新型摩擦阻尼器在建筑结构抗震的应用

新型摩擦阻尼器在建筑结构抗震的应用

［摘要］提出了一种新型摩擦阻尼器，构造简单、工作机理明确，能够提供随着位移变化而变化的摩擦力，给出了连续性滞回模型描述其力学性能，进行了新型摩擦阻尼器和普通摩擦阻尼器的非线性比较和分析，结果表明:在不同地震波作用的情况下，采用本文提出的新型摩擦阻尼器对体系位移和加速度控制效果最佳。

［关键词］摩擦阻尼器;滞回模型;振动控制;抗震

传统的建筑结构抗震设计理念是通过增大结构自身的抗震性能(强度、刚度或延性)来抵御地震作用，利用结构自身储存或者耗散输入的能量，这种方法不具备自我调节与控制的能力［1］。20世纪70年代学者将振动控制理念引入土木工程领域，在结构振动控制理论、方法以及工程应用等方面均取得了大量成果，理论实践表明，结构振动控制能有效减小结构在外荷载作用下的反应和损失，是一种有效的抗震减灾技术。按照是否需要外部能量输入可以对结构振动的控制分为主动控制、被动控制、两者结合控制。主动控制通过对结构加设消能装置或者将结构构件设计为消能构件，通过消能装置和结构共同作用来吸收或者耗散输入能量，成为目前结构控制领域关注的热点。常用的耗能装置有位移型阻尼器、速度型阻尼器和混合型阻尼器。摩擦阻尼器属于位移型阻尼器，具有构造简单、耗能能力强等优点，成为建筑结构被动控制领域常用的耗能装置。近40多年来，国内外研究人员针对摩擦耗能器开展了大量研究，研发出的摩擦耗能器主要有:普通摩擦耗能器、Pall耗能器、摩擦剪切铰耗能器、EDＲ摩擦耗能器、多级摩擦耗能器、摩擦复合耗能器。多数摩擦耗能器是位移型消能装置，只有在外力作用超过起滑力之后才产生滑动实现耗能，在运动过程中正压力和摩擦面系数保持不变。消能效果与起滑力设定具有密切联系，起滑力过大则耗能器不产生滑动，消能为零，可能会增大结构内力;起滑力过小，可能小震或者风振作用下耗能器就起滑，虽然滑动位移较大，但耗能效果欠佳。传统摩擦消能器不能根据结构的对作用力反应，实现对结构自有特性的改变，在结构振动控制领域具有一定局限性［2］。早在1990年Kobri便提出了结构半主动变刚度控制方法［3］;2006年我国学者赵东等提出了一种可控变力单向摩擦阻尼器，利用振源位移反馈信号进行主动控制［4］;2010年，王茜茜等提出了一种具有简单控制律的Off-On

半主动摩擦阻尼器用于减震控制［2］;2010年，腾睿等研制了一种具有持续可变滑移后刚度的摩擦型阻尼器，当变形增加时阻尼器能够提供持续增加的抵抗力［5］;2012年，彭凌云等提出了一种具有变刚度特征的管式变摩擦耗能器，摩擦阻尼力大小与位移幅值成正比，用被动方式实现半主动变刚度控制［6］。目前提出的具有变摩擦性质的阻尼器还存在构造复杂、制造工艺要求较高等弊端，对其滞回性能的研究也较多的采用折线型滞回模型［7］。本文提出了一种新型摩擦阻尼器，构造简单、工作机理明确，能够根据结构的反应实时改变阻尼器的输出力，利用被动装置实现对结构的主动控制，有效地拓展了摩擦阻尼器在结构抗震领域中的应用。本文在阐述新型摩擦阻尼器工作机理的基础上，给出了具有连续性滞回模型描述其力学性能，并通过对附设新型摩擦阻尼器和传统普通摩擦阻尼器的对比分析，证明了前者在结构振动控制的优势。

1新型摩擦阻尼器描述

本文提出的新型摩擦阻尼器可以通过图1所示的简图进行描述。该阻尼器可以简要表述为由矩形摩擦面和曲线摩擦面组成，两种摩擦面分别附设的摩擦材料均匀单一，即单位面积摩擦面对应的摩擦系数相同，其中曲线摩擦面为关于轴线对称的形状。当矩形摩擦面与曲线摩擦面发生相对位移时，二者接触面积发生变化，在阻尼器承受的法向压力一定的情况下，表现为阻尼器的输出力随着滑动位移的变化而变化。(1)式中:u为滑动摩擦系数;F为正压力;u表示接触表面相对滑动速度;上式仅适用于消能器处于滑动状态;sgn()表示符号函数。经优化曲线摩擦面的形状，可以提供变化的滑动摩擦系数，当上式(1)中的正压力F保持不变时，即输出的摩擦力发生变化。本文研究的摩擦阻尼器滑动时的摩擦力表达式为:(2)

易知当式(2)中a=0时即表示为理想普通摩擦阻尼器，忽略初始刚度的影响。根据式(2)表达式，易知该种摩擦阻尼器的滞回曲线如图2所示。

2分析模型及地震波选取

2.1分析模型

为了对比分析附设新型摩擦阻尼器结构和原结构的动力反应，本文共设置了两种分析模型，如图3所示。图3b所示为含摩擦阻尼器的单自由度体系分析模型，其中k表示结构本身的刚度，c表示结构阻尼，表示附设的摩擦阻尼器，m表示单自由度体系质量。原结构ST0即为图3a中除去摩擦阻尼器的体系。由结构动力学理论，如图3a所示的单自由度体系，在地震作用下的动力方程为［9］:mx··+cx··+kx=－mx··g(3)式中:分别表示结构的质量和阻尼，表示结构刚度，分别表示与结构变形有关的相对位移、相对速度和相对加速度，表示地震加速度。如图3b所示的含有摩擦阻尼器的单自由度体系，在地震作用下的动力方程为:mx··+cx··+kx+f=－mx··g(4)式中:表示由摩擦阻尼器提供的恢复力，表达式如式(2)所示。

2.2地震波选取

本文选取了3条地震波，分别为ElCentro波、人工波AW1、AW2波，3条地震波的加速度时程曲线如图4所示，加速度反应谱和位移反应谱如图4所示。将选取的3条地震波做归化整理，取阻尼比ζ为0.05、单自由度自振周期为0～10s，得到如图5所示的加速度反应谱和位移反应谱。由图4可知不同的地震波具有不同持时，其反应谱各不相同，其中人工波AW1和AW2因为是拟合相同的反应谱，所以其对应的加速度和位移反应谱形状和数值基本接近。ElCentro

波在2s出的位移反应幅值和加速度反应幅值均小于人工波，这一点将在下节非线性分析中有所体现。

3非线性动力分析

3.1工况分析

为了对比分析不同地震波作用下，采用新型摩擦阻尼器的优势，本文同时进行了采用普通摩擦阻尼器的单自由度体系减震分析。其中新型摩擦阻尼器的参数取为a=120N/m2、c=0.05N，理想普通摩擦阻尼器的参数取为。相应地，本文共设置了3种工况:ST0(不附设消能器体系);ST1(附设普通型摩擦阻尼器的单自由度体系);ST2(附设新型摩擦阻尼器耗能器的单自由度体系)。对三种不同消能器分别输入上述的三种地震波作用，调整输入加速度峰值为300gal，进行非线性动力时程分析。

3.2结果分析

不同工况下体系响应成果如表1所示，体系动力响应降低率如表2所示。由表1可知3种工况，在ElCentro波作用下的体系最大位移、最大速度、最大加速度响应均小于人工波AW1，AW2作用下的值。上面这点可以从不同的地震波反应谱进行解释，如图4所示，当结构周期为3s时，AW1，AW2作用下的放大系数小于ElCentro波的放大系数，。而AW1，AW2波的反应谱形状接近，所以二者反应值差距较小。由表2可知当采用摩擦阻尼器情况下，对体系动力响应控制非常有效，各项响应值比于原结构均有较大幅度降低，最大降低至达57.9%。其中位移的控制效果最好，最大降低率达到57.9%。对比采用不同阻尼器的降低率可知，在不同地震波作用下，采用新型摩擦阻尼器的最大位移降低率