科研分享|一种多阶段顺序屈服耗能自复位阻尼器的试验研究

      今天的天气阴沉，淅淅沥沥的小雨打在窗外，南方的天气也终于开始转凉。老话说下雨天，最适合放松心情，趁着手头无事，也很久没有自己写推文了（很抱歉，今年的事情真的多，也很难静下心）。今天给大家分享一篇Angus 最新的paper。如果有兴趣，也欢迎和Angus 讨论，非常欢迎大家引用，谢谢支持。引用格式：

Zhang,P., Yam, M.C.H., Ke, K., Song, Y.C., and Zhu, M. 2024. “Experimental study ona self-centering damper with multistage energy-dissipation mechanism.” J.Struct. Eng. 150(11). https://doi.org/10.1061/JSENDH.STENG-13665

另注：分享推文多少会有个人对某些课题的观点输出，如果和各位读者的观点相悖，请您海涵，分享也仅仅是一家之言，只是为了抛砖引玉，带给同行人一点思考，不是结论性语言。

      这篇推文实际上是对以往该阻尼器概念设计和模拟一次试验验证，该阻尼器的概念设计可参考推文：

【科研分享】韧性概念之新型阻尼器研发及相应结构需求指标评估 (qq.com)

      结构的自复位概念从2000前后开始引入到钢结构，至今二十多年了，尽管在概念上，构造上不断涌出新的想法，新的产品，但是在可预见的将来还是很难看到自复位结构在工程中广泛地使用。其根本原因应该还是过高的成本，以及缺乏设计手册和及配套的施工技术。记得上次听Matt 教授的pre, 他的观点也是说期待一个经济性较好的自复位产品出现，对推动自复位结构的发展是至关重要的。那么是什么样的自复位产品呢？我个人的理解大概这样的产品应具备以下几个特征：

1）成本与传统结构的可比，即在一个水平上；

2）构造简单，安装简单，不需要太专业的技术人员；

3）配备此产品的结构和传统结构性能相当，尤其是结构呈现处的高阶模态影响和加速度响应；

4）性能稳定，在产品服务期内，可以忽略其退化（可接受一定的强化，如摩擦耗能的应用），且有一定安全冗余度；

5）配套的设计手册。

其实上述的特征，也可以很好地帮助我们审视我们自己提出的装置距离实际的工程应用的场景的远近。例如，本论文提出的阻尼器，构造如下图：

      咋一看，非常的复杂。很明显不满足上述第一，第二个特征。阻尼器的加工对精度要求高，这使得准备试件需要精细的机加工；当然精度高，也就意味着阻尼器现场安装的困难。其次，尽管这里更新的阻尼器构造，较大程度上使得SMA 螺栓的利用率提高（以往的这种三明治变摩擦阻尼器，仅仅只有一半数量的SMA 螺栓参与贡献阻尼器的承载力，而这里，所有SMA 螺栓均参与承载力贡献），但无法摆脱SMA 所带给阻尼器成本的增加（在这里，我想说明一下，本推文是站在一个经历者的角度，来复盘自己的研究，不是否定自己的研究，相反，这些每一点事后的理解，也是因为亲手经历后才对科研和工程问题形成的看法，我认为这些成长本身就是科研的一部分，甚至是最重要的一部分。）

那么本文提出的阻尼器的最大初衷是什么？其实是它的力学特征，即提出了可调的多阶段顺序屈服机制（区别于以往后期刚度强化的构造）。Angus的个人看法是，大自然那么年的选择，带给大自然延性的金属材料，大多数都是随着变形开展，其刚度逐渐降低的过程，我认为这是一个自然的选择，因此Angus优先也会认为具有顺序屈服的装置可能在结构性能上更优，这些观点，Angus也做过一些初步的计算得到了证实，会在以后的发表中呈现。

      所提阻尼器的滞回模型及其定义如下：

      核心的机制理念如下：该阻尼器通过引入一个水平的碟簧恢复力系统，可以微调恢复力（注意是微调，不是依赖，这个很关键），从而使得该类阻尼设计参数之间解耦，即以往该类阻尼器想要靠自身实现自复位行为，需要满足的条件：1）摩擦面摩擦系数不应太大；2）摩擦面倾角不应太小，需满足tanθ >μ。这会使得：1）相同的阻尼器承载力，需要更大的法向力（因为摩擦系数小，而太大的法向力会加快摩擦面的磨损，或难以选择合适的摩擦副）（也即摩擦效率低）；2）相同的阻尼器变形，使得法向变形需求增加。尤其如果这类阻尼器用在实际的支撑中，轴向的变形可能要达到80 mm 以上， 那么按照几何关系可以换算出法向的变形需求。

      SMA 螺栓的应用，与以往阻尼器一致，由于SMA 的相变，会使得其轴向刚度降低，在阻尼器大变形下，降低楔面摩擦面的楔面作用，导致阻尼器的刚度进一步降低，在预紧力克服（对应第一次屈服）之后形成第二次屈服机制。注意，在本文提出的阻尼器中，可以使用较大的摩擦系数的摩擦副，摩擦副的倾角也可以做的很小，如本试验中，最小的倾角仅有7°，而摩擦系数约为0.45， 该值取决于本文所做的实测摩擦试验数据，如下图：

      接下来呈现的是阻尼器的试验，来证实上述的设计理念。其试验装置和观察到的典型的试验现象如下：

      由于，阻尼器的外套筒的视线的阻挡，尽管当时开了一个小孔观察，但是还是不那么明显，主要的现象就是：无论阻尼器在受压还是受拉，碟簧始终处于受压的状态；摩擦副发生相对滑动，该滑动拉长了SMA 螺栓。为了清晰展现，这里给一张Angus 博士论文的有限元插图，更方便观察试验现象，如下：

各试件的滞回曲线如下：

      由滞回曲线可知，试件呈显著三阶段，俩顺序屈服的旗帜行滞回行为。且两次屈服点之前的间隔可以通过改变设计参数灵活调节，如改变倾角，使用不同类型的SMA 螺栓等。这里需要解释下，试验实测的滞回曲线刚度的改变不是那么显著，主要的问题是所使用的SMA 性能不是很理想。本实验所有使用的SMA 螺栓，均购买于美国的供货商，且原尺寸直径为32 mm. 我们做SMA 的同学都知道，SMA 的尺寸影响，热处理以及加工影响都很显著。例如，试验采用的SMA 经过力学训练后的滞回行为如下：

      可见SMA 螺栓的相变变成了缓慢非线性发展，且刚度降低也不是很明显，正是SMA 螺栓轴向刚度降低的不明显，导致阻尼器的刚度降低也不是很显著。例如，之后Angus 换了一种SMA 螺栓之后，所测的阻尼器行为如下：

      其结果的刚度退化相较就明显很多了。对这一点的探索也给我们提了一个醒，尽管有很多研究说NiTi 基的SMA 技术已经相对成熟和已经应用很广泛了，我认为此论点，下的过于早了。也许对SMA wire 可能是的，但是对大尺寸的SMA 构件，到工程实用还有很远的路要走。且不说，大尺寸SMA 的尺寸效应，热处理影响等，其加载历史的影响也超级显著，大家可以看SMA 力学训练过程，其滞回以及描述滞回特征的滞回参数一直在退化，而现在所做的结构分析，据Angus 了解，均无考虑，这种退化，对SMA 主控的结构性能影响可能尤其显著。

      在阻尼器试验中，Angus 特别留心了比较了阻尼器的初始刚度和第一卸载刚度是否近似相等，因为这在很多研究中是默认的，但其实不一定的成立的，为了证实，计算了他们的刚度值，发现在本设计构造下，初始刚度和第一卸载刚度是近似相等的，如下表所示：

      随后，计算了各试件的能量相关的指标并进行了评估，主要是累计耗能和等效粘滞阻尼器比，结果如下：

      根据试件对比结果可知，对于使用相同SMA 类型的阻尼器而言，其设计参数（倾角，预紧力）会影响阻尼器的总的耗能能力，但对无量纲的等效粘滞阻尼器比影响不大，试件的等效粘滞阻尼比在加载全过程（小变形和大变形下）均维持相近一个水平，在16%-20%之间，且在重复荷载下也维持稳定（有一点点增加，是有利的）。

最后根据阻尼器的受力机制，也推导了阻尼器的在任意加载下的滞回准则，如下图：

      写在最后，对于这一类阻尼器，Angus还有一个担忧，也欢迎和各位交流，即阻尼器的初始刚度的理论解，可能无法得出。一般而言，如果阻尼器中存在预紧力下的面面接触，或者不规则的形状主导装置变形，则其理论界很难导出。一旦有面面接触，是需要考虑面面的粗糙度等对理论解的折减，而这些有依赖于加工，尚缺乏足够研究。另一方面，如果我们无法得出阻尼器或者支撑的刚度的理论解，也即我们无法知道结构的第一模态，甚至我们在设计结构的时候，也无法定量的赋予支撑的初始刚度，因为没有物理意义。那么这些问题，实际上对其结构行为影响有多大，对其工程应用的影响多大，尚需进一步研究。

参考文献：

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