结构耗能减振技术是在结构物的某些部位设置耗能装置，通过耗能装置产生的摩擦、弯曲、弹塑性等滞回变形来耗散地震等作用输入到结构物中的能量，以减小主体结构的反应，避免结构产生破坏或倒塌，从而达到结构减振控制的目的^[1]。按耗能装置的耗能机制可分为摩擦耗能器、弹塑性耗能器、粘弹性耗能器、黏滞耗能器和电(磁)感应式耗能器。摩擦耗能器是一种性能良好的减振装置，其具有良好的库伦特性，耗能明显，可提供较大的附加阻尼，力学性能稳定，广受抗震行业的关注^[2,3,4,5]。摩擦耗能器利用两个接触物体发生相对位移时在接触面上产生的与滑移方向相反的摩擦力将建筑物的振动能量转化为热能吸收以耗散输入到建筑物中的能量^[6,7]，此外摩擦耗能器在启动后发生相对滑移，使得结构自振周期得以延长，避免共振效应的发生^[8]。

　　 以“构造简单，成本低廉，性能可调节”为指导思想，课题组提出了一种新型钢管橡胶摩擦耗能器，并进行了相关试验研究，得到其在不同工作状态下的性能参数。该耗能器构造简单，受力机制明确，耗能能力强，并可以根据需要调节达到不同的位移行程。同时，钢管橡胶摩擦耗能器利用普通钢管、天然橡胶和碟形弹簧作为主体材料，成本低廉，易于工业化生产。

　　 钢管橡胶摩擦耗能器是一种新型摩擦耗能器，其剖面图如图1所示，耗能器的左连接板与直径较大的外摩擦管一端焊接，外摩擦管另一端自由，左连接板上设有用于施加螺栓扭矩的圆孔，外摩擦管内设置有摩擦耗能体，摩擦耗能体是由预紧螺栓穿过加压钢块、碟形弹簧及摩擦橡胶块并通过预紧螺栓产生的预紧力形成的一个整体，其中摩擦橡胶块与加压钢块在加工时共同硫化成为一个整体，摩擦耗能体与直径较小的内支撑管一端固定连接，内支撑管的另一端与耗能器的右连接板焊接。

　　 钢管橡胶摩擦耗能器利用预紧螺栓产生的轴向预紧力挤压摩擦橡胶块，使得摩擦橡胶块产生径向膨胀，从而挤压外摩擦管内管壁;当地震来临时，结构层间相对变形转化为摩擦耗能体和外摩擦管间的相对运动，通过滑动摩擦耗能机制耗散地震能量。

　　 试验在昆明理工大学呈贡校区云南省工程抗震研究所完成。试验采用拟动力(阻尼器)性能试验系统进行加载，加载方式采用位移控制。试验加载时，摩擦耗能器通过其左、右连接板由螺栓水平固定于试验机，其中右连接板与试验机作动头连接，加载装置照片如图2所示。

　　 除碟形弹簧、预紧螺栓外，耗能器各主要部件均呈圆筒形，其主要部件参数如表1所示。

　　 为了尽可能还原摩擦耗能器在地震作用下的受力过程^[9]，研究了钢管橡胶摩擦耗能器在不同螺栓扭矩、不同加载速率、不同位移幅值以及连续疲劳加载下的滞回性能。

　　 表2给出了耗能器在5种加载工况(工况G1～G5)下的加载方案。设计参数为螺栓扭矩、加载速率和加载位移幅值。采用的3种加载制度如图3所示。由图3可知，加载制度一为保持位移幅值150mm不变，循环3圈;加载制度二为每循环3圈改变一次位移幅值;加载制度三为保持位移幅值为100mm不变，循环30圈。

　　 耗能器的累积加载行程如表3所示(加载序号与表2中的加载方案对应，例如工况G1对应加载序号1～3)，试验结果如图4所示(当耗能器受压时，摩擦力为正值)。在试验过程中，每一次加载前和加载后均使用手持红外测温仪测量了外摩擦管外壁的温度，结果如图4(f)所示(横坐标轴的加载序号与表3中加载序号一致)。

　　 工况G1下，耗能器摩擦力随着螺栓扭矩的增大而增大，在60,80,100N·m螺栓扭矩下，平均摩擦力比值约为1∶1.25∶1.50，平均摩擦力比值小于扭矩比值，这是由于摩擦橡胶块的累积磨损造成的;在此工况完成后，在外摩擦管内发现少量剥落的橡胶碎屑。工况G2下，随着加载速率的增大，耗能器摩擦力保持稳定，在数值大小上几乎没有变化。工况G3下，随着加载位移幅值的增加，摩擦力略有增加，在50,100,150mm位移幅值下平均摩擦力比值约为1∶1.07∶1.15。

　　 在工况G1～G3加载完成后，将耗能器静置冷却2h后进行工况G4的加载。按《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013)^[10]对摩擦耗能器进行了疲劳性能分析，如表4所示。工况G4下，随着循环次数的增加，耗能器摩擦力下降明显(图4)，平均每圈摩擦力下降约0.19kN，在循环至21圈后摩擦力保持稳定，几乎不下降;在此工况完成后，在外摩擦管内发现少量剥落的橡胶碎屑。为了进一步探究耗能器的工作环境温度及其摩擦橡胶块的磨损对耗能器性能的影响，设置了耗能器在60N·m螺栓扭矩下的第二次疲劳加载(工况G5);由图4可知，在工况G5下，耗能器滞回曲线饱满，且性能更为稳定，平均每圈摩擦力下降约0.04kN，平均摩擦力相对于工况G4降低了8.05%。

　　 在整个试验过程中，摩擦耗能器产生的噪音较小，随着循环次数的增加，耗能器外摩擦管管壁温度持续上升(图4(f))。试验结束后将摩擦橡胶块取出(图5)，发现橡胶块仅轻微磨损。

　　 取工况G1～G3中60N·m螺栓扭矩，加载速率为20mm/s，位移幅值为150mm的三组工况(图6(a))以及工况G4与工况G5(图6(b))分别对比其每圈的平均摩擦力。由图6可以发现，随着循环次数的增加，摩擦力呈下降的趋势，且摩擦力有不同程度的衰减，并趋于稳定。这是因为在反复加载过程中，随着耗能器累积加载行程不断增大(表3)，耗能器将机械能转化为热能而导致外摩擦管内温度迅速升高(图4(f))，使得摩擦橡胶块在较高温度下软化^[11,12]，导致了摩擦橡胶块与外摩擦管内壁之间摩擦系数的降低;加之摩擦橡胶块的磨损，使得预紧螺栓扭矩释放^[2]，导致了外摩擦管内壁与橡胶摩擦块之间法向接触应力减小。此外，磨损剥落的橡胶碎屑存在于摩擦橡胶块与外摩擦管内壁的摩擦面之间并影响了两者之间的相互作用行为(即第三体作用)，由于橡胶碎屑的第三体作用^[13]使得摩擦橡胶块与外摩擦管内壁之间的摩擦系数进一步降低，从而随着循环次数的增加，摩擦力出现衰减。在工况G4和工况G5中，随着循环次数的增加，耗能器摩擦力趋于稳定，这是因为在橡胶磨损及温度升高后耗能器的摩擦力减小，其摩擦力下降之后，摩擦橡胶块自身受到的切向应力减小，从而避免或减缓了摩擦橡胶块的磨损，故在循环至一定圈数后摩擦力趋于稳定。

　　 综上所述，钢管橡胶摩擦耗能器的滞回性能与工作环境温度和摩擦橡胶块的磨损有关。在常温条件下，工况G1及工况G4加载初期耗能器摩擦力下降最为明显，由于此时的外摩擦管内温度较低，接近室温，且在加载初期发现剥落的橡胶碎屑较多，因此耗能器在常温工作环境条件下，摩擦橡胶块的磨损对耗能器性能的影响较大。

　　 课题组以“构造简单，成本低廉，性能可调节”为指导思想，提出了一种新型钢管橡胶摩擦耗能器，并对其进行了不同螺栓扭矩、加载制度、加载速率和加载幅值工况下的低周反复试验。结果表明:

　　 (1)钢管橡胶摩擦耗能器在不同加载速率、幅值下，滞回性能稳定，耗能能力强;其摩擦力随着螺栓扭矩的增大而增大，在60,80 100N·m螺栓扭矩下，平均摩擦力比值约为1∶1.28∶1.55。

　　 (2)由工况G4及工况G5可知，钢管橡胶摩擦耗能器在连续疲劳工况下仍能保持良好的耗能性能，当遭遇持时较长的地震及主震后多次余震情况时，耗能器均能保障结构的安全性。

　　 (3)钢管橡胶摩擦耗能器的滞回性能与其工作环境温度和摩擦橡胶块的磨损相关;且在常温工作环境条件下，摩擦橡胶块的磨损对耗能器性能的影响较大。