楊明飛 楊 超 陳宜網(wǎng)

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽圣沃建設(shè)工程有限公司，合肥 230031)

0 前 言

金屬屈服阻尼器通常分為鉛阻尼器和軟鋼阻尼器兩大類[1]。軟鋼阻尼器屬于位移相關(guān)型耗能阻尼器，可用于提高結(jié)構(gòu)抗震性能，在工程中應(yīng)用廣泛。軟鋼阻尼器的作用，是利用軟鋼屈服后的非彈性特點來耗散從外部輸入結(jié)構(gòu)中的地震能量。其材質(zhì)多為屈服應(yīng)力較低的低碳素鋼，具有取材容易、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟耐用等優(yōu)勢[2-4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對軟鋼阻尼器的性能及應(yīng)用作了很多研究。其中，候和濤等人設(shè)計了一種帶U型板的阻尼器，該阻尼器在靜力試驗中表現(xiàn)出了良好的承載力及耗能能力[5]。邵浩等人設(shè)計了一種力學(xué)性能良好的特定限位U型軟鋼阻尼器，并提出了最大恢復(fù)力公式[6]。Park等人設(shè)計了一種圓形空心截面構(gòu)造金屬剪切型阻尼器，并通過與H形截面阻尼器的循環(huán)加載對比試驗驗證了其塑性倒塌機理的有效性[7]。Bakhshayesh等人設(shè)計了一種用于同心支撐框架的新型剪切阻尼器，并通過數(shù)值模擬驗證了其良好的耗能性能[8]。Kishiki 等人通過循環(huán)加載試驗研究了U型阻尼器的變形行為，并提出了平面激勵作用下的殘余塑性變形-累積損傷評估方法[9]。

隨著耗能減震技術(shù)的逐漸成熟，研究人員提出了分階段屈服耗能的設(shè)計思想。陳云等人設(shè)計了一種雙環(huán)分級屈服型金屬阻尼器，建立了三折線骨架模型，并通過低周往復(fù)加載試驗揭示了其破壞模式與分階段耗能機理[10]。程楊等人提出了一種三階段屈服的雙U型金屬阻尼器，并通過有限元模擬及理論研究驗證了其良好的耗能性能[11]。

為了進一步優(yōu)化現(xiàn)有軟鋼阻尼器的耗能能力，使其能在小震下實現(xiàn)單屈服階段耗能、在大震下進入雙屈服階段保護主體結(jié)構(gòu)安全，本次研究將利用X型軟鋼阻尼器塑性變形能力良好且滯回穩(wěn)定的特性，設(shè)計一種新的雙剪型分階段屈服阻尼器。與前期提出的U型軟鋼阻尼器[6]相結(jié)合，通過調(diào)整各自的屈服強度及尺寸實現(xiàn)分階段屈服。

1 雙剪型分階段屈服阻尼器的設(shè)計

所有的設(shè)計都建立在基礎(chǔ)雙剪型分階段屈服軟鋼阻尼器的設(shè)計之上，如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)雙剪型分階段屈服阻尼器設(shè)計圖

為了能夠?qū)崿F(xiàn)分階段屈服，將2個U型軟鋼片和3塊X型軟鋼片上下組合起來。U型和X型軟鋼片由中間一塊鋼板連接，上下端分別設(shè)置連接板。其工作原理是：當(dāng)上下2塊連接板固定、中間的連接板發(fā)生小位移時，U型軟鋼片首先進入屈服耗能階段，X型軟鋼片基本處于彈性階段；當(dāng)發(fā)生大位移時，U型和X型軟鋼片均進入屈服耗能階段。

在實際工程應(yīng)用中，將基礎(chǔ)雙剪型分階段屈服阻尼器作為阻尼片進行串聯(lián)后再并聯(lián)組合，并增設(shè)限位卡槽棒和壓縮彈簧，為阻尼器提供限位裝置和補充剛度(見圖2)。

圖2 雙剪型分階段屈服阻尼器新設(shè)計圖

阻尼器中有6組單層阻尼片，它們通過螺栓與上下2塊L形鋼蓋板相連接。采用這種蜂箱式設(shè)計時，可以根據(jù)不同的工程要求調(diào)整阻尼器出力，每一層阻尼片的檢修和更換都十分簡便。單層阻尼片由2塊格柵狀鋼板組成，兩端放置壓縮彈簧，用于補充一定的剛度以及在小位移狀態(tài)下提供復(fù)位能力。在格柵狀鋼板中間放置5組U型軟鋼片、4組X型軟鋼片。其中，U型鋼板通過螺栓連接的方式予以固定，X型鋼板通過焊接的方式予以固定。同時，在每組U型鋼板中間設(shè)置一組限位卡槽鋼棒，將限位卡槽鋼棒的一端焊接固定，另一端放置于卡槽內(nèi)?？ú鄣膶挾嚷源笥阡摪糁睆剑ú蹆啥说陌雸A槽直徑與卡槽寬度一致。這種雙剪型分階段屈服阻尼器是由2塊L形蓋板帶動通過螺栓連接的 6組單層阻尼片工作。在遭遇地震時，能量傳入建筑結(jié)構(gòu)中，L形蓋板隨即發(fā)生相對位移，進而帶動格柵狀鋼板發(fā)生相應(yīng)的位移，將能量導(dǎo)入格柵狀鋼板中的X型、U型軟鋼阻尼片中，最后實現(xiàn)屈服耗能。在小位移幅值下，U型軟鋼片進入屈服耗能狀態(tài)，X型軟鋼片基本處于彈性狀態(tài)，設(shè)置于兩端的彈簧作為復(fù)位裝置；在大位移幅值下，X型、U型軟鋼片同時進入屈服耗能階段，設(shè)置于兩端的彈簧可提供一定的剛度和恢復(fù)力，U型軟鋼片中間的限位卡槽棒可避免阻尼器因位移過大而損壞。

2 雙剪型分階段屈服阻尼器的參數(shù)設(shè)置

2.1 軟鋼片參數(shù)的確定

根據(jù)X型軟鋼和U型軟鋼的相關(guān)性能研究成果[12-13]，調(diào)整U型軟鋼片的弧半徑、厚度，X型軟鋼片的高度、厚度，以及二者的屈服強度，并進一步確定軟鋼片的設(shè)計參數(shù)(見表1)。

表1 軟鋼片的設(shè)計參數(shù)

在雙剪型分階段屈服阻尼器中：X型軟鋼片的間距為212.50 mm，U型軟鋼片的間距為100.00 mm；共有上、中、下3塊連接板，均為長750.00 mm、寬200.00 mm、高30.00 mm，中間的連接板相對于上、下連接板沿x軸正向距離偏移50.00 mm，連接板所用材料與X型軟鋼片一致。

2.2 屈服位移的確定

2.2.1 數(shù)值建模

為了能夠?qū)崿F(xiàn)分階段屈服，首先應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件針對U型、X型阻尼器分別進行數(shù)值建模(見圖3)，模型中軟鋼片和連接板均采用SOLID45實體單元。對 U型軟鋼阻尼器上連接板垂直于x軸的兩側(cè)面所有節(jié)點進行固接，下連接板施加x方向水平位移循環(huán)荷載并約束其他方向的自由度。對X型軟鋼阻尼器下連接板垂直于x軸的兩側(cè)面所有節(jié)點進行固接，上連接板施加x方向水平位移循環(huán)荷載并約束其他方向的自由度。

圖3 雙剪型分階段屈服阻尼器數(shù)值模型

2.2.2 材料屬性設(shè)置

采用理想彈塑性模型，鋼材的彈性模量(E)均取 2.1×1011Pa，泊松比(ν)取0.3。U型軟鋼片的材料選用Q235鋼，其屈服強度為235.00 MPa；X型軟鋼片的材料選用Q345鋼，其屈服強度為345.00 MPa。軟鋼材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 軟鋼材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.3 屈服位移分析

對U型、X型軟鋼阻尼器的加載均采用位移控制加載法，其位移幅值分別設(shè)定為2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、20.00、25.00、30.00 mm，通過ANSYS有限元軟件分析可以得到二者的滯回曲線(見圖5)。

從圖5可看出，整體上U型、X型軟鋼的滯回曲線形狀均比較飽滿，表明其耗能性能良好。當(dāng)位移為 30.00 mm時，U型軟鋼阻尼器的最大出力達(dá)到了133.07 kN，X型軟鋼阻尼器的最大出力達(dá)到了240.11 kN。U型軟鋼阻尼器的屈服位移較小，為1.36 mm，而X型軟鋼阻尼器的屈服位移為4.77 mm。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)中的相關(guān)規(guī)定[14]，混凝土結(jié)構(gòu)彈性層間位移角的限值為1/800,若層高取3.60 m，則最大的彈性層間位移是4.50 mm。根據(jù)分階段屈服的思想，應(yīng)先使屈服位移較小的U型軟鋼產(chǎn)生屈服且屈服位移小于 4.50 mm，再使X型軟鋼在U型軟鋼屈服后產(chǎn)生屈服且屈服位移大于4.50 mm。此時，U型軟鋼阻尼器的屈服位移為1.36 mm，X型軟鋼阻尼器的屈服位移為4.77 mm。這表明，新設(shè)計的U型和X型軟鋼阻尼器相關(guān)參數(shù)均滿足分階段屈服的條件。

圖5 U型和X型軟鋼的滯回曲線

3 雙剪型分階段屈服阻尼器滯回性能分析

3.1 數(shù)值建模

參照前述參數(shù)和屬性設(shè)置，對雙剪型分階段阻尼器上、下連接板垂直于x軸的兩側(cè)面所有節(jié)點進行固接，對中間連接板沿x方向施加水平位移循環(huán)荷載并約束其他方向的自由度，采用位移循環(huán)控制法實現(xiàn)加載，從而建立雙剪型分階段阻尼器數(shù)值模型(見圖6)。

圖6 雙剪型分階段屈服阻尼器數(shù)值模型

3.2 數(shù)值分析

(1)小位移幅值工況下的數(shù)值分析。在位移幅值分別為2.50、3.00、3.50、4.00、4.50 mm的工況下，經(jīng)過循環(huán)位移加載，雙剪型分階段屈服阻尼器的滯回曲線如圖7a所示。滯回曲線呈雙折線形式，在 4.50 mm處最大出力達(dá)到308.59 kN。這表明，雙剪型分階段阻尼器在小位移幅值工況下具有一定的耗能能力。此時，X型軟鋼片仍舊處于彈性狀態(tài)，阻尼器屈服后的剛度(K′)為49.12 kN/mm。當(dāng)加載至位移幅值為4.50 mm時，U型軟鋼片的屈服強度達(dá)到235.00 MPa，其Mises應(yīng)力云圖如圖7b所示。其中，U型軟鋼片開始進入塑性耗能階段，而X型軟鋼片仍處于彈性狀態(tài)。

圖7 雙剪型分階段屈服阻尼器在小位移幅值工況下的數(shù)值分析結(jié)果

(2)大位移幅值工況下的數(shù)值分析。在位移幅值分別為8.00、10.00、15.00、20.00、25.00、30.0 mm時，經(jīng)循環(huán)位移加載，雙剪型分階段阻尼器的滯回曲線如圖8a所示。滯回曲線的形狀飽滿、穩(wěn)定，且呈明顯的三折線形，在30.00 mm處出力達(dá)到了最大值(436.36 kN)。這表明雙剪型分階段阻尼器在大位移幅值工況下具有良好的耗能能力。當(dāng)加載至30.00 mm處時，X型軟鋼片已達(dá)到屈服強度345.00 MPa，其Mises應(yīng)力變化如圖8b所示。此時，U型和X型軟鋼片均處于塑性耗能階段。

圖8 雙剪型分階段屈服阻尼器在大位移幅值工況下的數(shù)值分析結(jié)果

加載位移較小時，軟鋼均處于彈性階段，阻尼器的彈性剛度(KOA)為108.49 kN/mm。

當(dāng)加載至A點，即U型軟鋼片的屈服位移點時，U型軟鋼片進入塑性屈服階段，X型軟鋼片基本處于彈性階段。此時，阻尼器的第二剛度(KAB)為46.74 kN/mm，與小位移幅值工況下U型軟鋼屈服后的剛度(49.12 kN/mm)相近。

當(dāng)加載至B點，即X型軟鋼片的屈服位移點時，軟鋼均處于塑性屈服階段。此時，阻尼器的第三剛度(KBC)為5.16 kN/mm，約為0.05KOA。這是因為，X型軟鋼片的中間寬度為60.00 mm，中間仍有部分區(qū)域處于彈性狀態(tài)，使其在發(fā)生屈服后剛度有所增大。

4 等效黏滯阻尼系數(shù)

等效黏滯阻尼系數(shù)常用來反映滯回曲線的飽滿程度，表現(xiàn)為一個封閉滯回環(huán)的面積。其數(shù)值越大，滯回曲線就越飽滿，阻尼器的耗能能力也就越強。等效黏滯阻尼系數(shù)的計算公式如下[15]：

(1)

式中：ξeq——等效黏滯阻尼系數(shù)；

SABCD——封閉滯回環(huán)的面積，代表阻尼器的耗能水平；

SOBE+ODF——位移幅值與其對應(yīng)的恢復(fù)力乘積所得的面積，代表等效線性體系的應(yīng)變能。

以位移幅值為10.00 mm時的滯回曲線為例(見圖9)，計算阻尼器的耗能性能指標(biāo)及等效黏滯阻尼系數(shù)。

圖9 位移幅值為10.00 mm時的滯回曲線

計算結(jié)果是：SABCD為7 429.26 kN·mm，SOBE+ODF為 3 588.46 kN·mm，等效黏滯系數(shù)為0.330。表2所示為雙剪型分階段屈服阻尼器在不同位移幅值下的耗能性能指標(biāo)計算結(jié)果。

由表2可知，隨著加載位移的增大，雙剪型分階段屈服阻尼器的耗能水平、等效應(yīng)變能和等效黏滯系數(shù)也逐漸增大。加載初期等效黏滯阻尼系數(shù)的增幅較大，隨著加載位移的增大其增幅逐漸變小，最后趨于穩(wěn)定。

表2 阻尼器在不同位移幅值下的耗能性能指標(biāo)

當(dāng)位移幅值為4.50 mm時，U型軟鋼片處于耗能階段，X型軟鋼片基本處于彈性階段。此時，滯回環(huán)面積為1 225.90 kN·mm，等效黏滯阻尼系數(shù)為0.141。

當(dāng)位移幅值為10.00 mm時，U型和X型軟鋼片均處于屈服耗能階段。此時，耗能水平為7 429.26 kN·mm，約為位移幅值4.50 mm時的 6倍；而等效黏滯阻尼系數(shù)則由0.141增至0.330，提高了約1.3倍。

當(dāng)位移幅值增至最大位移30.00 mm處時，滯回環(huán)面積為36 463.46 kN·mm，約為位移幅值4.50 mm時的30倍；而等效黏滯阻尼系數(shù)由0.141增至0.454，提高了約2.2倍。

由此可見，本次新設(shè)計的雙剪型分階段屈服阻尼器耗能效果良好，性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

本次研究討論了一種由U型和X型軟鋼組合的雙剪型分階段屈服阻尼器的設(shè)計。利用有限元軟件進行數(shù)值建模，其中加入了對X型和U型軟鋼的屈服強度、弧半徑及厚度等參數(shù)的分析。

雙剪型分階段屈服阻尼器主要由U型軟鋼和 X型軟鋼組合而成，通過這兩類軟鋼的合理組合，實現(xiàn)了分階段屈服耗能。在小位移作用下，荷載-位移曲線呈雙折線形。此時，U型軟鋼處于屈服耗能階段，X型軟鋼基本處于彈性階段，且U型軟鋼屈服后仍能為結(jié)構(gòu)提供較大的剛度。在30.00 mm的最大位移幅值下，荷載-位移關(guān)系曲線呈三折線形。在第1階段，U型軟鋼進入屈服耗能狀態(tài)，X型軟鋼基本處于彈性狀態(tài)；在第2階段，兩類軟鋼同時進入屈服耗能狀態(tài)。

雙剪型分階段屈服阻尼器的滯回曲線飽滿、穩(wěn)定，隨著加載位移的增大，滯回環(huán)面積和等效黏滯阻尼系數(shù)都逐漸增大，且增幅在初期較大而后趨于穩(wěn)定。這些現(xiàn)象表明，本次設(shè)計的阻尼器具有良好的屈服耗能性能。