取螺栓連接的形式分別從距離RFDD中心為r處與倒V形預(yù)應(yīng)力支撐桿的一端連接，倒V形預(yù)應(yīng)力支撐桿的另一端則通過(guò)螺栓連接到柱的基礎(chǔ)上。對(duì)倒V形支撐施加預(yù)應(yīng)力，可以抵消阻尼裝置響應(yīng)時(shí)倒V形支撐受到的一部分拉力，從而達(dá)到減小倒V形支撐截面面積的目的。

    當(dāng)橫向力作用于框架結(jié)構(gòu)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)受力過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：1）第一個(gè)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置受到的力（靜摩擦力）小于其自身發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的最大靜摩擦力時(shí)，主要由支撐系統(tǒng)起抗拉作用，框架結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生位移，因此轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置沒(méi)有耗能；2）第二個(gè)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置受到的力（轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力）超過(guò)其自身發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的最大靜摩擦力，產(chǎn)生于鋼板摩擦界面與摩擦襯墊材料之間的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力將參與抵抗結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)，吸收和耗散能量。

    因此，在地震發(fā)生期間，地震作用的方向是往復(fù)變化的，地震作用下的建筑也是往復(fù)移動(dòng)。如圖2所示，對(duì)設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的框架建筑，其吸收和耗散地震能量具體表現(xiàn)為：RFDD上中央鋼板繞著預(yù)應(yīng)力螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)鋼板按相反于中央鋼板轉(zhuǎn)動(dòng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，RFDD通過(guò)產(chǎn)生于轉(zhuǎn)動(dòng)面的摩擦力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能（即摩擦耗能），從而使框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最小化。

3  轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的類(lèi)型

    轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置均是基于轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦耗能的概念，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，研制了不同構(gòu)造的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置，主要有：T形阻尼裝置、V形阻尼裝置、棱形阻尼裝置、X形阻尼裝置以及面板阻尼裝置。此外，還有多單元阻尼裝置、緩沖（制動(dòng)）阻尼裝置等（圖3）。

    T形阻尼裝置(圖3(a))，適用于各種結(jié)構(gòu)形式的建筑結(jié)構(gòu)，依靠螺栓連接將阻尼器安裝在帶斜撐的結(jié)構(gòu)中。

    V形阻尼裝置(圖3(b))可用于基礎(chǔ)隔震建筑中：作為一個(gè)耗能裝置耗散地震的能量，減少地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞。也適用于提升和安裝設(shè)備（水箱、空調(diào)機(jī)組等）、地板的隔離系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)房、建筑住房高科技設(shè)備）、文化遺產(chǎn)等的地震防護(hù)。

    棱形阻尼裝置(圖3(c))一般適用于管道系統(tǒng)、橋梁、高架橋等的地震防護(hù)。用于管道系統(tǒng)時(shí)，不僅可以防止管道（油、氣、液）遭受地震的破壞，而且還可以有效地減少如工廠或發(fā)電廠的機(jī)械振動(dòng)的影響；應(yīng)用于橋梁和高架橋的作用的主要是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，棱形阻尼裝置可以消耗水平地震力而垂直豎向力主要由橡膠軸承承受。

    X形阻尼裝置(圖3(d))是作纜索阻尼器的一種，主要適用于懸索橋。由于懸索橋經(jīng)常受到較大位移振動(dòng)的影響，通過(guò)設(shè)置X形阻尼器可以有效地減小地震和風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。圖3(b)為可以同時(shí)連接四根纜索的X形阻尼裝置（四纜索阻尼器）。

    面板阻尼裝置(圖3(e))適用于新的和現(xiàn)有建筑的地震防護(hù)。該類(lèi)阻尼器安裝在建筑物和結(jié)構(gòu)而不占據(jù)太多的空間，其工作方式與安裝在帶斜撐的框架結(jié)構(gòu)中的多單元阻尼器一致，不同的是這里用兩塊連接鋼板取代了斜撐。連接鋼板和阻尼裝置均是預(yù)制的，這意味著它們可以快速地安裝到建筑物中。

    多單元阻尼裝置可以簡(jiǎn)單的看成是T形阻尼裝置的組合，也是用螺栓連接將阻尼器安裝在帶斜撐的結(jié)構(gòu)中。阻尼單元數(shù)量越多，耗散地震能量的效果越顯著，圖3(f)為由四個(gè)摩擦單元組合而成的多單元摩擦阻尼裝置。

    緩沖（制動(dòng)）阻尼裝置是通過(guò)將沖擊荷載的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，吸收動(dòng)荷載的作用，從而減少了對(duì)設(shè)備和車(chē)輛等潛在的破壞。當(dāng)一個(gè)動(dòng)荷載沖擊緩沖（制動(dòng)）阻尼裝置時(shí)(圖3(g))，阻尼器通過(guò)逐漸的收縮抵抗運(yùn)動(dòng)直到動(dòng)荷載停止，將動(dòng)荷載的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)而避免了破壞；當(dāng)動(dòng)荷載抵抗墻或者障礙物提供的抗力時(shí)(圖3(h))，減震阻尼裝置的初始位置被壓縮，從而可以均勻地消散能量。

4  轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的性能試驗(yàn)

4.1 RFDD的單層鋼框架試驗(yàn)

    丹麥科技大學(xué)的結(jié)構(gòu)工程與材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)測(cè)試以評(píng)定轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置組件的性能。試驗(yàn)方案包括以下兩個(gè)階段：1）階段1：對(duì)采用三種不同摩擦材料的阻尼裝置單元的試驗(yàn)；2）階段

2：對(duì)采用RFDD的1/3縮尺鋼框架模型的試驗(yàn)。   

 方案階段1中，為驗(yàn)證參數(shù)（頻率、位移幅值、螺栓預(yù)緊力和負(fù)載周期數(shù)）對(duì)阻尼裝置性能的影響，對(duì)采用三種不同摩擦材料的阻尼裝置單元進(jìn)行了一系列動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)。三種不同類(lèi)型的材料包括：黃銅、高摩擦材料和無(wú)石棉摩擦材料(摩擦襯墊材料，FPM)。其中，黃銅之所以被選做一種試驗(yàn)材料是因?yàn)槠渥鳛橐环N商業(yè)材料具有成本低和可廣泛使用的特點(diǎn)。

    方案階段2中，從階段1的循環(huán)測(cè)試中選取了適當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)行該階段的試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)方案在Mualla已詳細(xì)給出。

    對(duì)單層單跨鋼框架模型進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試以驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的有效性。整個(gè)鋼框架模型的尺寸為高1.125m，寬1.10m（圖4）。柱截面尺寸為50mm×15 mm，空心矩形梁截面為90mm×50mm×5mm，通過(guò)滿焊對(duì)接的方式嚴(yán)格地將梁剛性連接到立柱上。

    通過(guò)對(duì)框架梁端作用一個(gè)簡(jiǎn)諧橫向作用力，在保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)框架分別進(jìn)行頻率為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.OHz的強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)。阻尼裝置抵抗力矩M與鋼板之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角日的關(guān)系見(jiàn)圖5，說(shuō)明扭矩對(duì)強(qiáng)迫振動(dòng)的影響。

    對(duì)框架分別進(jìn)行位移幅值為1. 75，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5mm的一系列試驗(yàn)測(cè)試，框架的響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖6，圖6(a)所示為橫向作用力與框架水平位移的關(guān)系，圓圈內(nèi)的數(shù)字表示位移幅值；圖6(b)所示為每個(gè)周期所耗散的能量與框架位移幅值的比較，即該區(qū)域內(nèi)所標(biāo)繪的力，位移循環(huán)。

 單層單跨鋼框架模型試驗(yàn)表明：1）方案階段1的循環(huán)測(cè)試表明，新型的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置在2~ 7Hz頻率范圍內(nèi)扭矩與頻率無(wú)關(guān)，且其耗能能力與層間位移和螺栓夾緊力成正比；2）對(duì)設(shè)置了RFDD框架模型進(jìn)行一系列的試驗(yàn)研究，分析了各種參數(shù)如頻率、位移幅值、螺栓夾緊力和支撐預(yù)應(yīng)力等的影響，表明裝置在一定范圍內(nèi)與速度無(wú)關(guān)，并線性相關(guān)于位移幅值；3）對(duì)于利用轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦原理耗能的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置，其優(yōu)秀而穩(wěn)定的滯回性能主要取決于摩擦材料的選擇，其中無(wú)石棉摩擦材料（摩擦襯墊材料，FPM）耗能效果最好。

4,2 RFDD的三層鋼框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

    選用帝王谷一埃爾森特羅（1940年，美國(guó)），神戶（1995年，日本）和集集（1999年，臺(tái)灣）三條地震記錄來(lái)模擬地震作用。對(duì)設(shè)置RFDD框架結(jié)構(gòu)（圖7）分別輸入地震PGA值從0.05g到0.30g變化的14條地震波以檢測(cè)其性能。沿建筑高度調(diào)整了幾個(gè)阻尼裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，但是對(duì)于不同PGA值測(cè)試條件下需要保持調(diào)整后的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力不變。14條地震波作用下的摩擦襯墊及其他RFDD組件并沒(méi)有更換。

    三層鋼框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明：1）小震作用( PGA=0. 05g~0.10g)測(cè)試條件下，設(shè)置RFDD框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不明顯；2）大震作用(PCA=0.15g~0. 30g)測(cè)試條件下，RFDD在減小建筑側(cè)向位移和層間位移具有顯著的效果；3）本次試驗(yàn)對(duì)摩擦襯墊的耐久性也進(jìn)行了研究。一系列的14次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，阻尼器、支撐桿、框架構(gòu)件和連接件都沒(méi)有損壞，摩擦襯墊也表現(xiàn)非常良好，裝置轉(zhuǎn)動(dòng)面上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)劃痕；4）轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置系統(tǒng)能夠顯著減少地震引起的建筑物的地震反應(yīng)，具有優(yōu)異的耗能性能。

5  工程應(yīng)用

    轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置具有高耗能、低成本、易于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦原理耗能的被動(dòng)消能減震保護(hù)概念備受工程界關(guān)注。到目前為止，轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置已在日本、伊朗、土耳其、希臘、丹麥、印度、智利等國(guó)家的20多個(gè)新建建筑和加固改造項(xiàng)目中得到應(yīng)用，如圖8～19所示。

    圖11為日本Abenobashi航站樓，地上55層，地下5層，總高度300m。采用1500~ 5000kN的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置。這些阻尼裝置安裝在帶斜撐的框架結(jié)構(gòu)，每個(gè)阻尼裝置由四個(gè)摩擦單元組合形成多單元摩擦阻尼裝置；圖17為阻尼器裝置在丹麥發(fā)電廠的應(yīng)用，發(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)可以通過(guò)使用轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置將振動(dòng)顯著地減少；印度對(duì)現(xiàn)有一幢鋼筋混凝土教學(xué)樓采用此類(lèi)阻尼裝置進(jìn)行加固改造，如圖18所示。

    采用轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置的建筑已經(jīng)經(jīng)受住地震的考驗(yàn)，如希臘的某個(gè)工業(yè)建筑（圖15），項(xiàng)目竣工以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)次地震的考驗(yàn)，最為嚴(yán)重的是2008年6月（6.5級(jí)）和201 1年8月7日（4.7級(jí)）以及2011年8月20日（4.9級(jí)）三次地震，所觀測(cè)的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的位移和嚴(yán)重的不良影響，阻尼裝置表現(xiàn)出良好的耗能性能。6  存在的問(wèn)題

    本文介紹的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置具有高耗能、低成本、易于安裝和維護(hù)的特點(diǎn)，適用于新的建筑和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加固改造。RFDD仍有以下幾個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究：

    (1)阻尼裝置良好的耗能減震性能在很大程度上歸因于摩擦襯墊材料的合理選擇，使RFDD能夠獲得足夠穩(wěn)定的摩擦力。但是，摩擦襯墊材料的摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性并不能得到完全的保證，因此如何保證摩擦襯墊材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定仍需要進(jìn)一步的研究和解決。

    (2)試驗(yàn)中對(duì)支撐施加預(yù)應(yīng)力的目的是為了抵消阻尼裝置響應(yīng)時(shí)倒V形支撐受到的一部分壓力，從而減少倒V形支撐的截面面積，節(jié)省材料�？紤]實(shí)際工程應(yīng)用中存在預(yù)應(yīng)力損失的問(wèn)題，如何避免在使用中建筑結(jié)構(gòu)因支撐預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致抗拉不足仍需要進(jìn)一步研究和解決。

    (3)通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺栓將RFDD上的三塊鋼板“壓”在一起，雖然使用蝶形彈簧墊圈能夠維持RFDD上預(yù)壓力的恒定。但是，如何防止材料在預(yù)壓力的長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生冷粘結(jié)仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

    (4)地震發(fā)生后轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻尼裝置會(huì)產(chǎn)生永久偏移。當(dāng)建筑發(fā)生較大變形時(shí)，阻尼裝置如何做到及時(shí)、靈活復(fù)位需要進(jìn)一步的研究和改良。