鉛盤阻尼器耗能減震的性能研究

尹新生 孫 浩

(吉林建筑大學(xué)寒地綠色建筑技術(shù)工程中心,長春 130118)

0 引言

目前,由于建筑結(jié)構(gòu)的要求對減震技術(shù)的研究已經(jīng)越來越廣泛,比如隔離減震技術(shù)、耗能減震技術(shù).隨著社會的發(fā)展,新設(shè)備的不斷更新和研發(fā),應(yīng)用程序的增多,鉛金屬阻尼器逐漸發(fā)揮了其在某些關(guān)鍵領(lǐng)域的重要地位.這主要利用了鉛受外力時發(fā)生彈塑性變形消耗地震能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,從而達到減震、隔震的目的.

1 鉛的基本性質(zhì)

鉛之所以能成為理想的彈塑性材料之一,是因為鉛具有高密度、高電阻率、低熔點、低強度、導(dǎo)熱率小、耐腐蝕、可塑性強、線膨脹系數(shù)大等特點.而且鉛在發(fā)生較小變形時就能獲得很好的耗能性能.鉛在結(jié)構(gòu)特征方面屬于芯立方體結(jié)構(gòu),其剛度小、柔性高、延展性良好,并且具有良好的變形跟蹤能力,這就注定鉛在變形時可以吸收和消耗大量能量.

鉛在變形過程中會發(fā)熱,甚至溶化導(dǎo)致再結(jié)晶(室溫以下溫度),鉛在變形的同時，會產(chǎn)生動態(tài)恢復(fù)過程,此時鉛會進行動態(tài)再結(jié)晶,在此過程中，鉛的應(yīng)變硬化情況也會消失,其結(jié)構(gòu)組織和性能會逐漸恢復(fù)到變形前的狀態(tài).

所以從理論上講,鉛是在普通金屬之中唯一做塑性循環(huán)時(在室溫下)不會產(chǎn)生累積疲勞現(xiàn)象的[1].綜上所述,鉛是一種極好的耗能材料,并有望廣泛的應(yīng)用到耗能減震裝置里.鉛的各項性能見表1和表2.

表1 純鉛的主要物理性能

表2 鉛的室溫力學(xué)性能

2 模擬鉛盤受周期荷載滯回曲線

通過ABAQUS建模分析,鉛盤直徑采用400mm,厚度50mm,周期2hz,在鉛盤周邊均勻布置八個直徑20mm的螺桿固定鉛盤,盤中心布置直徑20mm的隨動桿,對隨動桿施加周期荷載,測出力與位移數(shù)據(jù),繪制滯回曲線.裝配結(jié)構(gòu)如圖1,鉛盤應(yīng)力圖如圖2,滯回曲線如圖3.

圖1 裝配結(jié)構(gòu) 圖2 應(yīng)力圖 圖3 滯回曲線

采用同樣模型分析,其他尺寸保持不變,對鉛盤進行疊加,盤間距50mm,通過ABAQUS進行雙盤分析,分別采用不同頻率,不同振幅來研究對鉛盤滯回曲線的影響如圖4～圖6所示.

(a)0.5Hz (b)1Hz (c)1.5Hz圖4 鉛盤阻尼器在不同加載頻率時滯回曲線

(a)振幅±1mm (b)振幅±2mm圖5 鉛盤阻尼器在不同振幅時滯回曲線

20次循環(huán)加載圖6 鉛盤阻尼器在多次循環(huán)加載后的滯回曲線

3 結(jié)論

從圖中模擬的滯回曲線分析發(fā)現(xiàn),本文研究的鉛盤阻尼器具有如下特點:

(1) 對于不同的試驗加載頻率,保持其他一切條件相同,頻率從0.2Hz到5Hz,所得的滯回曲線基本一致,從而可知鉛盤阻尼器的耗能性能與頻率基本無關(guān);

(2) 對于不同的試驗加載位移,保持其他一切條件相同,位移從5mm到10mm,所得的滯回曲線更加飽滿,從而可知鉛盤阻尼器的阻尼力、阻尼比增加,而剛度降低,可塑性性質(zhì)強,體現(xiàn)了鉛盤阻尼器良好的耗能性能;

(3) 對實驗?zāi)Ｐ瓦M行多次循環(huán)加載后可以看到鉛還能保持幾乎原有的耗能性能,這正是由于鉛具有動態(tài)再結(jié)晶功能,這也表明了鉛盤阻尼器不僅沒有累計疲勞,而且具有良好的耗能性能[4].

由此可見,鉛盤阻尼器有很多優(yōu)點:優(yōu)秀的耗能性能、構(gòu)件簡單 、方便制作,是一種十分優(yōu)秀耗能減振裝置.它不僅可以作為耗能元件或限位裝置應(yīng)用在隔震系統(tǒng)中,又可以做為風(fēng)振阻尼裝置安裝在建筑結(jié)構(gòu)中.因此,鉛盤阻尼器具有很大的研究空間和廣闊的應(yīng)用前景.

參 考 文 獻

[1] 閻維明.房屋建筑減震控制理論和試驗研究[D].哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所,1998.

[2] 丁于強.工程結(jié)構(gòu)振動半主動控制發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,24(5):42-43.

[3] 張同忠.粘滯阻尼器和鉛阻尼器的理論與試驗研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,42(6):10-11.

[4] Hanson Robert D,Aiken Ian D,Nims Douglas K,et al.State-of-art and State-of-practice in Seismic Energy Dissipation[A].Proceeding of ATC-17-1 on Seismic Isolation[C].Springer-verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co.K,2013.