SMA摩擦型阻尼器的研究進展

張翔宇，胡方琪 （內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

1 引言

如何有效地預防自然災害的侵襲、減少地震等自然災害對地上建筑所造成的破壞，一直都是現代土木行業關注的重點問題[1]。我國因特殊的地理位置與復雜的地質構造，特別容易遭受地震災害的侵襲[2-3]。因此我國對建筑抗震設計的要求越來越嚴格，對結構的消能減震能力也越來越重視。

在以往，我國建筑工程的抗震設計主要是以抗震“延性”設計為主，隨著科技的進步，抗震設計理念正逐漸由“延性”理念轉向“韌性”理念[4-5]。目前，我國已有多種技術手段可以實現結構抗震“韌性”設計理念的應用[6]。近年來，為了進一步加強結構抗震“韌性”設計理念與實際抗震工程的融合應用，我國土木工程在結構抗震的研究方向正逐步趨向于智能金屬材料與建筑結構體系的融合研究，其中形狀記憶合金（Shape Memory Alloys，SMA）作為一種新型的智能功能型材料，因其具有的形狀記憶效應（SME）和超彈性效應（SE）等特性，在消能減震、結構加固、裂縫修復等方面具有良好的應用效果。特別在消能減震技術領域中，SMA 自復位阻尼器的研究對整體結構的抗震“韌性”能力的提升具有重要作用[7]。此外，該技術與結構抗震領域的抗震“韌性”設計理念的發展方向相符合，在未來具有巨大的潛力。

2 SMA發展歷史與材料特性

2.1 SMA發展歷史

1932 年形狀記憶合金（SMA）首次被Arne Olander[8]發現，隨后經過科學家們多年的研究，于1941 年Vernon 首次提出“形狀記憶”這一概念名詞。此后，SMA 受到了越來越多的科學家的關注，并通過研究發現SMA 的“形狀記憶”這一特殊的冶金特性是由于可逆馬氏體相變引起的。在經過近8 年的研究后，終于在1949 年，Kurdjumov 和Khandros[9]在研究Cu-Zn 合金的可逆馬氏體試驗中提出了熱彈性馬氏體相變概念，進而解釋了馬氏體可逆相變的原理。又經歷近20 年的研究后，在1963 年William Buehler 和Frederick Wang[10]在鎳鈦（Ni-Ti）合金中發現了形狀記憶效應（SME）。至此，形狀記憶合金開始得到廣泛地應用。

2.2 SMA材料特性介紹

SMA 是一種可以自動或通過激勵進行應變恢復的獨特金屬材料，1998 年Otsuka 和Wayman[11]對其微觀結構和晶體學進行研究，發現該材料主要有馬氏體和奧氏體兩種相變，并且具有三種不同的晶體結構，分別為孿晶馬氏體、非孿晶馬氏體和奧氏體。從奧氏體到馬氏體的相變稱為正向相變，從馬氏體到奧氏體的相變稱為反向相變。有四個與轉變過程相關的特征溫度，即馬氏體相變開始溫度Ms、馬氏體相變結束溫度Mf、奧氏體相變開始溫度As和奧氏體相變結束溫度Af，如圖1所示[12]。

圖1 形狀記憶合金的相變與晶體結構

SMA 有兩個顯著的特征分別為形狀記憶效應（Shape Memory Effect）和超彈性效應（Superelas-ticity）。SMA所具有的形狀記憶效應主要是指材料在低溫或受到應力作用時，經受塑性變形，在溫度升高或應力降低時，材料可以恢復原來的形狀[13]，其應力應變圖如圖2所示。

圖2[12] SMA材料的形狀記憶效應和超彈性

2.2.1 形狀記憶效應（SME）

形狀記憶效應又可分為單程記憶效應、雙程記憶效應和全程記憶效應。單程記憶效應指的是在低溫相馬氏體相下變形，在加熱后，恢復到高溫相奧氏體相時的形狀；雙程記憶效應是指加熱后恢復至高溫相奧氏體相形狀，冷卻又恢復至低溫相馬氏體相；全程記憶效應則是指加熱恢復至高溫相奧氏體相，冷卻后變為形狀相同但取向相反的低溫相馬氏體相形狀。

2.2.2 超彈性（SE）

當溫度超過奧氏體相變結束溫度（Af）時，SMA 材料產生非彈性應變，材料通過從奧氏體轉變為非孿晶馬氏體來適應應變。由于其內部仍存在可以使材料恢復原始形狀的收縮力或恢復力，因此在卸載時即使不加熱，卸載后也可自動恢復8%～10%的應變，這種現象被稱為形狀記憶合金的超彈性效應[14-15]。

3 SMA摩擦阻尼器研究進展

我國的消能減震技術以增強結構抗震“韌性”為主導，大力發展自復位阻尼器的相關研究。形狀記憶合金（SMA）因其超彈性，在消能減震技術方面主要應用于自復位阻尼器的研發，從而克服傳統阻尼器不具有自復位能力和殘余應變過大等缺點。

傳統的阻尼器產生的滯回曲線是較為“飽滿”的，其產生的殘余應變較小，而自復位阻尼器產生的“旗幟”型滯回曲線[16]，其產生的殘余應變在外力為零時相較于傳統阻尼器更小。結構的殘余應變是評估結構可修復性的一個重要指標，因此自復位阻尼器在降低殘余應變方面更為突出，更加有助于災后對結構的修復工作。

1991 年，Graesser 等[17]最早提出了利用SMA 材料制作阻尼器的想法，自此之后SMA 相關阻尼耗能裝置的研發開始在國內外陸續開展?；赟MA 在減緩地震反應和震后殘余變形方面的有效性已經被許多研究證實[18-20]，下面將分別介紹SMA 在各種類型阻尼器上的應用與研究。

在常規的消能減震技術中，摩擦阻尼器是運用摩擦阻尼原理進行耗散地震能量的減震裝置[21-22]，因其構造簡單、性能穩定等優點，被廣泛應用和研究[23]。然而傳統的摩擦阻尼器存在無法實現自復位功能和殘余位移較大等缺點，很容易在災后徹底失去減震功能，不利于災后結構的穩定和安全性[24]。但SMA 摩擦阻尼器相較于傳統摩擦阻尼器在自復位能力和災后結構功能快速恢復等方面具有明顯的優勢。

2000 年，Dolce 等[25]根據SMA 的超彈性提出了一種具有自復位特性的SMA 阻尼器，并通過對SMA 被動地震控制裝置的測試，驗證了SMA 絲材具有良好的耗能能力。薛素鐸等[26]利用SMA 的超彈性，設計出一種新型SMA摩擦阻尼器，如圖3 所示，并通過對比研究其力-位移滯回曲線，發現SMA 絲材具有飽滿的梭形滯回曲線[27]。試驗結果發現SMA 可以使阻尼器對地震能量的耗散能力得到顯著提升。

圖3 阻尼器構造示意圖

有研究發現傳統的摩擦阻尼器不能調節起滑力的大小，若按小震確定，則大震時難以保證結構的穩定性，若按大震確定，在中小震時，阻尼器可能無法參與耗能，只增加結構剛度。而在大、小震中均能發揮耗能作用的變摩擦阻尼器可以很好地解決這個問題。為解決這個問題，Osman 等[28]將改進的可變摩擦阻尼器與SMA 材料相結合，研發的一種新型SMA 可變摩擦阻尼器，如圖4 所示。試驗結果發現該阻尼器可以有效使結構受到地震作用時輸入能量減少49%，結構產生的殘余變形得到明顯的減少。此外，可變摩擦阻尼器本身相較于傳統摩擦阻尼器擁有調節阻尼力的特點，可以適用更多的情況和條件，該阻尼器也為SMA 自復位阻尼器的研制提供了新的思路。

圖4 SMA變摩擦阻尼器構造圖

SMA 自復位阻尼器的性能測試已有大量的研究，但對其在具體結構中的減震分析仍是較少。因此，在Morelli F等[29]發現自定心滯回阻尼器對鋼結構具有顯著的減震效果之后。張振華等[30]研發了一種新型變形放大型SMA 摩擦阻尼器，如圖5 所示，該阻尼器由變摩擦阻尼裝置和SMA 自定心裝置組成。自定心裝置的作用機理是通過主動桿的牽拉使得兩側副桿產生擺動，從而達到SMA絲材受拉并發揮其超彈性等性能的目的。研究團隊對該摩擦阻尼器進行試驗，分析對結構震后的殘余變形的影響。試驗結果發現SMA 摩擦阻尼器對鋼筋混凝土框架結構的地震反應具有明顯的控制效果，對降低結構的殘余變形有顯著的效果。

圖5 阻尼器3D圖

此外，為了避免自復位阻尼器的工作機制過于單一，2021 年杜永峰等[31]研發了一種基于齒輪機構的SMA 摩擦阻尼器，其構造如圖6 所示。該阻尼器利用齒輪機構對SMA 絲材進行非比例拉伸，試驗后減震效果顯著，自復位能力明顯。

圖6 SMA摩擦阻尼器構造圖

隨著研究的不斷深入，科學家們漸漸發現SMA 彈簧相較于絲材可以提供更大的承載力和更好的耗能能力，在消能減震領域具有十分廣闊的潛力[32]。因此戢廣禹等[33]研發了一種SMA 彈簧摩擦阻尼器（SFD），如圖7 所示。通過研究其滯回曲線，發現SMA 彈簧具有較大的承載力和較好的耗能能力，并且可以提供飽滿的滯回曲線以及給與摩擦阻尼器一定的限位能力和自復位功能。

圖7 SFD構造圖

對SMA 自復位摩擦阻尼器的研究不能局限于單一的性能測試與工程分析，在消能減震方面的綜合能力研究也是一個關鍵性的問題。為此，2022 年李星志等[34]依據“多種耗能機制共同耗能”的理論，研發出一種結合SMA 超彈性和摩擦阻尼器高耗能特性的新型SMA 摩擦復合阻尼器（SFCD），如圖8 所示。通過試驗發現SFCD 對殘余位移的整體控制較好，相較于傳統摩擦阻尼器，具有更穩定的滯回性能和更有優越的耗能性能。

圖8 SFCD構造圖

為了繼續深入探究SMA 摩擦阻尼器在工程結構中的減震效果，邱燦星等[35]首次采用SMA 螺栓，并將加入SMA 螺栓的SMA 滑動摩擦阻尼器（SMA-SFD）置于搖擺柱組成一種新型自復位搖擺柱，進行擬靜力試驗，其構造如圖9 所示。通過試驗發現該阻尼器為搖擺柱提供良好的消能能力，使搖擺柱具有比單柱更穩定的抗側移能力。由此可見，SMA 摩擦阻尼器放在實際工程結構中可以提供顯著的消能能力，并且具有良好的穩定性與耐久性。

圖9 SMA-SFD構造圖

4 結論與展望

SMA 摩擦型阻尼器是當今消能減震技術的熱點之一，其相較于傳統阻尼器，擁有自復位、高阻尼等特性，還可以保證阻尼器本身在經歷地震之后，仍具備良好的消能減震能力。此外，多項研究表明，加入SMA 的阻尼器的滯回曲線更為飽滿，性能更加穩定，在大荷載作用時依然可以發揮其耗能能力，維持主體結構的安全與穩定。SMA 自復位阻尼器的研究在消能減震領域已經取得一定的突破和進展，但仍有以下問題亟待解決。

①當前SMA 自復位阻尼器的研究成果較為豐富，但應用于實際工程當中的大多還是以傳統阻尼器為主。SMA自復位阻尼器的研究大多還是停留在性能測試和抗震模擬分析，在具體的設計和安裝方法以及實際應用上仍較為缺乏。在日后的研究中，應著重研究SMA自復位阻尼器在實際工作中的耗能能力和工作方式是否達到預期標準以及是否適應不同的工況等問題。

②形狀記憶合金材料種類較多，目前SMA 自復位阻尼器使用較多的是鎳鈦基（Ni-Ti）形狀記憶合金，但是價格較為昂貴。鐵基（Fe）和銅基（Cu）形狀記憶合金的價格較便宜，但性能一般。SMA 作為擁有形狀記憶、超彈性和高阻尼特性的特殊智能材料，希望在材料方面能有進一步的突破，研制出價格便宜、性能優越的阻尼材料。

③大多數自復位阻尼器主要起到類似防屈曲支撐的耗能作用，很少有在節點處的轉動型自復位阻尼器的研究，在地震作用下，結構的節點位置的抗震性能往往決定了整個結構的抗震性能。因此，應加強對節點處轉動型SMA 自復位阻尼器的開發與研究。

④SMA 阻尼器的性能仍存在提升空間，應在日后的研究中對其構造、材料和耗能機理等方面進行改進，使其具有更優質的性能，可以應對多種復雜的實際工況。