趙 喆 尹新生 陳雅澤 于曉慧

(1:吉林建筑工程學(xué)院寒地綠色建筑工程技術(shù)研究中心，長春 130118; 2:武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引言

目前，研究和應(yīng)用隔離、耗能減震技術(shù)越來越廣泛.隨著社會的不斷發(fā)展，新設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用越來越多，鉛金屬阻尼器逐漸發(fā)揮了其在關(guān)鍵領(lǐng)域的地位.利用地震時鉛發(fā)生彈塑性屈服導(dǎo)致變形而消耗地震能量，從而達到減震、隔震的目的.

鉛阻尼器是一種耗能性能優(yōu)越、構(gòu)造簡單、制作方便、十分經(jīng)濟的耗能減震裝置.它既可以用作隔震系統(tǒng)中的耗能元件或限位裝置，又可以用作建筑結(jié)構(gòu)中的耗能裝置，提供阻尼;既可用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)控制中，又可用于結(jié)構(gòu)的抗震控制中.因此，具有較大的應(yīng)用價值和廣泛的應(yīng)用前景.目前，已經(jīng)研發(fā)了多種類型的鉛阻尼器［1］:鉛擠壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節(jié)點阻尼器、圓柱型鉛阻尼器和異型鉛阻尼器.

1 鉛剪切阻尼器

鉛剪切阻尼器是由新西蘭Penguin Engineering公司首先研制的［2］，基本原理主要為利用鉛受剪屈服后產(chǎn)生塑性變形來耗能，在小位移時，鉛受到剪切和彎曲作用，進入屈服階段，通過滯回變形消耗能量;在大位移時，重點利用剪切滯回變形消耗能量.此種耗能器的主要特點是對微小變形十分敏感，在±2 μm的變形下即可獲得較大的阻尼力.其次，由于鉛本身具有動態(tài)再結(jié)晶功能，因此，在其設(shè)計變形的范圍內(nèi)，可以在不同的變形下做幾千次的循環(huán)而不出現(xiàn)退化現(xiàn)象，能夠保持其本身的力學(xué)性能不變，工作性能非常穩(wěn)定.鉛剪切阻尼器可以提供的阻尼力大小和變形速度無關(guān)，近似于理想的塑性體.其后，國內(nèi)許多學(xué)者也在鉛剪切阻尼器的研發(fā)方面做了很多工作，王煥定等人對鉛剪切阻尼器進行了不同頻率不同位移峰值的三角形波的逐級加載試驗［3］.實驗結(jié)果表明:鉛剪切阻尼器彈性剛度很大，屈服位移很小，屈服后，隨位移增加剛度明顯降低，體現(xiàn)了明顯的塑性性質(zhì).

圖1為閆維明、彭凌云等研制的一種鉛剪切型阻尼器［4］.不同加載位移、加載頻率和加載次數(shù)下的性能試驗研究表明，此種阻尼器滯回環(huán)較為豐滿(如圖2)，是一種良好的阻尼器，這種阻尼器的滯回性能穩(wěn)定，耗能效果好，裝置較小，出力較大，能夠滿足裝置耗能的要求，且制作簡單，無需養(yǎng)護.圖3中還可以看出，相同位移峰值不同的頻率的滯回曲線是基本一致的，可以得出鉛剪切阻尼器在低頻位移相關(guān)型的阻尼器的耗能性能與加載的頻率無關(guān)，且阻尼器是拉壓同性的，滯回曲線沿加載的原點對稱;小位移的情況下，滯回曲線基本呈四邊形.隨著位移的增大，出現(xiàn)剛度增加，剪切作用趨于穩(wěn)定，滯回曲線又逐漸趨于四邊形，且較大位移的滯回曲線基本包容小位移的滯回曲線.

圖1 新型鉛阻尼器

圖2 位移10 mm/0.5 Hz循環(huán)60次

2 鉛板阻尼器

本文提出的鉛板阻尼器，當(dāng)其鉛板在一定長度范圍之內(nèi)屬于剪切型阻尼器，本阻尼器主要是由鋼板、實心鋼柱與鉛組成，采用等級為Q 345的鋼板與鋼柱，鋼板壁厚為20 mm，鋼柱為直徑40 mm的實心鋼柱，50 mm厚的高純度鉛板.試件制作簡單方便，具體尺寸模型如圖3所示.

圖3 阻尼器整體試件尺寸

鉛在較小應(yīng)力情況下就會發(fā)生剪切屈服，屈服剪切應(yīng)力為τy=12.5 MPa，本構(gòu)關(guān)系可以表示為:

式中，G為剪切模量;γy為屈服剪應(yīng)變.

根據(jù)鉛剪切阻尼器，h和R尺寸相當(dāng)，在小變形下，可忽略彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力的影響.假設(shè)橫截面各點處剪切變形均勻相當(dāng)，從而橫截面各點材料屈服同時發(fā)生(如圖4).

圖4 鉛剪切阻尼器

則剪切剛度、屈服剪力和屈服位移為:

綜上所述，其耗能原理為:小位移時，鉛受到剪切的作用，進入屈服;大位移時，主要為剪切變形耗能［5］.也就是說，當(dāng)為小變形時，鋼板擠壓鉛體發(fā)生塑性彎曲和擠壓變形而消耗能量;當(dāng)大變形時，為鉛片出現(xiàn)剪切變形從而消耗能量.

本文提出的鉛板阻尼器屬于鉛剪切阻尼器的一種，但是其制作和安裝要便捷于其他鉛剪切阻尼器，并且其阻尼力的增加不需要重新制作來改變構(gòu)件的尺寸，只要增加其鉛片的數(shù)量就可以滿足增加阻尼力的目的.

3 結(jié)語

鉛阻尼器屬于位移相關(guān)型阻尼器，耗能性能與速度無關(guān).鉛板阻尼器構(gòu)造簡單，無需維護，制作簡單方便，并且可以提供穩(wěn)定的阻尼力.然而，無論從鉛板阻尼器的研究角度，還是從其以后在工程應(yīng)用的角度來看，還存在一些需要解決的問題:

(1)鉛板阻尼器的各項參數(shù)對其滯回性能影響較大，需要對不同參數(shù)的阻尼器對滯回性能的影響做深入的研究;

(2)鉛板阻尼器的加工工藝(如鉛板制作精細(xì)程度，鉛本色的純度控制)尚有待于進一步的研究.

隨著鉛板阻尼器的進一步研究成熟，必將可以應(yīng)用于實際工程中.

［1］閆維明，劉 猛.新型鉛剪切阻尼器的數(shù)值模擬試驗研究［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(3):4-7.

［2］Monti MD.A Lead Shear Damper Suitable For Reducing The Motion Induced By Wind And Earthquake［A］.11WCEE，1996:12-13.

［3］王艷武，王煥定，張永山.兩類鉛阻尼器試驗研究［J］.地震工程與工程振動，2004，24(1):21-23.

［4］彭凌云.地震隨機模型及結(jié)構(gòu)響應(yīng)控制［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］李冀龍，歐進萍.鉛剪切阻尼器的阻尼力模型與設(shè)計［J］.工程力學(xué)，2006(4):14-16.