装配式剪力墙结构具有节能环保、施工周期短、有利于绿色施工等优点，近年来在许多国家得到推广应用。随着中国建筑工业化的快速发展，装配式剪力墙结构也得到了一定的发展，取得了一定的成就。装配式剪力墙结构的抗震性能主要取决于剪力墙的水平接缝质量。预制剪力墙之间的连接节点/水平接缝是受力的关键部位，结构设计中对连接节点抗震性能具有较高要求，故结合先进的摩擦耗能技术设计一种可用于预制构件节点连接的摩擦耗能装置成为必要。国内外研究学者根据建筑结构的不同连接特点，设计研发了各式各样的摩擦耗能阻尼器^[1]。

加拿大学者Pall与Marsh^[2]于1982年开发设计的一种典型的摩擦耗能器——Pall摩擦耗能器，其已在实际工程中得到应用; Nabid等^[3-5]将长孔螺栓摩擦阻尼器用于混凝土墙板与梁相连部位构成墙板式摩擦阻尼器; Latour等^[6-8]对采用喷铝钢板的长孔螺栓摩擦阻尼器进行了往复加载试验研究，并对带有长孔螺栓摩擦阻尼器的梁柱节点进行了试验研究和有限元分析; Anoushehei等^[9]试验研究了摩擦阻尼器不同摩擦材料，在循环荷载作用下的力学性能; Naeem等^[10]提出一种两侧装有重型扭转弹簧的新型旋转摩擦阻尼器; 隋伟宁等^[11-12]提出了一种新型旋转摩擦阻尼器，并提出了一种适用于新型旋转摩擦阻尼器设计的计算方法; Golmoghany等^[13]提出了一种由摩擦阻尼器和垂直剪力板(HFD-VSP)组成的新型混合控制系统，新系统具有两级能量耗散的优势; Lee等^[14]将转动摩擦阻尼器和长孔屈服阻尼器并联成一种新型复合耗能装置，与相同屈服强度的传统长孔阻尼器相比，对于中小地震，仅激活旋转摩擦阻尼器，复合阻尼器能在强震作用下同时工作; Mirzabagheri等^[15]对具有多个单元的旋转摩擦阻尼器的性能进行了试验研究，并将其试验结果与单个单元阻尼器的结果进行了比较。

尽管国内外的研究学者对剪力墙的水平连接装置、耗能装置进行了一定的研究，但是其构造复杂、施工复杂、且性能相对单一，不利于装配式剪力墙结构的推广和应用。为了提高装配式剪力墙结构的抗震性能，本文结合消能减震技术，设计了一种新型装配式剪力墙水平连接装置并进行试验研究，通过试验结果分析螺栓预紧力、加载频率和螺栓数量对装置的耗能能力代表值、割线刚度及等效阻尼比等力学性能的影响规律；分析研究了螺栓预紧力及加载频率等参数对装置温度变化的影响，得出装置的温度变化对其力学性能的影响。

1 试验概况 1.1 试件设计与制作

根据新型装配式剪力墙的力学性能需求，综合考虑各新型水平连接装置设计方案的工作稳定性、摩擦耗能能力及装置各部件变形等因素，得出一种具有良好耗能性能、构造简单、摩擦稳定性良好的新型装配式剪力墙水平连接装置。

设计目标及原则为：1)设计的连接装置形状应适用于装配式剪力墙的水平接缝且构造简单，在保证可靠连接的同时方便用于实际结构；连接装置具有足够的承载力，有效地传递竖向及水平荷载。2)通过控制高强螺栓的预紧力，既能保证结构的可靠连接，又能依靠连接装置的内部摩擦消耗大量地震能量，从而达到有效减小结构地震响应，保护主体结构的目的。

新型装配式剪力墙水平连接装置的构造见图 1。装置的构造呈二维对称，构造简单，组成部件主要包括上部箱型钢、下部槽型钢、通长高强螺栓及螺栓垫片等。在上部箱型钢和下部槽型钢上都开有螺栓孔，其中下部槽型钢中间为圆形螺栓孔，两侧的螺栓孔为弧形槽孔，槽型孔长度随中心距增大而增大，呈“WIFI”形状。主要是为了使上部槽型钢能以中间螺栓为中心相对下部槽型钢转动。5个螺栓新型水平连接装置命名为装置A。为了与装置A进行对比分析，同时制作一种3个螺栓的装置B，装置B与5个螺栓的装置A的主要区别在于螺栓的数量及螺栓孔间距，装置B构造见图 2。

上部箱型钢长1 300 mm、宽160 mm、高200 mm，钢板厚20 mm，装置A开有10个螺栓孔，装置B开有6个螺栓孔。下部槽钢长1 300 mm、高250 mm、宽200 mm，钢板厚20 mm。装置A开有8个弧形槽孔及2个直径为30 mm的圆形螺栓孔，装置B开有4个弧形槽孔及2个直径为30 mm的圆形螺栓孔。装置A上下两型钢通过5个10.9级M30高强螺栓连接，装置B通过3个12.9级M30高强螺栓连接，试件的几何尺寸见图 3和图 4。

装置在上部箱型钢墙体边缘构件纵筋位置处打孔，以便增加钢筋与钢板的焊缝高度，其他钢筋跟水平连接装置采用端焊。在箱型钢上焊接了数根锚固短筋。同时为了实现水平连接装置与地梁的可靠连接，在下部槽钢同样制作数个圆孔，增加钢板与锚固钢筋的连接可靠性，并将槽型钢与地梁上部纵筋焊接为一个整体，具体位置见图 5。

装置的工作过程见图 6，装置的上下型钢通过高强螺栓连接，对高强螺栓施加预紧力使上下两型钢接触面产生正应力，下部槽型钢两侧为弧形螺栓孔，中间为圆形螺栓孔，上部箱型钢可以以中间螺栓为中心相对下部槽型钢转动。装置按图中数字顺序循环工作，在转动过程中，钢板之间摩擦消耗大量地震能量，达到消能减震，保护主体结构的目的。

该水平连接装置的工作原理可以分为3个阶段：1)结构在水平荷载作用下，当水平荷载小于预设起滑荷载时，结构不发生转动，受力形式等同于现浇墙体，此时墙体所受的弯矩与剪力均由静摩擦力提供；2)当水平荷载大于预设起滑荷载，水平位移幅值小于限位值时，结构发生转动，此时墙体所受的弯矩、剪力基本保持不变，新型装配式剪力墙结构以滑动摩擦的形式耗散地震能量；3)装置转动到最终限位值，此时墙体受力形态等同于现浇墙体，弯矩、剪力主要由装置的限位提供。

两个装置的上下两个型钢均采用Q345级碳素钢。装置A上下两型钢通过5个10.9级M30通长高强螺栓连接，装置B通过3个12.9级M30通长高强螺栓连接。2片墙体的混凝土强度均为C30，钢筋采用HRB400级钢筋，暗柱箍筋为HPB300级钢筋。剪力墙的配筋详见图 7。

1.2 加载装置及加载方案

试验在门式钢架下进行，水平荷载加载设备为额定荷载500 kN的MTS液压伺服作动器。通过4根长螺杆将液压伺服作动器与墙体的顶梁进行连接，并通过液压伺服作动器对剪力墙的顶梁施加水平正弦周期荷载。底梁通过钢压梁与地槽固定连接。加载装置实物见图 8，加载装置示意见图 9。

本次试验采用位移控制的加载方法，按照正弦曲线进行位移控制加载，通过确定加载频率及幅值控制作动器的实时位移，位移加载曲线见图 10。试验共18组加载工况，变化参数为加载频率和每个螺栓的预紧力值。记录试件装置A的9组加载工况中装置钢板的初始温度及加载过程中的温度变化，设计加载幅值为30 mm，各个工况均加载60个循环。对于试件装置B只需加载3个循环，无需监测温度变化，18组加载工况见表 1。

1.3 量测内容及测点布置

试验的量测内容包括通过MTS作动器内置传感器测量加载点的水平力及水平位移值，用量程为300 mm的高精度激光位移计记录顶梁另一端中点处的水平位移值，通过在剪力墙单侧墙体的1/4、1/2、距顶梁下侧50 mm处和底梁一端中点处架设4个LVDT位移计测量墙体水平侧移。在装置一侧的中间孔及两个槽型孔下面各布置一个应变花，用于测量钢板的应变值，温度传感器、应变花及位移计布置见图 11。在下部槽型钢的内侧紧邻螺栓孔上侧开细槽，埋设3个热电偶温度传感器，用于测量摩擦接触面在装置正常工作时的温度变化，热电偶温度传感器实物布置见图 12。

2 试验现象

根据试验加载方案对2个试件装置A及装置B进行正弦曲线位移加载。试验准备阶段，架设激光位移计和LVDT位移计，将数据采集线与数据采集箱连接，并检查其是否正常工作。使用激光水平仪将试件对中，特别调整使螺栓位于孔位中间。试验加载阶段，无需施加竖向荷载，利用MTS作动器进行正弦曲线位移控制的水平加载，加载过程中钢板摩擦会发出明显的“咔咔”声，而且“咔咔”声随预紧力的增大逐渐增大，随加载频率的增大声音更加连续。随着上部墙体的摆动，进入钢板的墙角墙体会被磨出明显痕迹，垫片周围会有明显铁屑掉落。加载结束后，将装置拆解会发现螺栓孔周围及两个型钢的摩擦面会有明显磨损的痕迹。实际试验现象见图 13。试件破坏时墙角处混凝土破碎严重，边缘纵筋暴露并明显观测到弯曲严重，破坏后整体裂缝分布情况见图 14。

3 试验结果与分析 3.1 耗能性能分析 3.1.1 预紧力对装置性能的影响

本节研究螺栓预紧力对新型水平连接装置的单位循环耗能能力代表值E_D、割线刚度K和等效阻尼比ζ_eq等力学性能的影响。对于两个新型水平连接装置，均取滞回曲线的第二圈数据进行装置的力学性能分析。试验所得荷载-位移曲线见图 15。

由试验数据绘出的滞回曲线可直观地反映水平连接装置的实际工作状态。由图 15可知，滞回曲线均呈矩形形状且规则饱满，表明装置具有良好的摩擦耗能能力；相同加载频率作用下新型水平连接装置的耗能性能都随螺栓预紧力的增加而逐渐增大。

分析计算各加载频率作用下，不同螺栓预紧力对两个水平连接装置的力学性能参数，计算结果见表 2。其中，加载频率为0.4 Hz时，不同螺栓预紧力对两个水平连接装置的各性能参数的影响见图 16和图 17。

从表 2、图 16和图 17可以看出，随着螺栓预紧力的增加，两种新型水平连接装置的单位循环耗能能力代表值E_D和割线刚度K也随之增加，而且呈近似线性关系。其中对于单位循环耗能能力代表值E_D，后一级荷载比前一级增加约11%~20%。对于割线刚度K，后一级荷载比前一级增加约10%~19%。等效阻尼比ζ_eq与耗能能力代表值E_D和割线刚度K两者的比值呈线性关系，等效阻尼比ζ_eq随螺栓预紧力增加保持相对稳定。装置A的等效阻尼比约保持在0.5，装置B的等效阻尼比约保持在0.42，装置A的阻尼耗能能力要明显略大于装置B。

3.1.2 加载频率对装置性能的影响

为了研究不同加载频率对新型水平连接装置力学性能的影响规律，在螺栓预紧力不变的情况下，对比分析装置的滞回耗能性能、割线刚度K及等效阻尼比ζ_eq等力学性能的变化情况。试验滞回曲线对比分析见图 18。对于两个新型装配式剪力墙水平连接装置，均取滞回曲线的第二圈数据进行研究分析。各力学性能参数计算结果见表 2。

由图 18可知，对于两种水平连接装置，当螺栓预紧力保持不变时，改变正弦加载频率，水平力几乎保持恒定值，3条滞回曲线几乎重合，说明水平连接装置的力学性能几乎不受加载频率的影响。由表 2可知，在螺栓预紧力保持不变的情况下，装置的循环耗能能力代表值E_D、割线刚度K及等效阻尼比ζ_eq力学性能参数也均浮动不大，进一步说明了不同加载频率并不影响水平连接装置耗能性能。

3.1.3 螺栓数量对装置性能的影响

装置A与装置B分别通过5个通长螺栓与3个通长螺栓连接。对于本文所研究的新型水平连接装置，螺栓的数量直接决定着单个螺栓预紧力相同情况下钢板所承受的正应力的大小，也就决定着钢板之间摩擦力的大小，决定着装置的总体耗能能力。通过上文分析比较，得知不同加载频率未对水平连接装置耗能性能产生影响，故本节只需探究加载频率为0.4 Hz时，螺栓数量对水平连接装置耗能性能的影响。

如图 19所示，在加载频率及螺栓预紧力保持不变的情况下，5个螺栓连接装置A的滞回耗能性能明显优于3个螺栓连接装置B。如表 2所示，对于单位循环耗能能力代表值E_D，装置A比装置B增加了约50%。装置A的割线刚度K比装置B增加了约22%。对于等效阻尼比ζ_eq，装置A比装置B增加了约21%，进一步说明5个螺栓连接装置A的滞回耗能性能明显优于3个螺栓连接装置B。

3.2 温度对连接装置力学性能的影响

前人对阻尼器的研究主要是通过摩擦阻尼器的荷载-位移曲线来研究阻尼器的耗能能力，而并未考虑温度对摩擦阻尼器力学性能的影响。在工作过程中，摩擦阻尼器会由于摩擦生热导致其内部温度升高，从而影响摩擦阻尼器的力学性能参数。摩擦阻尼器的温度变化主要影响摩擦面的摩擦系数等力学性能参数，从而影响摩擦阻尼器的耗能性能。因此，本文对新型水平连接装置温度特性的研究具有重要意义。

对于装置A布置3个测温点，见图 12。通过3个测温点的温度测量数据分析可知，温度升高幅度随测温点距中间螺栓的距离增大而增大。以加载频率0.3 Hz，预紧力45 kN工况为例，靠近中心测温点的温度几乎没有变化，离中心距离最远测点的温度升高2.6 ℃，介于两者中间的测点温度升高1 ℃。故在下文分析过程中，只对温度变化明显的最外侧测点进行分析研究。

3.2.1 预紧力对装置温度的影响

对于装置A的9种加载工况，分析不同螺栓预紧力大小对新型水平连接装置温度变化的影响规律。在正常工作过程中，水平连接装置将部分摩擦机械能转化成热能，使装置的温度在往复循环中不断升高。试验过程中每个工况加载60圈，记录不同加载频率(0.2 Hz~0.4 Hz)和不同螺栓预紧力(45 kN~ 65 kN)对装置温度变化情况。

图 20(a)~(c)分别表示在0.2 Hz~0.4 Hz加载频率下，螺栓预紧力对新型水平连接装置温度变化的影响。从图中可以明显看出，随着螺栓预紧力增加，装置的升温速率加快。如图 21所示，试验的初始温度约为24 ℃，试样温度随加载循环次数的增加而升高。通过对比第一个循环与最后一个循环的温差，可以看出螺栓预紧力越大，温差越大。在相同的加载频率情况下，螺栓预紧力越大，加载循环次数与温度曲线的斜率越大。在0.4 Hz频率下，当螺栓预紧力为65 kN时，加载完成60圈后温度上升了3.4 ℃；当螺栓预紧力为55 kN时，加载完成60圈后温度上升了2.9 ℃；当螺栓预紧力为45 kN时，加载完成60圈后温度上升了2.6 ℃。因此，螺栓预紧力是装置温度升高的重要参数。

3.2.2 加载频率对装置温度的影响

如果加载速率不引起摩擦面性质变化，加载速率就不会引起摩擦系数的变化。但一般状况下，加载速率会引起摩擦面层的磨损、发热和变形，从而对摩擦系数产生一定的影响。加载速率对摩擦力大小的影响主要取决于温度变化。加载速率引起的温度变化改变了摩擦面层的性质和摩擦面层的相互作用，从而使摩擦系数发生相应的变化。随着正弦加载频率的增加，位移加载速率增大，加载周期缩短。在保持螺栓预紧力不变的情况下，研究加载频率对装置温度变化的影响。

图 22(a)~(c)为螺栓预紧力分别为45 kN~65 kN时，不同加载频率对水平连接装置温度变化的影响规律曲线。由图 22可知，升温曲线斜率的不断增大，说明装置的升温速率随着加载频率的增加不断加快。由图 21可知，随着加载频率增加，温度升高幅度增加。

当螺栓预紧力为65 kN时，在0.2 Hz频率下加载完成60圈后温度上升了1.9 ℃；在0.3 Hz频率下加载完成60圈后温度上升了2.6 ℃；在0.4 Hz频率下加载完成60圈后温度上升了3.4 ℃。综上所述，加载频率对于试件升温速度的影响与螺栓预紧力一样显著。

3.2.3 温度对装置恢复力的影响

经过循环往复正弦加载，新型水平连接装置的温度因摩擦生热不断升高。对于装置A，利用热电偶温度传感器实时采集钢板摩擦面的温度变化，同时记录每个加载循环结束时的装置的恢复力值及相应时间的温度值，得到水平连接装置的恢复力随其温度升高的变化规律。

装置在往复加载60圈后保持了良好的滞回耗能特性。以加载频率0.3 Hz，预紧力45 kN工况为例，见图 23，水平连接装置的滞回曲线呈规则矩形形状。装置起滑后，其刚度基本可以忽略，起滑位移大约3 mm左右，其初始刚度比较大。从最大负位移到最大正位移过程中，水平连接装置恢复力基本保持恒定值，这表明加载速率对水平连接装置的恢复力影响不大。其他加载工况的滞回曲线形状与图 23相似，此处不再赘述。

在加载过程中，同时记录每个加载循环结束时的装置的恢复力值及相应时间的温度值，得到了装置的恢复力随各加载循环温度变化而变化规律。在加载频率为0.3 Hz，预紧力为45 kN工况下，水平连接装置温度-恢复力关系曲线，见图 24。由图可知，经60次循环加载后，试件的温度从25.3 ℃上升到27.4 ℃，恢复力在32 kN~34 kN之间无规律浮动，考虑到加载过程中恢复力也会有一定程度波动，故可认为恢复力基本保持相对稳定。故正常工作情况下，装置的温度变化对装置的力学性能影响不大。

4 结论

本文主要对新型水平连接装置的力学性能进行了试验研究，得出以下结论：

1) 各工况滞回曲线均呈矩形形状，且规则饱满，说明该装置具有很好的摩擦耗能能力。

2) 新型水平连接装置的耗能性能随螺栓预紧力的增加而逐渐增大，螺栓预紧力与装置的耗能能力代表值和割线刚度线性相关；增加螺栓数量可大幅提高装置耗能性能，装置A的耗能能力代表值比装置B高约50%。装置A的割线刚度比装置B高约22%。

3) 螺栓预紧力与加载频率均是装置温度升高的重要因素，装置的升温速率和升温幅度随加载频率与螺栓预紧力的增加而不断增大。