轉動摩擦阻尼裝置的研究與應用（建筑）

                           房曉俊，  周  云

                   （廣州大學土木工程學院，廣州510006）

[摘要]轉動摩擦能阻尼裝置( RFDD)是一種利用轉動摩擦耗能的新型減震裝置。介紹RFDD的研究與應用，包括轉動摩擦阻尼裝置的構造與工作機制、類型與性能及在實際工程中的應用，指出該裝置有待解決的問題。

[關鍵詞]轉動摩擦阻尼裝置；耗能減震；振動臺試驗

0  引言

    消能減震技術作為一種有效、經濟、安全的工程控制技術越來越受到工程界青睞。在建筑結構中引入消能裝置，通過增加建筑結構的剛度和（或）阻尼可以達到減少結構位移和破壞的目的。丹麥某公司研發的轉動摩擦阻尼裝置( 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、易于安裝和維護的特點。該阻尼裝置是利用轉動摩擦原理耗能，可用于結構抗震、抗風和其他振動的控制。

1  轉動摩擦阻尼裝置的構造與原理

    轉動摩擦阻尼裝置的構造如圖1所示，主要由中央（垂直）鋼板，側（水平）鋼板以及設置在中央鋼板和側鋼板之間的兩個圓形摩擦襯墊三部分組成，通常采用螺栓（預應力）將三者連接。

    兩側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生平面運動提供所需要的對稱性。預應力螺栓為可調節式，可以將RFDD上的三塊鋼板“壓”在一起，實現對施加在鋼板與摩擦襯墊連接界面上的預壓力的控制。設置摩擦襯墊的目的是為了維持裝置內的干摩擦力，以確保兩側鋼板和中央鋼板之間摩擦力的穩定，同時也起到了減少運動噪音的作用。為了維持RFDD上預壓力的恒定，裝置采用了蝶形彈簧墊圈加以控制。蝶形彈簧墊圈和兩側鋼板之間還分別設置了硬化墊圈，目的是為了避免蝶形彈簧墊圈在受到擠壓時對兩側鋼板表面產生劃痕導致摩擦系數的改變。轉動摩擦阻尼裝置具有以下特點：1）構造簡單，制作簡便。轉動摩擦阻尼裝置主要由鋼板、摩擦襯墊等組成，構造簡單，易于制作。2）耗能能力可控。通過增設摩擦襯墊或者將多個單元組合成多單元裝置，可實現對耗能能力的靈活控制。3）布置靈活，方便安裝與連接。轉動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，且易于調整。4）施工周期短。轉動摩擦阻尼裝置施工流程簡易，可短時間完成生產和安裝，施工周期短。5)經濟性好，應用范圍廣。轉動摩擦阻尼裝置取材方便，工藝簡單，適用于不同結構形式的建筑，具有廣闊的應用前景。

2  轉動摩擦阻尼裝置的工作機制

    轉動摩擦阻尼裝置的工作機制可以通過圖2說明。中央鋼板長ha，通過鉸鏈連接的形式將RFDD連接到框架結構梁的跨中。采用鉸鏈連接的目的是為了增加中央鋼板和兩側鋼板的相對轉動量，從而提高系統吸收和耗散能量的能力。側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形預應力支撐桿的一端連接，倒V形預應力支撐桿的另一端則通過螺栓連接到柱的基礎上。對倒V形支撐施加預應力，可以抵消阻尼裝置響應時倒V形支撐受到的一部分拉力，從而達到減小倒V形支撐截面面積的目的。

    當橫向力作用于框架結構時，框架結構受力過程主要分為兩個階段：1）第一個階段：當轉動摩擦阻尼裝置受到的力（靜摩擦力）小于其自身發生轉動所需要的最大靜摩擦力時，主要由支撐系統起抗拉作用，框架結構沒有發生位移，因此轉動摩擦阻尼裝置沒有耗能；2）第二個階段：當轉動摩擦阻尼裝置受到的力（轉動摩擦力）超過其自身發生轉動所需要的最大靜摩擦力，產生于鋼板摩擦界面與摩擦襯墊材料之間的轉動摩擦力將參與抵抗結構的水平移動，吸收和耗散能量。

    因此，在地震發生期間，地震作用的方向是往復變化的，地震作用下的建筑也是往復移動。如圖2所示，對設置了轉動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為：RFDD上中央鋼板繞著預應力螺栓轉動，兩側鋼板按相反于中央鋼板轉動的方向轉動，RFDD通過產生于轉動面的摩擦力做功將機械能轉化為熱能（即摩擦耗能），從而使框架結構的振動最小化。

3  轉動摩擦阻尼裝置的類型

    轉動摩擦阻尼裝置均是基于轉動摩擦耗能的概念，根據應用對象的不同，研制了不同構造的轉動摩擦阻尼裝置，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）阻尼裝置等（圖3）。

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

    V形阻尼裝置(圖3(b))可用于基礎隔震建筑中：作為一個耗能裝置耗散地震的能量，減少地震能量向上部結構傳遞。也適用于提升和安裝設備（水箱、空調機組等）、地板的隔離系統（計算機房、建筑住房高科技設備）、文化遺產等的地震防護。

    棱形阻尼裝置(圖3(c))一般適用于管道系統、橋梁、高架橋等的地震防護。用于管道系統時，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電廠的機械振動的影響；應用于橋梁和高架橋的作用的主要是當地震發生時，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。由于懸索橋經常受到較大位移振動的影響，通過設置X形阻尼器可以有效地減小地震和風荷載引起的結構振動。圖3(b)為可以同時連接四根纜索的X形阻尼裝置（四纜索阻尼器）。

    面板阻尼裝置(圖3(e))適用于新的和現有建筑的地震防護。該類阻尼器安裝在建筑物和結構而不占據太多的空間，其工作方式與安裝在帶斜撐的框架結構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構中。阻尼單元數量越多，耗散地震能量的效果越顯著，圖3(f)為由四個摩擦單元組合而成的多單元摩擦阻尼裝置。

    緩沖（制動）阻尼裝置是通過將沖擊荷載的動能轉化為熱能，吸收動荷載的作用，從而減少了對設備和車輛等潛在的破壞。當一個動荷載沖擊緩沖（制動）阻尼裝置時(圖3(g))，阻尼器通過逐漸的收縮抵抗運動直到動荷載停止，將動荷載的機械能轉化為熱能進而避免了破壞；當動荷載抵抗墻或者障礙物提供的抗力時(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  轉動摩擦阻尼裝置的性能試驗

4.1 RFDD的單層鋼框架試驗

    丹麥科技大學的結構工程與材料實驗室進行了一系列的試驗測試以評定轉動摩擦阻尼裝置組件的性能。試驗方案包括以下兩個階段：1）階段1：對采用三種不同摩擦材料的阻尼裝置單元的試驗；2）階段

2：對采用RFDD的1/3縮尺鋼框架模型的試驗。   

 方案階段1中，為驗證參數（頻率、位移幅值、螺栓預緊力和負載周期數）對阻尼裝置性能的影響，對采用三種不同摩擦材料的阻尼裝置單元進行了一系列動態循環試驗。三種不同類型的材料包括：黃銅、高摩擦材料和無石棉摩擦材料(摩擦襯墊材料，FPM)。其中，黃銅之所以被選做一種試驗材料是因為其作為一種商業材料具有成本低和可廣泛使用的特點。

    方案階段2中，從階段1的循環測試中選取了適當的材料進行該階段的試驗。具體的試驗方案在Mualla已詳細給出。

    對單層單跨鋼框架模型進行靜態和動態測試以驗證轉動摩擦阻尼裝置的有效性。整個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，通過滿焊對接的方式嚴格地將梁剛性連接到立柱上。

    通過對框架梁端作用一個簡諧橫向作用力，在保持其他參數不變的情況下，對框架分別進行頻率為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.OHz的強迫振動試驗。阻尼裝置抵抗力矩M與鋼板之間的相對轉動角日的關系見圖5，說明扭矩對強迫振動的影響。

    對框架分別進行位移幅值為1. 75，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5mm的一系列試驗測試，框架的響應結果見圖6，圖6(a)所示為橫向作用力與框架水平位移的關系，圓圈內的數字表示位移幅值；圖6(b)所示為每個周期所耗散的能量與框架位移幅值的比較，即該區域內所標繪的力，位移循環。

 單層單跨鋼框架模型試驗表明：1）方案階段1的循環測試表明，新型的轉動摩擦阻尼裝置在2~ 7Hz頻率范圍內扭矩與頻率無關，且其耗能能力與層間位移和螺栓夾緊力成正比；2）對設置了RFDD框架模型進行一系列的試驗研究，分析了各種參數如頻率、位移幅值、螺栓夾緊力和支撐預應力等的影響，表明裝置在一定范圍內與速度無關，并線性相關于位移幅值；3）對于利用轉動摩擦原理耗能的轉動摩擦阻尼裝置，其優秀而穩定的滯回性能主要取決于摩擦材料的選擇，其中無石棉摩擦材料（摩擦襯墊材料，FPM）耗能效果最好。

4,2 RFDD的三層鋼框架振動臺試驗

    選用帝王谷一埃爾森特羅（1940年，美國），神戶（1995年，日本）和集集（1999年，臺灣）三條地震記錄來模擬地震作用。對設置RFDD框架結構（圖7）分別輸入地震PGA值從0.05g到0.30g變化的14條地震波以檢測其性能。沿建筑高度調整了幾個阻尼裝置的轉動阻力，但是對于不同PGA值測試條件下需要保持調整后的轉動阻力不變。14條地震波作用下的摩擦襯墊及其他RFDD組件并沒有更換。

    三層鋼框架振動臺試驗表明：1）小震作用( PGA=0. 05g~0.10g)測試條件下，設置RFDD框架結構的地震響應不明顯；2）大震作用(PCA=0.15g~0. 30g)測試條件下，RFDD在減小建筑側向位移和層間位移具有顯著的效果；3）本次試驗對摩擦襯墊的耐久性也進行了研究。一系列的14次振動臺試驗中，阻尼器、支撐桿、框架構件和連接件都沒有損壞，摩擦襯墊也表現非常良好，裝置轉動面上并沒有發現劃痕；4）轉動摩擦阻尼裝置系統能夠顯著減少地震引起的建筑物的地震反應，具有優異的耗能性能。

5  工程應用

    轉動摩擦阻尼裝置具有高耗能、低成本、易于安裝和維護的特點，利用轉動摩擦原理耗能的被動消能減震保護概念備受工程界關注。到目前為止，轉動摩擦阻尼裝置已在日本、伊朗、土耳其、希臘、丹麥、印度、智利等國家的20多個新建建筑和加固改造項目中得到應用，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的轉動摩擦阻尼裝置。這些阻尼裝置安裝在帶斜撐的框架結構，每個阻尼裝置由四個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電廠的應用，發電廠在運行過程中的振動可以通過使用轉動摩擦阻尼裝置將振動顯著地減少；印度對現有一幢鋼筋混凝土教學樓采用此類阻尼裝置進行加固改造，如圖18所示。

    采用轉動摩擦阻尼裝置的建筑已經經受住地震的考驗，如希臘的某個工業建筑（圖15），項目竣工以來，已經經歷了數次地震的考驗，最為嚴重的是2008年6月（6.5級）和201 1年8月7日（4.7級）以及2011年8月20日（4.9級）三次地震，所觀測的結構并沒有發生過大的位移和嚴重的不良影響，阻尼裝置表現出良好的耗能性能。6  存在的問題

    本文介紹的轉動摩擦阻尼裝置具有高耗能、低成本、易于安裝和維護的特點，適用于新的建筑和現有結構的加固改造。RFDD仍有以下幾個問題需要進一步研究：

    (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能夠獲得足夠穩定的摩擦力。但是，摩擦襯墊材料的摩擦系數的穩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的穩定仍需要進一步的研究和解決。

    (2)試驗中對支撐施加預應力的目的是為了抵消阻尼裝置響應時倒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，節省材料?？紤]實際工程應用中存在預應力損失的問題，如何避免在使用中建筑結構因支撐預應力損失導致抗拉不足仍需要進一步研究和解決。

    (3)通過預應力螺栓將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上預壓力的恒定。但是，如何防止材料在預壓力的長期作用下產生冷粘結仍是一個亟待解決的問題。

    (4)地震發生后轉動摩擦阻尼裝置會產生永久偏移。當建筑發生較大變形時，阻尼裝置如何做到及時、靈活復位需要進一步的研究和改良。