黄小刚　 周　臻　 蔡小宁　 李德猛　 朱冬平

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2淮海工学院土木工程学院, 连云港 222005)



基于NAO材料的摩擦耗能器低周反复试验

黄小刚1周臻1蔡小宁2李德猛1朱冬平1

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2淮海工学院土木工程学院, 连云港 222005)

针对摩擦耗能自复位结构,采用非石棉有机物(NAO)作为摩擦材料,设计了一种新型摩擦耗能器,开展了不同加载制度、加载速率和螺栓扭矩工况下的低周反复试验,并与基于传统摩擦材料黄铜的耗能器进行了对比试验.结果表明,在常幅加载下NAO耗能器和黄铜耗能器的耗能性能均未出现减小,但NAO耗能器在滑动过程中的噪声明显小于黄铜,摩擦力抖动幅度分别约为2%和28%.随着加载速率的增加,黄铜耗能器摩擦力上下限平均值的差值与下限平均值的比值从28.2%减小到19.5%,而NAO耗能器的摩擦力则较为稳定.随着螺栓扭矩的增大,NAO耗能器的平均摩擦力增大约71.8%,而采用黄铜时仅增大约37.1%.因此,与黄铜耗能器相比,NAO耗能器具有更好的耗能能力、舒适度和稳定性.

摩擦耗能器;非石棉有机物材料;黄铜;耗能;低周反复加载

近年来,基于分灾-耗能理论的震后可恢复结构成为结构工程抗震领域的研究热点[1],学者们提出了多种类型的功能可恢复结构体系[2-4].摩擦耗能型自复位结构就是一种典型的可恢复结构体系,其原理在于将后张预应力技术与摩擦耗能技术有效融合,使结构体系兼具良好的耗能能力和残余变形控制能力.Lin等[2]在自复位梁柱节点中采用黄铜作为摩擦材料进行耗能;Erochko[3]在自复位支撑(SCED)中多个位置处设置摩擦耗能器;Guo等[4]在自复位墙与重力柱之间设置摩擦型耗能器,并采用黄铜作为摩擦材料;周臻等[5]在套筒-预拉杆式自复位框架的梁底设置了摩擦耗能器,利用内外套筒的相对变形实现摩擦耗能.

自复位结构对单个摩擦片的耗能能力要求不高,但需要其性能稳定,且相对滑动时噪声应尽可能小.周云等[6]发现摩擦片的类型与性能对摩擦耗能支撑的性能有较大影响.已有的摩擦耗能器大多采用黄铜作为摩擦材料,但黄铜存在摩擦过程中噪声较大、易出现划痕等缺点[7].非石棉有机物(NAO)材料因其良好的耐久性能,一直是市场上主要的机械用制动摩擦材料[8-9],但较少应用于土木工程摩擦耗能器中[10-11].Monir等[12]对一种新型摩擦耗能器进行了常幅加载,摩擦片通过螺栓固定在2块钢条之间,钢板绕摩擦片旋转时产生耗能,但该构造得到的滞回曲线会出现正负2个位移方向摩擦力不平衡的现象,且不便于在自复位结构中安装.

本文采用NAO作为摩擦材料,综合考虑耗能器的耗能能力和自复位结构中的安装情况[13],设计了一种新型摩擦耗能器,开展了不同工况下的滞回性能试验,并与传统黄铜进行了对比,以分析地震作用下NAO材料在摩擦耗能器中使用的可行性.

1　摩擦耗能器构造

摩擦耗能器的基本原理在于通过摩擦板的相对运动产生摩擦耗能.如图1(a)所示,在自复位梁柱节点中,外摩擦板与梁相连,内摩擦板与柱相连,梁柱节点间隙张开变形带动摩擦板相对运动,实现摩擦耗能.如图1(b)所示,在自复位支撑中,外摩擦板与外套筒相连,内摩擦板与内套筒相连,支撑变形带动内外套筒相对错动,从而实现摩擦耗能.

针对摩擦耗能型自复位结构,本文设计了三明治式摩擦耗能器,其构造见图2.摩擦耗能器主要由1块内摩擦板、2块外摩擦板、端固板、摩擦材料和高强螺栓等组成.

(a)自复位梁柱节点

(b) 自复位支撑

本试验采用了NAO和黄铜2种摩擦材料进行对比.内、外摩擦板通过摩擦型高强螺栓组装在一起,内摩擦板与端固板夹在2个外摩擦板之间,两端均伸出60 mm用于加载时端部固定,材料均采用Q235钢材,各部件如图2(a)所示.不锈钢通过环氧树脂与内摩擦板粘接成整体,并通过四周点焊来加强.在外摩擦板螺孔两侧各预留了2个深3 mm的凹槽,并采用环氧树脂将摩擦材料固定在凹槽中,这样既避免摩擦材料在滑动过程中与外摩擦板发生剥离,又可以使摩擦材料在预紧力作用下受凹槽约束而处于多轴受压状态.在摩擦耗能器滑动过程中,通过内摩擦板上的不锈钢与外摩擦板上的摩擦材料滑动摩擦产生耗能,其组装后的示意图和构件尺寸分别见图1(b)和(c).本试验采用的端固板及钢垫板2仅用于加载时端部固定,在安装至自复位结构或支撑时并不需要.

2　试验方案

试验在东南大学九龙湖校区材料科学与工程学院实验中心完成.试验中采用MTS810加载试验机,主机载荷容量为25 t,加载方式采取位移控制.摩擦耗能器被两端夹具夹紧,加载时上端固定,由下端作动器进行往复加载.将试验机与计算机相连,实时记录荷载-位移曲线.

(a) 各部件实物

(b) 组装后耗能器立面图

(c) 组装后耗能器平面图

摩擦耗能器实物和试验加载装置如图3所示.

图3　加载装置

NAO材料根据其合成材料中芳香纤维、陶瓷纤维和矿物纤维等的含量不同而有所区别,其低温(<200 ℃)耐磨性好,密度较小(1.9～2.0 g/cm3),但其抗压强度较低,约为108～184 MPa[9,14].黄铜作为金属摩擦材料,长期使用时容易出现锈蚀,但具有强度大、耐热温度高的优点.这2种材料的抗压强度有所区别,因此本文分析了螺栓预紧力变化时2种材料在不同受压强度下的摩擦性能.此外,为了尽可能还原摩擦耗能器在地震作用下的受力过程[15],本文还研究了滑动位移幅值、滑移速率、加载循环圈数和加载制度的变化对摩擦耗能器滞回性能的影响.

表1给出了5种工况下采用的螺栓扭矩和加载方案.设计参数为螺栓扭矩、加载速率和振幅.采用的3种加载制度如图4所示.由图可知,方案1为振幅保持不变,循环3圈;方案2为每循环3圈改变1次振幅;方案3为振幅保持不变,循环15圈.

表1　摩擦耗能器加载工况

3　试验结果与分析

首先采用NAO作为摩擦材料进行试验,试验结果如图5所示.为分析最大静摩擦力与滑动摩擦力的差别,在工况1下对试件进行了试加载,其加载位移幅值和加载速率均较小,最大静摩擦力约为54.3 kN,平均滑动摩擦力为42.8 kN.工况2下,变幅加载时滑动摩擦力基本保持不变,拉压2个方向滞回性能较为对称.工况3下,加载速率增大后摩擦力略有减小,在一定的加载速率范围内可以忽略其影响.工况4下,常幅加载时试验滞回曲线较为平稳,材料性能稳定,耗能效果理想.工况5下,改变螺栓预紧力对试验结果影响较大,随着螺栓预紧力的逐步增大,NAO材料受到的法向力不断变大,但试验曲线保持较好的平稳性.当螺栓扭矩分别为200,300和400 N·m时,摩擦力均值比约为1∶1.7∶2.7,这是因为螺栓预紧力增大后NAO材料表面易出现划痕,从而导致摩擦系数增大.

整个试验过程中摩擦耗能器产生的噪声较小,试验结束后将内外摩擦板取出,发现NAO材料表面仅出现了些许划痕,并没有明显的碎片剥落现象(见图5(f)).

图4　不同加载制度

图5　NAO材料的试验结果

然后,将摩擦材料更换为黄铜后再次进行试验,仍然采用表1所示的加载工况,得到的滞回曲线如图6所示.由图可知,工况1下,采用黄铜时的滞回曲线上下抖动幅度较大,同时从感官上来讲伴随着很大的金属摩擦噪声,而NAO材料在试验摩擦过程中始终较为安静.工况2下,变幅加载时黄铜的曲线仍出现较大抖动,但随着幅值的增加,摩擦力抖动幅度略有减小.工况3下,黄铜耗能器摩擦力抖动仍远大于NAO材料,但随着加载速率的增大,2种材料的摩擦力抖动均有所减小.在不同加载速率下,NAO耗能器的摩擦力基本接近于采用黄铜时摩擦力的上限值.当应变速率为3 mm/s时,NAO材料的摩擦力超过了采用黄铜时的摩擦力.工况4下,常幅连续循环时2种材料均没有出现严重的摩擦力退化现象,黄铜耗能器的摩擦力上下限平均值的差值与下限平均值的比值为28%,采用NAO材料时则为2%.工况5下,改变螺栓预紧力对试验结果影响较大,随着螺栓扭矩的增加,NAO耗能器摩擦力的增长速率大于黄铜耗能器.

采用黄铜作为摩擦材料时,整个试验过程均伴随很大的摩擦噪声.试验结束后,试件下方出现大量剥落的黄铜碎片,磨碎的不锈钢内嵌于刻痕中(见图6(i)),可见黄铜的耐磨性不如NAO材料.

摩擦耗能器采用不同材料时的平均动摩擦力与加载速率的关系见图7.由于加载过程中这2种材料产生的摩擦力均存在一定波动,因此对加载中每一步的上限值和下限值分别进行了平均.从图中可以看出,2种材料产生的摩擦力上下限平均值的差值均随加载速率增大而减小.当加载速率从1 mm/s增大到3 mm/s时,黄铜耗能器的摩擦力上下限平均值的差值与下限平均值的比值从28.2%减小到19.5%.而在不同加载速率下,NAO耗能器的摩擦力较为稳定.

采用不同材料的耗能器的平均动摩擦力与螺栓扭矩的关系如图8所示.由图可知,2种材料产生的摩擦力与螺栓扭矩近似呈线性关系.但随着扭矩的增大,黄铜耗能器的摩擦力上下限平均值的差值与下限平均值的比值保持在20.7%～28.9%;NAO耗能器的摩擦力上下限平均值差值随螺栓扭矩呈减小的趋势,当螺栓扭矩为400 N·m时,其上下限平均值的差值与下限平均值的比值仅为3.5%.此外,当螺栓扭矩从200 N·m增大到400 N·m时,NAO耗能器的摩擦力平均值随扭矩增大约71.8%,而黄铜仅增大约37.1%;这可能是因为NAO材料的泊松比大于黄铜的泊松比,在预紧力作用下其横向变形受凹槽约束,因而在相同扭矩下产生了更大的摩擦力.

图6　2种摩擦材料的试验结果对比

图7　摩擦力-加载速率曲线

图8　摩擦力-扭矩曲线

综上所述,NAO材料在土木工程中使用时应注意:① 摩擦耗能装置中宜采用抗压强度较低的NAO材料;② NAO材料耐热性较低,不宜于在200 ℃以上的高温极端情况下使用;③ 采用环氧树脂将NAO材料固定在摩擦板时宜设置凹槽以防止其滑脱.使用黄铜时应注意:① 摩擦保护装置宜采用抗压强度较高的黄铜;② 为减小黄铜在摩擦时产生的抖动,尽量使黄铜摩擦片表面保持平整.

4　结论

1) 在整个加载过程中,NAO耗能器的摩擦力比采用黄铜时更稳定.黄铜耗能器的滞回曲线上下抖动幅度较大,同时伴随较大的摩擦噪声.2种材料均没有出现明显的摩擦力退化现象.试验结束后,NAO材料仅表面出现些许划痕,而黄铜则有大量碎片剥落.

2) 随着加载速率的增大,2种材料的摩擦力抖动均有所减小.当加载速率从1 mm/s增大到3 mm/s时,黄铜上下限平均值的差值与下限平均值的比值从28.2%减小到19.5%.不同加载速率下,采用NAO材料的摩擦力较为稳定.

3) 随着螺栓预紧力的增大,2种材料的摩擦力均逐渐增加.当螺栓扭矩从200 N·m增大到400 N·m时,NAO耗能器的平均摩擦力增大约71.8%,而采用黄铜时仅增大约37.1%.同时,NAO材料可以保持较好的稳定性.

4) 常幅加载和变幅加载对2种材料产生的摩擦力均未出现减小.

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Static cyclic tests of frictional energy dissipating device based on non-asbestos organic material

Huang Xiaogang1Zhou Zhen1Cai Xiaoning2Li Demeng1Zhu Dongping1

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096,China) (2School of Civil Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China)

As for the frictional energy dissipating self-centering structures, a novel frictional energy dissipating device (FED) using non-asbestos organic (NAO) as frictional material was developed. The static cyclic tests with different loading systems, loading rates and bolt torques on the FED were carried out, and the comparison experiments with the FED based on traditional friction material brass were conducted. The results show that the energy dissipation of the FED based on NAO and the one based on brass does not decrease under constant amplitude loading, but the noise of the former is obviously smaller during the frictional process. The friction fluctuation ratio of the FED based on NAO and the one based on brass are about 2% and 28%, respectively. With the increase of the loading rate, as for the FED based on brass, the ratio of the difference between the average upper and the average lower limit values of the friction force to the average lower limit value decreases from 28.2% to 19.5%, while the friction force of the FED based on NAO keeps stable. With the increase of the bolt torque, the average friction force of the FED based on NAO increases by about 71.8% while that of the FED based on brass only about 37.1%. Therefore, compared with the FED based on brass, the FED based on NAO exhibits higher energy dissipating capacity, comfort and stability.

friction energy dissipating device; non-asbestos organic material; brass; energy dissipation; static cyclic loads

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.030

2016-02-21.作者简介: 黄小刚(1990—)，男，博士生；周臻(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，seuhj@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51208095,51508220)、江苏省自然科学基金资助项目( BK20130408)、江苏省“六大人才高峰”资助项目(JZ-003).

TU375.4

A

1001-0505(2016)05-1076-06

引用本文: 黄小刚，周臻,蔡小宁,等.基于NAO材料的摩擦耗能器低周反复试验[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):1076-1081. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.030.