转动摩擦阻尼装置的研究与应用（建筑）

                           房晓俊，  周  云

                   （广州大学土木工程学院，广州510006）

[摘要]转动摩擦能阻尼装置( RFDD)是一种利用转动摩擦耗能的新型减震装置。介绍RFDD的研究与应用，包括转动摩擦阻尼装置的构造与工作机制、类型与性能及在实际工程中的应用，指出该装置有待解决的问题。

[关键词]转动摩擦阻尼装置；耗能减震；振动台试验

0  引言

    消能减震技术作为一种有效、经济、安全的工程控制技术越来越受到工程界青睐。在建筑结构中引入消能装置，通过增加建筑结构的刚度和（或）阻尼可以达到减少结构位移和破坏的目的。丹麦某公司研发的转动摩擦阻尼装置( rotational friction damperdevice，RFDD)作为其中一种新型的消能装置，具有高耗能、低成本、易于安装和维护的特点。该阻尼装置是利用转动摩擦原理耗能，可用于结构抗震、抗风和其他振动的控制。

1  转动摩擦阻尼装置的构造与原理

    转动摩擦阻尼装置的构造如图1所示，主要由中央（垂直）钢板，侧（水平）钢板以及设置在中央钢板和侧钢板之间的两个圆形摩擦衬垫三部分组成，通常采用螺栓（预应力）将三者连接。

    两侧钢板和中央钢板的组合不仅增加了摩擦表面的面积，而且还为保证装置发生平面运动提供所需要的对称性。预应力螺栓为可调节式，可以将RFDD上的三块钢板“压”在一起，实现对施加在钢板与摩擦衬垫连接界面上的预压力的控制。设置摩擦衬垫的目的是为了维持装置内的干摩擦力，以确保两侧钢板和中央钢板之间摩擦力的稳定，同时也起到了减少运动噪音的作用。为了维持RFDD上预压力的恒定，装置采用了蝶形弹簧垫圈加以控制。蝶形弹簧垫圈和两侧钢板之间还分别设置了硬化垫圈，目的是为了避免蝶形弹簧垫圈在受到挤压时对两侧钢板表面产生划痕导致摩擦系数的改变。转动摩擦阻尼装置具有以下特点：1）构造简单，制作简便。转动摩擦阻尼装置主要由钢板、摩擦衬垫等组成，构造简单，易于制作。2）耗能能力可控。通过增设摩擦衬垫或者将多个单元组合成多单元装置，可实现对耗能能力的灵活控制。3）布置灵活，方便安装与连接。转动摩擦阻尼装置可灵活布置在小而窄的空间，方便安装与连接，且易于调整。4）施工周期短。转动摩擦阻尼装置施工流程简易，可短时间完成生产和安装，施工周期短。5)经济性好，应用范围广。转动摩擦阻尼装置取材方便，工艺简单，适用于不同结构形式的建筑，具有广阔的应用前景。

2  转动摩擦阻尼装置的工作机制

    转动摩擦阻尼装置的工作机制可以通过图2说明。中央钢板长ha，通过铰链连接的形式将RFDD连接到框架结构梁的跨中。采用铰链连接的目的是为了增加中央钢板和两侧钢板的相对转动量，从而提高系统吸收和耗散能量的能力。侧钢板两端采取螺栓连接的形式分别从距离RFDD中心为r处与倒V形预应力支撑杆的一端连接，倒V形预应力支撑杆的另一端则通过螺栓连接到柱的基础上。对倒V形支撑施加预应力，可以抵消阻尼装置响应时倒V形支撑受到的一部分拉力，从而达到减小倒V形支撑截面面积的目的。

    当横向力作用于框架结构时，框架结构受力过程主要分为两个阶段：1）第一个阶段：当转动摩擦阻尼装置受到的力（静摩擦力）小于其自身发生转动所需要的最大静摩擦力时，主要由支撑系统起抗拉作用，框架结构没有发生位移，因此转动摩擦阻尼装置没有耗能；2）第二个阶段：当转动摩擦阻尼装置受到的力（转动摩擦力）超过其自身发生转动所需要的最大静摩擦力，产生于钢板摩擦界面与摩擦衬垫材料之间的转动摩擦力将参与抵抗结构的水平移动，吸收和耗散能量。

    因此，在地震发生期间，地震作用的方向是往复变化的，地震作用下的建筑也是往复移动。如图2所示，对设置了转动摩擦阻尼装置的框架建筑，其吸收和耗散地震能量具体表现为：RFDD上中央钢板绕着预应力螺栓转动，两侧钢板按相反于中央钢板转动的方向转动，RFDD通过产生于转动面的摩擦力做功将机械能转化为热能（即摩擦耗能），从而使框架结构的振动最小化。

3  转动摩擦阻尼装置的类型

    转动摩擦阻尼装置均是基于转动摩擦耗能的概念，根据应用对象的不同，研制了不同构造的转动摩擦阻尼装置，主要有：T形阻尼装置、V形阻尼装置、棱形阻尼装置、X形阻尼装置以及面板阻尼装置。此外，还有多单元阻尼装置、缓冲（制动）阻尼装置等（图3）。

    T形阻尼装置(图3(a))，适用于各种结构形式的建筑结构，依靠螺栓连接将阻尼器安装在带斜撑的结构中。

    V形阻尼装置(图3(b))可用于基础隔震建筑中：作为一个耗能装置耗散地震的能量，减少地震能量向上部结构传递。也适用于提升和安装设备（水箱、空调机组等）、地板的隔离系统（计算机房、建筑住房高科技设备）、文化遗产等的地震防护。

    棱形阻尼装置(图3(c))一般适用于管道系统、桥梁、高架桥等的地震防护。用于管道系统时，不仅可以防止管道（油、气、液）遭受地震的破坏，而且还可以有效地减少如工厂或发电厂的机械振动的影响；应用于桥梁和高架桥的作用的主要是当地震发生时，棱形阻尼装置可以消耗水平地震力而垂直竖向力主要由橡胶轴承承受。

    X形阻尼装置(图3(d))是作缆索阻尼器的一种，主要适用于悬索桥。由于悬索桥经常受到较大位移振动的影响，通过设置X形阻尼器可以有效地减小地震和风荷载引起的结构振动。图3(b)为可以同时连接四根缆索的X形阻尼装置（四缆索阻尼器）。

    面板阻尼装置(图3(e))适用于新的和现有建筑的地震防护。该类阻尼器安装在建筑物和结构而不占据太多的空间，其工作方式与安装在带斜撑的框架结构中的多单元阻尼器一致，不同的是这里用两块连接钢板取代了斜撑。连接钢板和阻尼装置均是预制的，这意味着它们可以快速地安装到建筑物中。

    多单元阻尼装置可以简单的看成是T形阻尼装置的组合，也是用螺栓连接将阻尼器安装在带斜撑的结构中。阻尼单元数量越多，耗散地震能量的效果越显著，图3(f)为由四个摩擦单元组合而成的多单元摩擦阻尼装置。

    缓冲（制动）阻尼装置是通过将冲击荷载的动能转化为热能，吸收动荷载的作用，从而减少了对设备和车辆等潜在的破坏。当一个动荷载冲击缓冲（制动）阻尼装置时(图3(g))，阻尼器通过逐渐的收缩抵抗运动直到动荷载停止，将动荷载的机械能转化为热能进而避免了破坏；当动荷载抵抗墙或者障碍物提供的抗力时(图3(h))，减震阻尼装置的初始位置被压缩，从而可以均匀地消散能量。

4  转动摩擦阻尼装置的性能试验

4.1 RFDD的单层钢框架试验

    丹麦科技大学的结构工程与材料实验室进行了一系列的试验测试以评定转动摩擦阻尼装置组件的性能。试验方案包括以下两个阶段：1）阶段1：对采用三种不同摩擦材料的阻尼装置单元的试验；2）阶段

2：对采用RFDD的1/3缩尺钢框架模型的试验。   

 方案阶段1中，为验证参数（频率、位移幅值、螺栓预紧力和负载周期数）对阻尼装置性能的影响，对采用三种不同摩擦材料的阻尼装置单元进行了一系列动态循环试验。三种不同类型的材料包括：黄铜、高摩擦材料和无石棉摩擦材料(摩擦衬垫材料，FPM)。其中，黄铜之所以被选做一种试验材料是因为其作为一种商业材料具有成本低和可广泛使用的特点。

    方案阶段2中，从阶段1的循环测试中选取了适当的材料进行该阶段的试验。具体的试验方案在Mualla已详细给出。

    对单层单跨钢框架模型进行静态和动态测试以验证转动摩擦阻尼装置的有效性。整个钢框架模型的尺寸为高1.125m，宽1.10m（图4）。柱截面尺寸为50mm×15 mm，空心矩形梁截面为90mm×50mm×5mm，通过满焊对接的方式严格地将梁刚性连接到立柱上。

    通过对框架梁端作用一个简谐横向作用力，在保持其他参数不变的情况下，对框架分别进行频率为2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.OHz的强迫振动试验。阻尼装置抵抗力矩M与钢板之间的相对转动角日的关系见图5，说明扭矩对强迫振动的影响。

    对框架分别进行位移幅值为1. 75，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5mm的一系列试验测试，框架的响应结果见图6，图6(a)所示为横向作用力与框架水平位移的关系，圆圈内的数字表示位移幅值；图6(b)所示为每个周期所耗散的能量与框架位移幅值的比较，即该区域内所标绘的力，位移循环。

 单层单跨钢框架模型试验表明：1）方案阶段1的循环测试表明，新型的转动摩擦阻尼装置在2~ 7Hz频率范围内扭矩与频率无关，且其耗能能力与层间位移和螺栓夹紧力成正比；2）对设置了RFDD框架模型进行一系列的试验研究，分析了各种参数如频率、位移幅值、螺栓夹紧力和支撑预应力等的影响，表明装置在一定范围内与速度无关，并线性相关于位移幅值；3）对于利用转动摩擦原理耗能的转动摩擦阻尼装置，其优秀而稳定的滞回性能主要取决于摩擦材料的选择，其中无石棉摩擦材料（摩擦衬垫材料，FPM）耗能效果最好。

4,2 RFDD的三层钢框架振动台试验

    选用帝王谷一埃尔森特罗（1940年，美国），神户（1995年，日本）和集集（1999年，台湾）三条地震记录来模拟地震作用。对设置RFDD框架结构（图7）分别输入地震PGA值从0.05g到0.30g变化的14条地震波以检测其性能。沿建筑高度调整了几个阻尼装置的转动阻力，但是对于不同PGA值测试条件下需要保持调整后的转动阻力不变。14条地震波作用下的摩擦衬垫及其他RFDD组件并没有更换。

    三层钢框架振动台试验表明：1）小震作用( PGA=0. 05g~0.10g)测试条件下，设置RFDD框架结构的地震响应不明显；2）大震作用(PCA=0.15g~0. 30g)测试条件下，RFDD在减小建筑侧向位移和层间位移具有显著的效果；3）本次试验对摩擦衬垫的耐久性也进行了研究。一系列的14次振动台试验中，阻尼器、支撑杆、框架构件和连接件都没有损坏，摩擦衬垫也表现非常良好，装置转动面上并没有发现划痕；4）转动摩擦阻尼装置系统能够显著减少地震引起的建筑物的地震反应，具有优异的耗能性能。

5  工程应用

    转动摩擦阻尼装置具有高耗能、低成本、易于安装和维护的特点，利用转动摩擦原理耗能的被动消能减震保护概念备受工程界关注。到目前为止，转动摩擦阻尼装置已在日本、伊朗、土耳其、希腊、丹麦、印度、智利等国家的20多个新建建筑和加固改造项目中得到应用，如图8～19所示。

    图11为日本Abenobashi航站楼，地上55层，地下5层，总高度300m。采用1500~ 5000kN的转动摩擦阻尼装置。这些阻尼装置安装在带斜撑的框架结构，每个阻尼装置由四个摩擦单元组合形成多单元摩擦阻尼装置；图17为阻尼器装置在丹麦发电厂的应用，发电厂在运行过程中的振动可以通过使用转动摩擦阻尼装置将振动显著地减少；印度对现有一幢钢筋混凝土教学楼采用此类阻尼装置进行加固改造，如图18所示。

    采用转动摩擦阻尼装置的建筑已经经受住地震的考验，如希腊的某个工业建筑（图15），项目竣工以来，已经经历了数次地震的考验，最为严重的是2008年6月（6.5级）和201 1年8月7日（4.7级）以及2011年8月20日（4.9级）三次地震，所观测的结构并没有发生过大的位移和严重的不良影响，阻尼装置表现出良好的耗能性能。6  存在的问题

    本文介绍的转动摩擦阻尼装置具有高耗能、低成本、易于安装和维护的特点，适用于新的建筑和现有结构的加固改造。RFDD仍有以下几个问题需要进一步研究：

    (1)阻尼装置良好的耗能减震性能在很大程度上归因于摩擦衬垫材料的合理选择，使RFDD能够获得足够稳定的摩擦力。但是，摩擦衬垫材料的摩擦系数的稳定性并不能得到完全的保证，因此如何保证摩擦衬垫材料摩擦系数的稳定仍需要进一步的研究和解决。

    (2)试验中对支撑施加预应力的目的是为了抵消阻尼装置响应时倒V形支撑受到的一部分压力，从而减少倒V形支撑的截面面积，节省材料。考虑实际工程应用中存在预应力损失的问题，如何避免在使用中建筑结构因支撑预应力损失导致抗拉不足仍需要进一步研究和解决。

    (3)通过预应力螺栓将RFDD上的三块钢板“压”在一起，虽然使用蝶形弹簧垫圈能够维持RFDD上预压力的恒定。但是，如何防止材料在预压力的长期作用下产生冷粘结仍是一个亟待解决的问题。

    (4)地震发生后转动摩擦阻尼装置会产生永久偏移。当建筑发生较大变形时，阻尼装置如何做到及时、灵活复位需要进一步的研究和改良。