一种弹簧弹簧坡面变摩擦阻尼器性能试验与分析

一种弹簧弹簧坡面变摩擦阻尼器性能试验与分析

1弹簧—引言由于摩擦电阻装置能耗强，载荷及其频率的影响很小。结构简单，制作方便，成本低，因此其性能非常好。摩擦阻尼器的发展始于20世纪70年代末,随后为适应不同类型的建筑结构,国内外学者陆续研制开发了多种摩擦阻尼器,并己应用于多栋建筑减振中,有效地提高了结构抗风或抗震能力。其摩擦力大小易于控制,可方便地通过调节预紧力大小来确定。目前,研究开发的摩擦阻尼器主要有:限制滑动螺栓节点LSB、Pall摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、T形芯板摩擦阻尼器、拟粘滞摩擦阻尼器、向心式摩擦阻尼器(EDR)。其中Pall摩擦阻尼器已广泛应用在建筑消能减震领域,T形芯板摩擦阻尼器进一步简化了Pall摩擦阻尼器的构造,也在我国有所推广。现有的大部分摩擦阻尼器由于摩擦力固定不变,当摩擦力设定过高时,摩擦装置不能起滑,从而无法起到耗能减震的作用;如果起滑摩擦力过低,又无法提供足够的阻尼力以满足减振的要求。向心式摩擦阻尼器EDR虽然能够产生可变的摩擦阻尼力,但其造价高昂,出力过小,在实际工程中难以广泛推广应用。周锡元、彭凌云等研制的筒式变摩擦阻尼器通过改变摩擦面的摩擦系数而产生变摩擦的效果。本文研发一种“弹簧—坡面”机构,通过弹簧和坡面的设置,能够使摩擦力随着轴线变形的增大而增大。利用弹簧—坡面机构的这一特性加以改进,设计出了弹簧—复合坡面变摩擦阻尼器(VFD)。通过理论分析和模型试验,研究此种变摩擦阻尼器的阻尼力模型和阻尼力滞回特性。2弹簧-倾斜结构的工作原理和阻力模型2.1坡面间隙的产生弹簧坡面机构主要由带有坡面的两块钢板(坡面板1,坡面板2)、垂直于钢板设置的螺栓及弹簧组成。两块坡面板,相互叠放,在其接触面上,产生若干个坡面(如图1)。弹簧及螺栓在预紧力作用下将钢板压紧。当坡面板发生相互错动时,由于坡面的作用,使两块坡面板之间产生间隙(如图2),板间间距增大,进而压缩弹簧,使垂直于板面作用的压力增大,进而提高摩擦力。当两坡面板之间相互错动的距离减小时,坡面间隙也随之减小,弹簧松弛,使垂直于板面作用的压力减小,摩擦力减小。由此可见弹簧—坡面机构能够使摩擦力随着变形而改变,从而实现变摩擦的目的。2.2弹簧-倾斜油挤出模型2.2.1坡面弹簧刚度计算公式为了研究方便,仅取一个坡面和一组弹簧作为研究对象。加载时各构件受力状态如图3所示。图3中各参数的意义如下:N为正压力;N1为垂直于坡面的正压力分量;N2为平行于坡面的正压力分量;f为坡面上正压力产生的摩擦力;fe为坡面上合力的水平分力;θ为坡度;Fd为阻尼器出力;k为弹簧刚度;μ为摩擦系数。随着构件1构件2产生轴向错动Δ,由于坡面作用,构件1与构件2之间产生间隙δ,假定约束弹簧的螺杆长度不变,弹簧被压缩,对构件1和构件2产生压力N=kδ。忽略板在平面外的弯曲变形。由于阻尼器出力为阻尼器加载刚度与加载类似,卸载时随着构件1构件2向初始位置移动,相互错动位移Δ逐渐变小,由于坡面作用,构件1与构件2之间产生的间隙δ逐渐变小,故弹簧对构件1和构件2产生压力N=kδ也逐渐变小。阻尼器出力为:阻尼器加载刚度:2.2.2加卸载刚度实际应用中坡面一般会成对出现(如图4中,坡面1和坡面2;坡面3和坡面4为一对坡面),且各个坡面的坡度应相同,以使弹簧共同受力。当有多组弹簧时,由于忽略了板的弯曲变形,可认为多组弹簧为并联关系。综上,采用弹簧—坡面机构的变摩擦阻尼器,加(卸)载刚度可归纳如下:加载出力:Fd1=kΔ(μcosθsinθ+sin2θ)加载刚度:kd1=k(μcosθsinθ+sin2θ)卸载出力:Fd2=kΔ(μcosθsinθ-sin2θ)观察以上各表达式,不难发现:(1)阻尼器出力与变形成正比;(2)当μ和θ一定时,弹簧刚度越大,加载刚度越大,卸载刚度也越大;(3)当k和θ一定时,坡面摩擦系数μ越大,加载刚度越大,卸载刚度也越大;(4)当μ和k一定时,由图5可见,加大坡面角度θ,将增大加载刚度,并减小卸载刚度。但在相同变形下,随着θ越大,加载刚度增大的速度大于卸载刚度减小的速度,曲线所包络的面积越大;(5)加载刚度略大于卸载刚度;(6)理论滞回曲线为一对三角形。3弹簧-复合倾斜压力阻尼器vfd3.1弹簧对阻尼器的影响以上介绍的弹簧—坡面机构的主要特点是可以产生三角形的滞回曲线,其出力随变形增加而线性增大。且结构简单,可靠性高。但也有一些不足之处,主要表现在以下几方面:(1)随着变形的增加,坡面之间的接触面积不断减小,坡面上的压强显著增大。如果在坡面上粘贴摩擦材料,摩擦材料可能被压碎,进而失效,使摩擦力迅速降低。如果不粘贴摩擦材料单纯金属之间摩擦,在多次循环荷载作用下,其表面会出现明显的钝化现象,使阻尼器出力明显的下降。(2)考虑到摩擦阻尼器需要大刚度的受压弹簧提供正压力,故应选用碟形弹簧,而大出力碟形弹簧,往往会存在非线性的下降尾段(参见GB/T1972-2005碟形弹簧国标),这一特性决定了大刚度碟形弹簧是不适用的,因此限制了加载刚度k的范围。(3)碟形弹簧的最大变形与机构设计最大变形之间相差约一个数量级,故坡面角度θ不能设计的过大,否则在结构最大变形时,碟形弹簧变形会超过其最大设计变形。(4)由于弹簧—坡面机构的以上种种不足,为了满足工程实际对阻尼器出力及变形的要求,考虑增加平面摩擦层,以提高出力,改善其性能。弹簧—复合坡面机构便是沿着这一思路提出的。3.2小位移工况的滑动机构弹簧—复合坡面机构由两对坡面板、弹簧和螺栓、平面板及摩擦材料组成。平面板位于两对坡面板中间,摩擦材料粘贴在平面板与坡面板之间的接触面上。坡面板上的坡面设计成坡面—平面交替布置,使机构首先经历一个平面滑动的过程,而后再进入坡面滑动(图6)。在平板上,摩擦面的接触面积较大,且在整个滑动过程中接触面积保持不变,可以选用摩擦系数较大而抗压性一般的摩擦材料。增加平面摩擦面,也利于提高阻尼器的出力。由弹簧—坡面机构理论滞回曲线(见图5)中可以看出,在小位移情况下,机构出力较小,耗能效果不明显。因此,考虑在小位移情况下,增加平面滑动段,并施加预紧力。在预紧力作用下,机构将会有一个起滑力,在起滑之后,首先在平面滑动段滑动,机构出力不变。当滑动到平面滑动段尽头后,进入坡面滑动段。弹簧被进一步压缩,产生更大的正压力,进而摩擦力增大,机构出力增大。3.3弹簧—弹簧—复合坡面机构阻尼力模型参照2.2节,得弹簧—复合坡面机构出力及刚度:(1)弹簧—复合坡面机构加载出力(1)起滑前出力为k0Δ,刚度为k0;(2)平面滑动段出力:Fplane=Np(nsμs+npμp),刚度为0;(3)坡面滑动段出力与刚度:(2)弹簧—复合坡面机构卸载出力(1)坡面滑动段出力与刚度:(2)平面滑动段出力:Fplane=-Np(nsμs+npμp),刚度为0。其中,ns为坡面滑动面数量;np为平面滑动面数量;μs为坡面滑动面摩擦系数;μp为坡面滑动面摩擦系数;Np为初始压力。由弹簧—复合坡面机构阻尼力模型,不难发现其滞回曲线两头大、中间小呈“狗骨形”(图7)。4变摩擦阻尼器vfd的性能试验4.1弹簧选择部位本文设计制作的变摩擦阻尼器(VFD)试件以弹簧—复合坡面机构为原型,如图8所示。变摩擦阻尼器设计参数如下:预紧螺栓:M24×8摩擦面数量:摩擦材料平面二个+金属滑动坡面二个摩擦系数:坡面(钢板VS钢板):0.19(实测)平面(钢板VS摩擦片):0.47(实测)阻尼器最大出力:550kN=55t阻尼器变形:单向最大变形:35mm(平面滑动段:10mm;坡面滑动段:25mm)弹簧选择:GB/T1972-200550-25.4-3.0-1,1-4.1-0.83弹簧最大出力:12kN弹簧最大变形:0.83mm弹簧布置:碟形弹簧四个一组叠放,共八组滑动坡面构成:突触单侧平滑段80mm,凹处单侧平面段100mm;坡面长度:150mm,高差:5.0mm,坡度:1/30;试验加载装置:200t液压试验机,如图9所示。4.2循环能力与变形在100kN预紧力下进行试验,起滑力为108kN,每加载循环增加变形4mm,在最初的三个加载循环中(最大变形12mm),阻尼器出力变化不大。之后,随着变形加大,阻尼器出力也随之增大。阻尼器的最大出力随最大变形增加而增大,呈现明显的线性关系。每次卸载返回平面滑动段,其平面滑动段出力会有一定的下降,较初始值最大下降46.1%(见图10a)。当阻尼器出力达到设计最大值(550kN)时,保持最大变形不变,往复加(卸)载循环30周,阻尼器出力略有下降,水平段的摩擦力基本不变,滞回曲线无明显变化(见图10b)。试验值与分析值比较:(1)起滑力,计算值与实测值差距较小,约在2%左右。进入坡面滑动段后,偏差逐渐增大,到达最大位移时,达到最大偏差11.19%;(2)保持最大位移量不变,加载、卸载30个循环,阻尼器出力逐渐下降,但下降幅度不大,循环结束值较循环初始值约下降7.5%;(3)刚度偏差为11.35%。4.3循环能力与变形在200kN预紧力下进行试验,起滑力为194kN,每加载循环增加变形4mm,在最初的三个加载循环中(最大变形12mm),阻尼器出力变化不大。随着变形加大,阻尼器出力也随之增大。阻尼器的最大出力随最大变形增加而增大,呈现明显的线性关系。每次卸载返回平面滑动段,其平面滑动段出力会有一定的下降,较初始值最大下降27.3%(见图11a)。当阻尼器出力达到设计最大值(550kN)时,保持最大变形不变,往复加(卸)载循环30周,阻尼器出力略有下降,滞回曲线无明显变化(见图11b)。试验值与分析值比较:(1)起滑力,计算值与实测值差距较小,约在2.0%左右。进入坡面滑动段后,偏差逐渐增大,到大最大位移时,达到最大偏差14.09%;(2)保持最大位移量不变,加载、卸载30个循环,阻尼器出力逐渐下降,但下降幅度不大,循环结束值较循环初始值约下降8.6%;(3)刚度偏差为10.28%。4.4循环能力与变形关系在300kN预紧力下进行试验,起滑力为328kN,每加载循环增加变形4mm,在最初的三个加载循环中(最大变形12mm),阻尼器出力变化不大。随着变形加大,阻尼器出力也随之增大,阻尼器的最大出力随最大变形增加而增大,呈现明显的线性关系。每次卸载返回平面滑动段,其平面滑动段出力会有一定的下降,较初始值最大下降11.6%(见图12a)。当阻尼器出力达到设计最大值(550kN)时,保持最大变形不变,往复加(卸)载循环30周,阻尼器出力略有下降,滞回曲线无明显变化(见图12b)。试验值与分析值比较:(1)在平面滑动段,计算值与实测值差距较小,约在2.0%左右。进入坡面滑动段后,偏差逐渐增大,到大最大位移时,达到最大偏差10.95%;(2)保持最大位移量不变,加载、卸载30个循环,阻尼器出力逐渐下降,但下降幅度不大,循环结束值较循环初始值约下降7.8%;(3)刚度偏差为10.89%。4.5普通弹簧叠放试验结果(1)试验所得的滞回曲线均呈现出两头大中间小的“狗骨形”,与复合弹簧坡面机构理论滞回曲线一致。(2)等位移增量加载试验中,随着最大位移的增大,每次返回平面滑动区时,其平面滑动区出力会有一定的下降。而在最大位移循环试验中,平面滑动段出力却没有明显的降低。这说明等位移加载试验中平面滑段出力降低的主要原因在于弹簧而不在于摩擦材料。发生这种现象可能的原因是,试验试件碟形弹簧叠放个数较多,弹簧间存在间隙,随着弹簧最大变形的增加,弹簧间的间隙被挤紧,由于弹簧间摩擦力的作用,当弹簧再度放松时,弹簧间间隙不能恢复,进而相当于放松了弹簧,导致平面滑动段出力降低。为了避免此种情况的发生,应该限制碟形弹簧的叠放数量,采用大刚度碟形弹簧。(3)在等位移增量加载试验中,各象限坡面段上的出力最大值几乎在一条线上,即实测阻尼器加载(卸载)刚度,此实测刚度与理论刚度存在约10%左右的偏差。刚度偏差产生的原因可能是在理论公式推导中,假设钢板在正压力作用下不变形。而实际上,当进入坡面段后,坡面摩擦面上会产生很“悬空”段,在这些悬空段中,由于正压力的作用,会产生弯曲变形,进而消耗一部分由坡面产生传递给弹簧的变形,使正压力增加量较理论值偏低,导致坡面上的加载(卸载)刚度偏小。可以在理论计算中利用有限元的方法考虑钢板变形对阻尼器出力的影响,或增加钢板的有效厚度。另外,弹簧叠放过多也可能是造成刚度偏差的原因之一。(4)试验滞回曲线从平面段到坡面段过程中,没有明显的拐点,是以圆滑的曲线从平面段过渡到坡面段的。其原因是阻尼器从平面接触转化为坡面接触过程中,存在一个从不接触到虚接触再到挤密压实的过程。滞回曲线由折线变为圆滑曲线,对其性能影响不大,结构分析时,仍可沿用理论滞回曲线中的“折线”形式。(5)随着预紧力的增大,滞回曲线中间细长段逐渐变粗。阻尼器最大出力主要受弹簧压缩极限的限制,预紧力越大,弹簧在未进入坡面段前的压缩量就越大,能够在坡面上起作用的变形就越小,坡面段就越短。4.6坡面钢板内压监测通过三组试验,可以得出以下结论:(1)滞回曲线形状,两端大,中间细长呈“狗骨形”,与理论计算一致;(2)阻尼器预紧力将消耗弹簧的变形,使其能够在坡面段上发挥作用的变形量减小;(3)阻尼器在平面滑动段的理论值与实际值非常接近,偏差在2%左右。对于平面摩擦,理论与实际相差较小;(4)弹簧叠放不宜过多,应根据需要通过选用大出力碟形弹簧,尽量减少弹簧叠放数量;(5)理论分析中将坡面钢板假定为完全刚形体在实际中可能导致加载(卸载)刚度偏小;(6)在达到最大设计变形(或出力后),反复加载至最大变形(或出力),经过30圈的循环加载后,阻尼器出力略有下降,下降幅度约8%,滞回曲线稳定。5变尼器试验研究取得了主要结论本文研发