第 1 页 共 4 页 新型转动摩擦阻尼器在建筑工程中的应用 Imad Mualla 1，曹铁柱2，廖膺铨2 （1丹麦DAMPTECH公司，哥本哈根, 2800; 2捷成工业，北京 100005） [摘要] 介绍了丹麦Mualla博士研发的一种基于转动概念的摩擦阻尼系统，这种阻尼器工作原理清晰，模型种类多样，从制作到安装都非常简单。对于地震、大风等动力荷载引起建筑结构的振动控制效果很好，目前已通过多个大型国际试验室的测试，并已在日本、印度和希腊等地震多发国家广泛应用。这些测试研究和实际工程表明，转动摩擦阻尼器是采用消能减震技术的优选之一。 [关键词] 转动摩擦阻尼器;消能减震系统; 隔震系统 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： 作者简介：Imad Mualla， DAMPTECH技术总监，Email：ihm@damptech.com。 A new rotational friction concept damper for vibration control of buildings Imad Mualla 1， Cao Tiezhu 2 ，Kelvin Liu 2 （1DAMPTECH ，Copenhagen，2800；2. Jebsen Industrial，Beijing 100005, China） Abstract： The latest technology of the rotational friction damper developed by Dr. Mualla from DAMPTECH, Denmark was introduced. The rotational friction damper has advantage of simplicity for both its construction and installation. The rotational friction damper has a wide-range of application. It can be applied to the structural seismic protection, wind resistance and other structural vibration control, all with very proven results. The damper’s capability for energy dissipation has been extensively tested and studied in various leading laboratories and the technology is widely adopted in some countries with high earthquake-occurrences, e.g. Japan, India and Greece. Both the experiments and real-life projects show a very position result for the technology. Keywords： rotational friction damper; energy dissipation and seismic system; base isolation system 0 前言 结构设计中使用阻尼器的目的主要是帮助结构耗散地震输入能量,节省造价,保护结构和非结构在震动中的安全，避免破坏。 本文将主要介绍丹麦DAMPTECH公司Mualla博士发明的一种新型转动摩擦阻尼器，这种阻尼器可用于结构的抗震、抗风和其他振动控制。目前，该设备已在世界范围内大量测试和应用，通过这些广泛的测试研究和工程应用表明，转动摩擦阻尼器具有很好的耗能能力。 这种阻尼器通过了丹麦科技大学和日本Takenaka公司研究中心的测试。从测试和有限元分析软件数值模拟得到的比较结果显示，两种情况下阻尼器性能表现拟合效果非常好。 结构抗震计算分析研究表明，结构整体地震反应受一些自身振动特征值影响较大，如阻尼比、场地类别、抗侧刚度和结构基本周期等。改善结构阻尼属性可以通过各类阻尼设备实现，这些阻尼器主要通过消能减震和基础隔震方式加入到结构中。摩擦阻尼器可以高效提高结构阻尼比从而改善结构的动力反应。 这种摩擦阻尼器从制作到安装都很简单。由于选材特殊，减震效果明显，经济性很高，如出现意外情况造成阻尼器损坏，还可以进行非常简单的更换和调整。 1 摩擦阻尼器应用方法简介 由于结构自身的阻尼比较小，因此在地震设防烈度较高的地区建造建筑时，为了减小结构和构件的受力和变形，可考虑额外加设耗能系统。在结构中使用转动摩擦概念的阻尼器是一个不错的选择。 安装这种阻尼器最常采用V形支架的方式，这种方式可以使阻尼器高效地耗散地震能量。本文将详细讨论摩擦阻尼器在这种安装系统中的应用。 这种阻尼器还可以应用在隔震系统中。隔震系统中选用阻尼器的目的在于通过减小地震力和变形保护结构整体性和防止结构的损坏[1]。几种典型的隔震系统类型已经被提出和研究[2，3]。随着世界各地不同国家采用隔震系统项目数量的不断增加，隔震系统已经多次证明了它的价值。很多隔震系统选用了摩擦阻尼器作为阻尼部分，因为这种设备的成本较低，但耗能能力强，控制效果好，而且安装和维护都很简单。一些摩擦设备已经通过了测试[4，

5]，其中一些摩擦阻尼器已经在世界各地的建筑物

中使用。另外，基础隔震系统也经常采用粘弹性阻尼器[6]。 本文还将提出几种新的阻尼系统的应用模式。 第 2 页 共 4 页

2 转动摩擦阻尼器的工作机制 摩擦阻尼器（RFD）是基于旋转摩擦概念的阻尼器，见图1。这种设备由几个钢板（长板和横板）和钢板间节点处放置的碟状摩擦片组成。通过高强螺栓、蝶形弹簧、垫圈组件及压力分配板对钢板施加压力。阻尼器在中位（零变形）时，短向板同长向板相垂直，当阻尼器受到动力荷载作用时，短向板开始以螺栓为中心转动，阻尼器将产生延长或缩短的单向变化效果，节点处的相对转动将产生钢板与摩擦材料之间的滑动摩擦，从而实现机械能向热能的转化，并将热量释放掉。 图1 摩擦阻尼器 图2阻尼器以V形支架方式安置在结构中 当一个框架结构受到很大的侧向外力时，结构顶部将在该力作用下出现水平位移。此时在支架系统的传递作用下，在钢板表面和摩擦片材料之间产生摩擦阻尼力阻碍结构的水平运动。当结构向左侧发生位移时，左侧的阻尼器将会变长、右侧的阻尼器将会缩短，但两侧阻尼器均可以耗散能量。同理，当结构发生向右的位移时，右侧的阻尼器变长、左侧的阻尼器缩短，两个阻尼器也都可以耗散能量。在真实的地震中，框架结构将会类似于图2的变化反复向左向右不断变化，因此阻尼器可以通过不断变长变短进行能量耗散。 图3日本最高建筑阿部野桥大厦中安装的转动摩擦阻尼器 这种摩擦阻尼器的组件非常简单，很容易组装，并且设置很灵活。如图3所示，这是一个很典型的例子，采用2个4节点的阻尼器用于代替8节点的阻尼器起到同样的减震效果，但阻尼器出力减小了一半。以转动摩擦概念为基础的阻尼器可以随意以各种方式设置在各种类型的支撑体系中。图3展示了这种阻尼器成功的安装在日本最高的建筑中。另外还有几种不同模式的阻尼器安装在希腊的一些建筑中，详见图4~6。

图4希腊某新建混凝土建筑中安装的转动摩擦阻尼器 图5 希腊某现有混凝土结构增加2层钢结构

图6 希腊某工业新建建筑中安置摩擦阻尼器 3 板式阻尼器 另外一种模式的摩擦阻尼器为板式阻尼器，见图7，8。这种阻尼器可以有效地应用到一些不适宜 第 3 页 共 4 页

加设支撑的结构中。它可以用于加固现有的结构中，因为它很容易安装（拼装完全在工厂进行），并且阻尼器还可以很好地通过装饰隐藏在室内。 刚性剪力墙通常可为结构提供很大的侧向刚度，但是使用剪力墙的缺点是缩短了结构的自振周期，放大地震反应，特别是造成一些较高楼层发生较为严重的损坏。因此，建议选用阻尼器增加结构的阻尼比更为合理。

图7 测试过程中的板式阻尼器 图8板式阻尼器安装效果图 4 基础隔震中的摩擦阻尼器 图9 日本某隔震项目的阻尼器安装完毕 基础隔震是技术要求较高的结构保护系统技术之一，通过隔震垫和阻尼器将上部结构同基础隔离，由于隔震部分侧向刚度很小，在地震水平作用下，隔震部件将通过自身的变形进行耗能，达到上部结构几乎只做简单平动。日本很多隔震系统选用了摩擦阻尼器作为阻尼部分，如某7层和9层的工业建筑，见图10。更值得关注的是，摩擦阻尼器隔震系统还安装在40层的塔楼结构中，见图11。 图10选用摩擦阻尼隔震系统的工业建筑 图11 3个选用摩擦阻尼隔震系统的40层塔楼 5 阻尼器测试 一个大型摩擦阻尼器在丹麦科技大学实验室进行了测试。这次测试分别设定了不同频率和位移幅值的荷载工况。测试结果表明，多次循环周期之后阻尼器的性能表现稳定。如图12所示，荷载频率0.5Hz，荷载往复次数100，位移幅值±25mm运动过程阻尼器的性能表现。之所以获得如此好的测试效果，这是同在钢板间摩擦铰点处采用了特殊的摩擦材料垫片决定的[7-9]。

图12阻尼器测试结果 另一个摩擦阻尼器工程测试案例是日本某5层新建钢筋混凝土结构的实验室（图13），摩擦阻尼器实现了的预期性能要求。除了进行这些测试之外 第 4 页 共 4 页

还进行了缩尺模型的不同温度下阻尼器的温度稳定性测试。

图13日本某隔震项目的阻尼器现场测试 6 结语 本文介绍和讨论了基于转动摩擦为基础的阻尼系统。这种系统对于帮助结构控制强风和地震引起的振动都是十分有效的。通过测试结果已经表明纯摩擦类型的阻尼器具有很好的性能表现。通过计算机模拟阻尼器和利用有限元软件分析也表明了这种阻尼系统的有效性。 这种设备很容易加工和设置到结构中。由于选材合理，它还是一个经济性强的设备。如果意外事件造成损坏，还可以进行很简单的替换，这点是其他阻尼器很难做到的。并且这种阻尼器加工完成后还可以调整出力大小，这更是其他类型阻尼器不可能实现的。 目前，已经有很多DAMPTECH公司的阻尼系统安装在日本、希腊、印度和丹麦的建筑中。 参考文献 [1]HOUSNER G W, BREGMAN L A, CAUGHEY T K, et al. Structural control: Past, present and future[J]. Journal of Engineering Mechanics，1997，123(9): 897-971. [2]CHOPRA A K.. Dynamics of Structures[M]. USA: Prentice-Hall, 1995. [3]SKINNER R I, ROBINSON W H, MCVERRY G H. An introduction to seismic isolation[M]. England: John Wiley & Sons, 1993. [4]AIKEN I D, KELLY J M. Earthquake simulator testing and analytical studies of two energy-absorbing systems for multistory structures[R]. Report No. UCB/EERC-90-03, University of California, Berkeley, 1990. [5]CONSTANTINOU M C, REINHORN A M, MOKHA A S, et al. Displacement control device for base-isolated bridges[J]. Earthquake Spectra 1991,7(2):179-200. [6]KELLY J M. The role of damping in seismic isolation[J]. Earthquake Engng. Struct. Dyn., 1999,28:3-20. [7]MUALLA I H. Experimental evaluation of a new friction damper device[C]//12th World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, New Zealand,2000. [8]MUALLA I H. Parameters influencing the behavior of a new friction damper device[C]//SPIE’s 7th International Symposium on Smart Structures & Materials, SS2000, CA, USA, 2000. [9]MUALLA I H, NIELSEN L O, BELEV B, et al. Performance of friction-damped frame structure: shaking table testing and numerical simulations[C]//7th U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Boston, USA, 2002.