引言

由于目前传统的摩擦阻尼器通常无法满足结构在地震后因的残余变形带来破坏的工作要求，从而造成结构在震后的恢复功能受到影响。因此，相关研究人员在传统阻尼器的基础上提出了阻尼器具备“自复位功能”的理念，对阻尼器的研究也提出了耗能和减小残余变形的要求。

Dolce等根据SMA的材料属性提出了一种具有自复位功能的装置，并通过了对SMA被动地震控制装置的测试,验证了SMA具有良好的耗能能力。Osman等将改进型可变摩擦机制与SMA材料融合，开发出一种新型复合阻尼器，实验表明该装置可有效降低结构地震响应能量达49%，并显著抑制残余变形。

张振华等设计了一种具有变形放大功能的SMA摩擦阻尼器，由可调摩擦耗能单元与SMA自定心模块构成；其中自定心部分通过主拉杆带动侧向支杆摆动，使SMA丝材被牵拉伸长，充分发挥其恢复力性能。杜永峰等研发了一种基于齿轮机构的SMA摩擦阻尼器，该阻尼器利用齿轮机构对SMA丝材进行非比例拉伸，试验后减震效果显著，自复位能力提升明显。

近些年以来，相关研究人员也在继续探究SMA摩擦阻尼器的应用。邱灿星等首次采用SMA螺栓,并将加入SMA螺栓的SMA滑动摩擦阻尼器(SMA-S FD)置于摇摆柱组成一种新型自复位摇摆柱，通过试验发现该阻尼器为摇摆柱提供良好的消能能力,使摇摆柱具有比单柱更稳定的抗侧移能力。卜娜蕊等则结合SMA螺杆与螺旋压缩弹簧等组件，提出一种复合式自复位耗能装置。该阻尼器通过SMA螺杆与弹簧协同作用实现复位功能，在拉伸过程中展现出良好的力学稳定性与较高的残余变形恢复率。经实验验证，其具有优异的自复位性能，适用于钢框架结构中的抗震加固与振动控制。综上所述，根据现有的国内外研究成果，本文提出了一种新型自复位SMA螺栓滑动摩擦阻尼器。将在有限元软件Abaqus中对其进行三维建模并且进行数值模拟和参数分析。

1 SMA螺栓滑动磨擦板

基本构造

本研究提出的SMA螺栓滑动磨擦阻尼器是通过SMA螺栓穿过中间的夹板、上下部分的盖板以及垫块，并且在两端由螺母固定连接组成，该阻尼器的基本细节如图1所示。在图1中，整体的磨擦板中设有4排SMA螺栓每排3个共计12个SMA螺栓，左右两侧的夹板和上下部分的盖板均为相同尺寸。除SMA螺栓以外，其余构件材料均为钢材，当对磨擦板摩擦力有额外需求时可采用其他材质或者对其表面做额外处理。在实际应用中，可根据需求确定磨擦板的尺寸和SMA螺栓的数量。

变形模式

当SMA磨擦板受到轴力的作用时，主要变形区域在夹板与上下盖板的接触部位。当摩擦板承受拉力或压力作用时，两侧的夹板会相对于上、下盖板沿轴向发生外移或内缩。由于夹板与盖板之间设有斜面结构，在相对运动过程中，斜面相互挤压，推动上下盖板彼此分离，从而增大其间距，同时迫使SMA螺栓被拉伸变形。随着SMA螺栓伸长，其产生的恢复力在斜面接触区域形成垂直于接触面的正压力，进而在界面上诱导出摩擦阻力。只有当外部荷载足以克服该摩擦力阈值时，夹板与上下盖板之间才会发生滑动，实现能量耗散。卸载后，得益于SMA材料的超弹性特性，螺栓逐渐回缩，释放应变能，驱动整个装置自动复位至初始状态，展现出良好的自复位性能。SMA磨擦板自复位的能力主要由SMA螺栓的材料特性和夹板与上下盖板之间的斜面摩擦提供。

2 数值模拟

通过利用有限元软件Abaqus建立SMA螺栓滑动磨擦阻尼器有限元模型。其中盖板尺寸为200mmX450mm、最薄处厚度为20mm、最厚处厚度为27mm、斜面的倾斜角度正切值为tanθ=7/30；夹板尺寸为200mmX310mm、最薄处厚度为20mm、最厚处厚度为27mm、斜面的倾斜角度正切值为tanθ=7/30；SMA螺栓长度为180mm，直径为20mm,其中削弱段长度为100mm，直径为16mm,过渡段长度为10mm。在参数分析中，SMA螺栓滑动摩擦阻尼器具体尺寸会有所改变。除SMA螺栓以外，其余所有构件均采用钢材制作，材料本构关系按理想弹塑性模型考虑。设定其屈服强度为345MPa,弹性模量E取206GPa，泊松比为0.3。在应力-应变关系中，屈服前表现为线弹性，达到屈服点后应力保持不变，进入完全塑性阶段，不考虑材料强化效应。该简化模型广泛应用于结构非线性分析中，能够有效反映钢材的基本力学行为。SMA螺栓的材料属性取值如表1所示。

正相变应力/MPa		逆相变应力/MPa		奥氏体模量/GPa	马氏体模量/GPa	相变应变%	奥氏体泊松比	马氏体泊松比
初始	结束	初始	结束
380	490	220	120	50	45	5	0.33	0.33

SMA滑动摩擦阻尼器的夹板、盖板、SMA螺栓、螺母及垫块均采用实体单元C3D8R建模。为了简化计算，SMA螺栓与螺母之间的接触采用“绑定”约束。在有限元建模中，上下盖板与夹板之间的相互作用采用“面-面接触”方式进行模拟。法向行为定义为“硬接触”，即不允许发生穿透，确保力传递的准确性；切向摩擦行为则通过“罚函数法”（Penalty method）进行处理，以更稳定地模拟相对滑移过程中的摩擦效应。其余部件间的接触界面统一设定摩擦系数为0.15。所有关键构件，包括SMA螺栓、夹板、上下盖板、螺母及垫块，均采用3mm的网格尺寸进行离散化划分，以兼顾计算精度与求解效率。

对SMA螺栓滑动磨擦阻尼板施加循环拉伸位移，位移幅值范围对应削弱段的1%~5%应变，SMA磨擦板一侧采用完全固定约束，另一端施加轴向循环拉伸位移，拉伸循环位移加载行为如图2所示。

3 参数分析

摩擦系数

为了探究斜面的摩擦系数对SMA滑动摩擦阻尼器的影响，通过建立3组仅斜面摩擦系数不同的模型进行数据分析，其摩擦系数分别为0.05、0.15、0.25，分别命名为mc-1～mc-3。

参数模型其他的设置：SMA螺栓滑动磨擦阻尼器装置的SMA螺栓预紧力设置为24KN、上下盖板与夹板的斜面坡度正切值tanθ设置为0.23，开展往复循环位移试验，所得的骨架曲线、刚度退化曲线、累积耗能曲线以及等效粘滞阻尼系数曲线如图3所示。表2列出了mc-1～mc-3模型的设计参数与模拟结果。由图3和表2可知：各个mc模型的骨架曲线整体基本呈现为“S”形，并且随着摩擦系数的增大，阻尼器所提供的最大荷载呈现递增的趋势，但是达到峰值后出现轻微的下降；当发生最大位移时，模型mc-1～mc-3的割线刚度分别是3261N/mm、4396 N/mm和6417 N/mm，等效粘滞阻尼系数分别是17.4%、22.3%和26.8%。随着摩擦系数的增大，等效粘滞阻尼系数和最大单圈耗能均呈现上升的趋势，这代表着阻尼器的耗能能力在逐步提升。因此，该阻尼器具有较高的承载力、良好的自复位功能和较高的刚度。

编号	设计参数			性能参数
	tanθ	摩擦系数	预紧力/KN	荷载/KN	位移/mm		割线刚度/(N/mm)	单圈耗能/J	等效粘滞阻尼系数/(%)
Mc1	0.23	0.05	24	63.6		19.5	3261	1622.1	17.4
Mc2	0.23	0.15	24	95.4		21.7	4396	2495.5	22.3
Mc3	0.23	0.25	24	143.1		22.3	6417	3564.3	26.8

斜面角度正切值

为了探究斜面角度正切值对SMA滑动摩擦阻尼器的影响，通过建立3组仅斜面角度正切值不同的模型进行数据分析，其斜面角度正切值tanθ分别为0.17、0.23、0.3，分别命名为tanθ-1～tanθ-3。

参数模型其他的设置：SMA滑动摩擦阻尼器装置的SMA螺栓预紧力设置为24KN、上下盖板与夹板的斜面摩擦系数设置为0.15，开展往复循环位移试验，各模型的结果曲线如图4所示。表3列出了tanθ-1～tanθ-3模型的设计参数与模拟结果。由图4和表3可知：随着斜面角度正切值的增大，tanθ-3的最大输出力大于tanθ-1和tanθ-2总体呈现递增的趋势，而tanθ-1具有最大的变形能力，这是由于改变正切值导致阻尼器的构件尺寸发生变化，使得SMA螺栓进入强化阶段。所以，该阻尼器斜面倾角正切值对阻尼器性能的影响分析，以SMA螺栓削弱区域的应变水平作为控制指标，用于评估其力学响应的变化规律。tanθ-1～tanθ-3的割线刚度分别是2474 N/mm、4396 N/mm和7980N/mm。在阻尼器位移相同时，tanθ-3的最大输出力、最大单圈耗能和等效粘滞阻尼比均优于tanθ-2和tanθ-1。因此，增大SMA螺栓滑动摩擦阻尼器斜面倾角正切值时，能够增强该阻尼器的荷载，提高该阻尼器的割线刚度以及提升了该阻尼器的耗能能力，但是也对该阻尼器的位移变形情况产生了影响。

编号	设计参数			性能参数
	tanθ	摩擦系数	预紧力/KN	荷载/KN	位移/mm	割线刚度/(N/mm)	单圈耗能/J	等效粘滞阻尼系数/(%)
tanθ1	0.17	0.15	24	71.5	28.9	2474	2869.7	23.5
tanθ2	0.23	0.15	24	95.4	21.7	4396	2495.5	22.3
tanθ3	0.3	0.15	24	119.3	14.5	7980	2138.4	21.1

SMA螺栓预紧力

为了探究SMA螺栓预紧力对SMA滑动摩擦阻尼器的影响，通过建立3组仅SMA螺栓预紧力不同的模型进行数据分析。同时为了确保SMA滑动摩擦阻尼器的自复位能力或确保初始刚度较大，根据相关研究，SMA螺栓预紧力不宜超过65%f_Ms。对此SMA螺栓预紧力分别取值18kN(20%)、24kN(40%)、36kN(60%)，以系统考察预紧力对阻尼器力学行为的影响。同时，分别命名为yj-1～yj-3。

参数模型其他的设置：上下盖板与夹板的斜面坡度正切值tanθ设置为0.23，上下盖板与夹板的斜面摩擦系数设置为0.15，开展往复循环位移试验，各模型的结果曲线如图5所示。表4列出了yj-1～yj-3模型的设计参数与模拟结果。由图5和表4可知：随着预紧力的增加，阻尼器的最大荷载和耗能能力会有所提升，但影响很小。模型yj-1至yj-3的最大位移分别为22.8mm、21.7mm和20.4mm，呈现出随预紧力增大而变形能力下降的趋势。其主要原因在于，提高SMA螺栓的预紧力会使其在初始阶段即产生较大的拉伸应变，从而消耗了部分可变形余量，限制了后续加载中的进一步伸长能力，最终导致整体位移容量减小。当该阻尼器处于最大位移时，yj-1～yj-3的割线刚度分别是4184N/mm、4396 N/mm和4676 N/mm，等效粘滞阻尼系数分别是21.8%、22.3%和22.5%。因此可知，增大SMA螺栓预紧力对该阻尼器强度、荷载的提升和耗能能力的影响有限。

编号	设计参数			性能参数
	tanθ	摩擦系数	预紧力/KN	荷载/KN	位移/mm	割线刚度/(N/mm)	单圈耗能/J	等效粘滞阻尼系数/(%)
yj1	0.23	0.15	18	91.8	22.8	4184	2269.4	21.8
yj2	0.23	0.15	24	95.4	21.7	4396	2495.5	22.3
yj3	0.23	0.15	36	101.3	20.4	4676	2635.8	22.5

4结论

本文通过建立了一种新型SMA螺栓滑动摩擦阻尼器的有限元模型，进过数值模拟分析表明：该阻尼器具有良好的耗能能力、较高的刚度和自复位特性。

研究了关于SMA螺栓滑动摩擦阻尼器摩擦系数、斜面角度正切值和SMA螺栓预紧力对阻尼器的性能影响规律。参数结果表明，增大SMA螺栓滑动摩擦阻尼器斜面接触面的摩擦系数时，可以显著提高阻尼器的强度、最大输出力和耗能能力；增大SMA螺栓滑动摩擦阻尼器斜面倾角正切值时，能够增强该阻尼器的荷载，提高该阻尼器的割线刚度以及提升该阻尼器的耗能能力，但是也对该阻尼器的位移变形情况产生了影响；增大SMA螺栓滑动摩擦阻尼器SMA螺栓预紧力时，对阻尼器最大输出力和耗能能力影响有限，并且降低了阻尼器的变形能力。

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