负刚度装置简介【转载】

负刚度装置(negative stiffness device, NSD)，是一种近年来开始应用在建筑结构中的新型减隔震系统。它用机械装置模拟出整体结构的屈服，实现对结构系统刚度的弱化，进而降低结构整体的峰值加速度和和地震剪力，从而实现对结构的减隔震。本文简要介绍了负刚度的概念、负刚度装置的组成和工作原理。

刚度的一般定义是弹性元件所承受的载荷P对它引起的变形δ变化率，即按下式：

图 1 负刚度特性曲线[1]

正负刚度并联相消

负刚度装置(NSD)是一种独立的装置，它产生的力与施加的位移方向相同，因此被称为“负刚度”。单独的负刚度装置上是不稳定的，但当安装在结构中时，与主体结构并联，总的刚度为两部分的刚度叠加。

图 3正刚度弹簧A、负刚度弹簧B、组合簧特性曲线[1]

NSD由以下几部分构成：

(a) 双负刚度放大机构中的独立高度压缩弹簧组成；

(b) 间隙弹簧组件 (gap spring assembly ，GSA)，为了确保整个系统在小位移或外部激励条件下（例如风荷载）具有相对大的正刚度，避免在较小外界激励下结构出现过大的响应采用间隙弹簧组件(GSA)机构，它通过规定的位移延迟装置的接合。负刚度装置设置的关键点之一就在于其开始发挥作用所对应的条件屈服位移Δy的合理取值。

(c）NSD 采用双 V 形（人字形）支撑，该支架包含产生负刚度所需的垂直力，而不会将这些力传递到主体结构上。

图 6 负刚度装置原理图[4]

图 4、5 所示的 NSD 由中间所示的预压缩弹簧组成装置的底部以及底部的间隙弹簧组件。框架和平板将这些部件固定在一起。当设备变形时，预压缩弹簧(CS)是产生辅助运动的力或负力的弹簧。在初始平衡位置附近，由间隙弹簧组件引起的正刚度，抵消了由预压缩弹簧引起的负刚度，装置的总的刚度/力为零。经过设定的条件屈服位移Δy，间隙弹簧组件急剧软化，而装置开始产生负刚度。这样的机制使得结构的整体性能表现为双线性弹性。

图 7 主体结构+负刚度装置的力-位移关系

间隙弹簧的运动是在没有任何材料屈服的情况下实现的，因此没有永久性变形。

在设备顶部施加位移后，设备在其变形配置中的示意图如图 6 所示。杠杆在枢轴板顶部（B 点）施加位移，使枢轴板围绕 C 点旋转。由于杠杆的轴向刚度及其可忽略的刚体旋转，施加的位移和 B 点的位移大约相等。由于枢轴板围绕 C 旋转，点 D 沿与施加位移相反的方向移动。点 E 刚性连接到设备的顶部，因此具有等于施加的位移。

由于 D 点和 E 点的运动学，预压缩弹簧旋转，其预压缩力促进运动而不是对抗运动。此外，由于“负力”是由弹簧产生的，其变形与 NSD 施加的位移非线性相关，因此 NSD 表现出非线性弹性行为。当装置未变形时，弹簧处于其最小长度。随着装置变形，弹簧伸长，因此其预压缩力减小，而其倾斜角增加并且由装置产生的刚度大小减小。这种逐渐降低的刚度最终会在更大的位移下产生正刚度，或称为“硬化”。在遭遇罕遇地震的情况下，这部分硬化作用可能非常重要，它限制了结构或隔震器的位移发展。

• 负刚度装置改变结构的整体横向刚度，而不改变结构的实际刚度。表观刚度降低到非常低的水平，以模拟全局水平方向的屈服，而主体结构中没有实际屈服。

• 负刚度装置通过被动地产生有助于施加位移的力来产生真正的水平负刚度。装置的所有元件都是无源,因此不需要外部能源、信号输入。

• 负刚度装置是独立的，因此在安装时仅影响整体的水平刚度，不影响竖向刚度。结构的稳定性和屈曲极限不受影响。NSD 也不参与传递垂直载荷。

• 负刚度装置没有明显的滞回耗能，滞回环面积近似为零，因为负刚度装置仅发生弹性变形。

参考文献：

1.  彭献 , 陈树年, 负刚度的工作原理及应用初探. 湖南大学学报:自然科学版, 1992(4期): p. 89-94.

2. Sarlis, A.A., Negative Stiffness Device for Seismic Protection of Structures. 2013, State University of New York at Buffalo.

3. 王冲, 负刚度装置在连续梁桥上的减隔震分析研究. 2016, 长安大学.

4. Sarlis, A.A., et al., Negative stiffness device for seismic protection of structures: An analytical and experimental study. 2011.

5.  张佳宇, 孙敏, and 方有珍, 改进型减震自复位负刚度机构抗震机理数值模拟. 广西大学学报：自然科学版, 2017. 42(4): p. 12.