用于水工排架結(jié)構(gòu)的鉛剪切阻尼器試驗(yàn)研究

鄭人逢，宮必寧

(1.河海大學(xué)河海大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中心，江蘇南京210098;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

自20世紀(jì)70年代 Kelly［1］和 Skinner［2］等提出利用外加耗能裝置耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量的設(shè)想以來(lái)，耗能減震技術(shù)逐漸得到工程應(yīng)用且優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，研制和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便實(shí)用的新型消能減震裝置已成為滿足工程需要的必然趨勢(shì)。鉛阻尼器是一種具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定和無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的消能減震裝置，因此得到工程界廣泛認(rèn)可。

鉛阻尼器屬于金屬屈服阻尼器，其阻尼材料是金屬鉛，鉛的結(jié)晶構(gòu)造是面芯立方體，塑性變形能力好，在室溫條件下可變形并會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，通過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶，應(yīng)變硬化將消失，鉛的組織和性能將恢復(fù)至變形前的狀態(tài)，因此不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，所以理論上鉛是一種在室溫下做塑性循環(huán)時(shí)不會(huì)發(fā)生累計(jì)疲勞現(xiàn)象的普通金屬［3］。Robinson和Greenbank［4］較早地研發(fā)了一種使鉛反復(fù)通過(guò)孔口產(chǎn)生塑性變形來(lái)耗能的鉛阻尼器，并驗(yàn)證了這種鉛阻尼器良好的耗能性能。其后Monti和Robinson［5］研發(fā)了基于鉛剪切變形來(lái)達(dá)到耗能目的的剪切型鉛阻尼器。國(guó)內(nèi)的楊軍等［6－7］提出的一種鉛擠壓阻尼器，可作為工程結(jié)構(gòu)風(fēng)振和抗震結(jié)構(gòu)的消能裝置。閆偉明、彭凌云等［8－10］研制的一種鉛剪切型阻尼器，試驗(yàn)研究表明，次阻尼器的滯回性能穩(wěn)定，耗能效果好，且制作簡(jiǎn)單。該阻尼器已被成功應(yīng)用于某火電廠等［11］工程實(shí)踐中。此外國(guó)內(nèi)還有利用鉛與其他材料結(jié)合制成的復(fù)合型阻尼器［12－14］。目前研究開(kāi)發(fā)的鉛阻尼器類型主要有:(1)鉛擠壓阻尼器，(2)鉛剪切阻尼器，(3)鉛節(jié)點(diǎn)阻尼器，(4)圓柱形鉛阻尼器，異型鉛阻尼器等［15］，其中前兩種雖已在工程中得到較廣泛應(yīng)用，但不同的結(jié)構(gòu)形式和部位，需要的阻尼器形狀和構(gòu)造就存在不同程度的差異，例如，常見(jiàn)的板式鉛阻尼器、壓擠式鉛阻尼器的安裝形式均為斜撐安裝，轉(zhuǎn)動(dòng)式鉛阻尼器則應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角處。

基于以上問(wèn)題，本文針對(duì)水工建筑物中常見(jiàn)的排架結(jié)構(gòu)體系在地震作用下易產(chǎn)生動(dòng)力放大現(xiàn)象，為了合理有效的耗散地震能量，最終確保結(jié)構(gòu)體系的安全，研制了一種鉛剪切阻尼器。該鉛阻尼器以剪切作用為主，擠壓作用為輔，采用K字型安裝于梁與支撐節(jié)點(diǎn)處，另外該鉛阻尼器同時(shí)具有初始剛度大及屈服后具備良好變形能力兩個(gè)特點(diǎn)，該類安裝形式可以豐富鉛阻尼器在工程中的使用范圍。

1 鉛剪切阻尼器的構(gòu)造

設(shè)計(jì)的剪切型鉛阻尼器以剪切作用為主，擠壓作用為輔，采用K字型安裝于梁與支撐節(jié)點(diǎn)處，如圖1所示。

圖1 阻尼器構(gòu)造圖

安裝與構(gòu)造說(shuō)明:鉛阻尼器通過(guò)連接鋼板及固定螺栓與排架梁連接，剛支撐通過(guò)剛性節(jié)點(diǎn)與阻尼器下部鋼殼剛性連接成整體。在正常使用狀態(tài)下整個(gè)耗能體系不發(fā)揮作用，只有在水平動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)受到側(cè)向作用，阻尼器才通過(guò)塑性變形來(lái)消耗能量。安裝過(guò)程中，為保證支撐結(jié)構(gòu)的剛度，剛性支撐由型鋼制成，與阻尼器外殼剛性焊接。當(dāng)阻尼器受往復(fù)剪切荷載時(shí)，外部鋼殼包裹固定內(nèi)部鉛塊，阻尼器外部鋼套需對(duì)阻尼材料提供足夠的剛度及強(qiáng)度。因此，固外部鋼殼采用強(qiáng)度為400 MPa以上的高強(qiáng)鋼制成。圖1中封閉橡膠墊可以起到隔離鉛塊和外部空氣的作用，保證內(nèi)部鉛塊及鋼殼不受空氣氧化及侵蝕。上部鋼套與排架梁采用鋼板連接，將阻尼器焊接在鋼板上，并用高強(qiáng)抗剪螺栓與梁中預(yù)埋件固定。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

由于本文設(shè)計(jì)的剪切型鉛阻尼器以剪切作用為主，擠壓作用為輔，因此從抓住事物主要矛盾入手，本次試驗(yàn)主要針對(duì)阻尼器中核心部件鉛芯部分進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出鉛芯在受剪狀態(tài)的受力性能，為其進(jìn)一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2.1.1 試驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)

模型由外部夾具及內(nèi)部阻尼器鉛芯組成，如圖2所示。為了保證在加載過(guò)程中側(cè)向具有足夠剛度，在兩側(cè)構(gòu)件上均焊接兩塊3 cm厚抗側(cè)鋼板。阻尼器內(nèi)部鉛芯結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中H為受剪區(qū)厚度，兩側(cè)鋼殼采用 Q420制成，鋼殼內(nèi)腔灌入99.99%高純度鉛作為阻尼材料。每完成一組試驗(yàn)，僅需更換內(nèi)部阻尼器模型。各型號(hào)阻尼器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，表中剪切截面形式如圖4所示。

圖2 整體模型拼裝圖

圖3 阻尼器鉛芯圖

圖4 有效剪切截面圖(單位:mm)

根據(jù)試驗(yàn)研究目的，試驗(yàn)共制作6個(gè)型號(hào)的阻尼器模型，為便于研究阻尼器各性能參數(shù)，本文將各阻尼器型號(hào)進(jìn)行如下命名:

表1 各型號(hào)阻尼器模型主要尺寸參數(shù)

2.1.2 加載方案

本次試驗(yàn)選用鋸齒波，采用位移控制模式進(jìn)行低周往復(fù)加載，試件加載圖受力簡(jiǎn)圖如圖5、圖6所示。

圖5 試驗(yàn)加載圖

為探究阻尼器工作性能與有效剪切面積、受剪區(qū)厚度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、有效剪切面形式、加載次數(shù)等控制因素之間的關(guān)系。本試驗(yàn)的加載工況按照以下原則:(1)針對(duì)各個(gè)控制因素對(duì)阻尼器工作性能的影響關(guān)系安排工況，如有效剪切面積、受剪區(qū)厚度等;(2)各個(gè)影響因素要求多個(gè)比較組，進(jìn)而降低因模型加工誤差、瑕疵、接觸不嚴(yán)密等客觀原因?qū)υ囼?yàn)結(jié)論的影響;(3)結(jié)合試驗(yàn)加載設(shè)備實(shí)際輸出功率，合理安排加載工況，使各工況實(shí)際輸出功率為設(shè)備穩(wěn)定工作段，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。根據(jù)以上原則，設(shè)計(jì)各阻尼器加載工況如表2所示。

圖6 阻尼器受力簡(jiǎn)圖

表2 試驗(yàn)工況表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次分析將同一型號(hào)阻尼器所有加載數(shù)據(jù)繪制于同一圖中，以研究阻尼器工作性態(tài)規(guī)律。各型號(hào)阻尼器全工況加載的力—位移滯回曲線見(jiàn)圖7～圖12，阻尼器鉛芯變形見(jiàn)圖13。

圖7 QZN－34A－10(A1)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖8 QZN－34B－10(B1)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖9 QZN－25C－10(C1)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖10 QZN－34A－5(A2)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖11 QZN－34B－5(B2)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖12 QZN－25C－5(C2)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖13 阻尼器鉛芯變形圖

根據(jù)以上各型號(hào)阻尼器加載滯回曲線，對(duì)其工作性能分析如下:

(1)阻尼器的力—位移滯回曲線的面積和飽滿程度決定了阻尼器的耗能能力，滯回面積越大、越飽滿，其耗能性能越強(qiáng)，附加給結(jié)構(gòu)的等效阻尼比越大。從各型號(hào)阻尼器試驗(yàn)結(jié)果可知，阻尼器在循環(huán)加載下具有較好的塑性延展性，其力—位移滯回曲線隨著加載工況的改變，表現(xiàn)出較好的循跡性，滯回曲線較為飽滿，證明該類型阻尼器耗能性能良好。

(2)從上述各圖中還能發(fā)現(xiàn)，幾乎所有工況在力為0 kN時(shí)均發(fā)生不同程度的滑移現(xiàn)象。當(dāng)阻尼器受力方向發(fā)生改變的瞬間(由拉力變?yōu)閴毫蛴蓧毫ψ優(yōu)槔?，阻尼器的剪切位移發(fā)生大約1.5 mm左右的劇烈變化，而此時(shí)阻尼器受力為0 kN，最終在水平軸上出現(xiàn)一段斜率為0的水平線。文獻(xiàn)［16］研究表明，99.99%純金屬鉛在自然澆筑過(guò)程中，由于鉛材料與其他材料的收縮系數(shù)存在差異，液態(tài)鉛在凝固過(guò)程中的內(nèi)外溫差，以及鉛金屬在受壓變形時(shí)本身具有一定壓縮性，使鉛阻尼器難以做到完全密實(shí)，易產(chǎn)生不可避免的間隙。在阻尼力相同時(shí)，滑移現(xiàn)象間接增加了阻尼器的工作位移，降低阻尼器的等效剛度。而該現(xiàn)象很大程度上取決于模型的加工工藝，存在一定偶然性，因而通過(guò)加工、灌注工藝可減小滑移影響。

(3)圖8中，受拉及受壓的塑性剛度延展段，均出現(xiàn)了曲線波動(dòng)現(xiàn)象，而非象圖7中呈光滑直線發(fā)展。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，原因?yàn)閭€(gè)別阻尼器與夾具之間拼裝不夠嚴(yán)密，產(chǎn)生階段性摩擦力，在加載過(guò)程中逐步發(fā)生釋放，該現(xiàn)象在圖11 B2型阻尼器表現(xiàn)最為明顯。B2型阻尼器小位移加載時(shí)，滯回曲線發(fā)展趨勢(shì)較好。當(dāng)加載位移增加，阻尼力大于阻尼器與夾具間的最大靜摩擦力，因此表現(xiàn)出塑性剛度發(fā)展過(guò)程中，顯著的水平發(fā)展曲線。

(4)從圖13(a)可知，阻尼器在加載過(guò)程中整體形態(tài)保持良好，未出現(xiàn)連接件間的相互碰撞，說(shuō)明整個(gè)動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中荷載完全由阻尼器承當(dāng)，符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原則。從圖13(b)可知，鉛塊表面出現(xiàn)沿斜45度的平行剪切線，說(shuō)明阻尼器剪切變形明顯。

上述分析表明:鉛阻尼器在循環(huán)加載試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出較好的耗能性能及工作穩(wěn)定性能，為更具針對(duì)性地探究各控制因素對(duì)阻尼器工作性能的影響，以下分析過(guò)程均不考慮滑移現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2.1 加載位移分析

根據(jù)以上各型號(hào)阻尼器全工況滯回曲線圖7～圖12可知，隨著加載位移的增加，各型號(hào)阻尼器的滯回曲線均發(fā)生顯著變化，滯回更加飽滿、耗能面積明顯增加。以QZN－34A－10型阻尼器全工況滯回曲線為例，結(jié)合圖14、表3對(duì)該類阻尼器加載位移進(jìn)行分析，圖14中a段為滑移段，分析時(shí)不予考慮。圖14中B1至B3段為A1型阻尼器的骨架曲線。定義以下三個(gè)階段進(jìn)行分析:

圖14 QZN－34A－10型阻尼器力—位移滯回曲線

(1)彈性階段(B1段):該階段阻尼器加載位移大概在2.7 mm。力—位移曲線斜率較大，表明該階段阻尼器初始剛度較大。滯回曲線呈“細(xì)長(zhǎng)型”，滯回面積較小;與阻尼器彈性階段相對(duì)應(yīng)的是結(jié)構(gòu)在小震或中震作用時(shí)的響應(yīng)特點(diǎn)，雖然該階段阻尼器耗能作用并不明顯，但較大的附加剛度可增加主體結(jié)構(gòu)的整體剛度，有效減少結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)。

表3 A1型阻尼器各工況塑性剛度

(2)塑性階段(B2段):該階段阻尼器加載位移約3 mm～13.4 mm。該階段阻尼器表現(xiàn)出較好的塑性延展性，剛度較第一階段降低。由表3可知，工況2、工況3處于該階段內(nèi)，隨著加載位移變大阻尼力呈增加趨勢(shì)，且二者塑性剛度仍相等。此外該階段阻尼器力～位移曲線斜率與骨架曲線斜率相等，說(shuō)明該階段阻尼器耗能性能最佳，阻尼器工作性能較為穩(wěn)定。與阻尼器塑性階段相對(duì)應(yīng)的是結(jié)構(gòu)在大震或特大地震作用下的響應(yīng)特點(diǎn)，此時(shí)阻尼器滯回曲線由“細(xì)長(zhǎng)型”向“平行四邊形”發(fā)展，耗能面積迅速增加，阻尼器的等效阻尼比變大，較強(qiáng)的耗能能力能有效消耗地震傳遞給主體結(jié)構(gòu)的能量，保證結(jié)構(gòu)處于安全使用范圍。

(3)破壞階段(B3段):該階段阻尼器加載位移大于13.4 mm。雖然加載位移進(jìn)一步增加，但最大阻尼力已經(jīng)出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，由表3看出，該階段內(nèi)隨著加載位移增加阻尼器塑性剛度開(kāi)始降低，骨架曲線斜率小于零，說(shuō)明阻尼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞不易繼續(xù)使用。因此，阻尼器在主體結(jié)構(gòu)工作的整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)避免阻尼器處于破壞階段，保證結(jié)構(gòu)處于前兩階段。據(jù)此，本文定義該類型阻尼器破壞位移為屈服位移的4.8倍，即阻尼器的設(shè)計(jì)最大工作位移為:

式中:Smax設(shè)計(jì)最大工作位移;Sa屈服位移。

2.2.2 加載頻率分析

如圖14所示，在表2中工況7～工況9分別加載頻率 0.2 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz，加載位移均為 10 mm，但由于伺服作動(dòng)器在高頻作用下，受輸出功率所限，其加載幅值并未達(dá)到計(jì)劃加載位移10 mm，頻率越高，相差越遠(yuǎn)。

如圖15所示，工況7最大位移達(dá)到9.3 mm，而工況9在1.0 Hz的加載頻率下，最大位移僅為7 mm。但從圖15中各工況滯回環(huán)特點(diǎn)可以看出，在不同的加載頻率下，各工況滯回曲線發(fā)展趨勢(shì)保持相同，各工況在位移相等時(shí)，阻尼力及剛度均保持較高的一致性。比較工況9、工況8、工況7滯回環(huán)特性，可見(jiàn)工況8及工況7分別沿著工況9及工況8的滯回環(huán)繼續(xù)拉升、放大，表現(xiàn)較好的循跡性，且滯回曲線的發(fā)展趨勢(shì)和骨架曲線重合。由此可知，鉛阻尼器的耗能性能與加載頻率關(guān)系較小，即在低頻及安全加載振幅下，鉛阻尼器受加載速度影響較小。

2.2.3 循環(huán)加載次數(shù)

不同加載次數(shù)比較如圖16所示，圖中為工況14、工況15滯回曲線圖，工況14、工況15分別為QZN－34A－5型阻尼器由平衡位置開(kāi)始做5次和10次循環(huán)加載。

圖15 QZN－34B－10型阻尼器各工況力—位移滯回曲線

圖16 工況14、工況15滯回曲線比較圖

從圖16可知，阻尼器在初始循環(huán)荷載內(nèi)由于模型內(nèi)部材料密實(shí)度及加工工藝等原因，表現(xiàn)出一定的離散性。從第三次加載循環(huán)開(kāi)始，阻尼器內(nèi)部材料及間隙已被壓實(shí)，阻尼器的工作性能趨于穩(wěn)定。首先是各工況自身的滯回環(huán)吻合度較高，其次兩工況滯回環(huán)也具有一致的發(fā)展規(guī)律。由此說(shuō)明，阻尼器在安全加載狀態(tài)，加載次數(shù)對(duì)阻尼器的耗能性能影響較小。

2.2.4 阻尼器有效剪切面積

圖17為QZN－34A－5(A2型)型和QZN－25C－5(C2型)型阻尼器各工況滯回曲線對(duì)比圖。

圖17 A2型、C2型阻尼器部分工況滯回曲線對(duì)比

由工況表2知，A2型和C2型阻尼器具有相同的加載參數(shù)，區(qū)別在于前者有效剪切面積為34 cm2而后者為25 cm。比較圖17中兩阻尼器各工況滯回曲線可知:前者屈服阻尼力為24 kN、后者為20 kN，而二者的屈服位移均為4.3 mm，A2型具有更大的初始剛度。當(dāng)加載位移增加時(shí)，由于A2型具有較大的滯回面積，同時(shí)具有更大的塑性剛度及阻尼力。比較對(duì)應(yīng)特征數(shù)據(jù)可知，A2型與C2型剪切面積比值為1.36，而對(duì)應(yīng)屈服力比值為1.2，在加載位移為10 mm時(shí)二者阻尼力之比為1.28。由此可見(jiàn)，有效剪切面積對(duì)阻尼器的剛度、阻尼力等力學(xué)參數(shù)有著重要影響，面積越大，相應(yīng)的剛度及阻尼力均會(huì)增加，但其增加的幅度并不與剪切面積成正比。

2.2.5 阻尼器受剪區(qū)厚度

試驗(yàn)中QZN－25C－10(C1型)與QZN－25C－5(C2型)阻尼器區(qū)別在于前者的受剪區(qū)厚度為10 mm，后者為5 mm。如圖18所示，對(duì)比二者對(duì)應(yīng)工況滯回曲線做出如下分析:

圖18 C1型、C2型阻尼器部分工況滯回曲線對(duì)比

工況11、及工況23均為5 mm、0.2 Hz加載，兩阻尼器均未表現(xiàn)出塑性性能，主要表現(xiàn)為小位移作用下的初始變形，經(jīng)計(jì)算，C1型初始剛度KC1=8.0 kN/mm，略小于 C2型初始剛度 KC2=8.9 kN/mm。原因在于二者剪切面積相同，但C2型的受剪區(qū)厚度較小，在加載位移相同時(shí)，具有更大的剪切變形角，因此表現(xiàn)出更大的阻尼力。圖18(a)中C1型、C2型各工況滯回曲線圖，兩個(gè)阻尼器在大位移工作區(qū)域，塑性延展性都較好，滯回飽滿，且對(duì)應(yīng)工況滯回環(huán)吻合度較高。受剪區(qū)厚度越小，對(duì)應(yīng)的初始剛度越大。

2.2.6 阻尼器剪切截面形式

試驗(yàn)中QZN－34A－5(A2型)與QZN－34B－5(B2型)阻尼器區(qū)別在于有效剪切面截面形式，前者為橢圓，后者為長(zhǎng)方形。

如圖19所示，比較兩個(gè)典型加載位移5 mm及10 mm的滯回曲線圖可知，無(wú)論在小位移還是大位移作用下，兩阻尼器均表現(xiàn)出相吻合的初始剛度及塑性延展特性，甚至具有相似的離散性。圖19中塑性發(fā)展中段二者表現(xiàn)出的偏差，是由不同型號(hào)阻尼器與夾具之間的摩擦力造成的，從圖中可看出，A2型阻尼器加工工藝好于B2型阻尼器。

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)以上各型號(hào)阻尼器試驗(yàn)現(xiàn)象及成果分析，本文所研究阻尼器符合如圖20雙線性力學(xué)模型。圖20中，K1為初始剛度、K2為塑性剛度、Sa為屈服位移、Fa為屈服力。以上六個(gè)型號(hào)阻尼器相關(guān)力學(xué)參數(shù)計(jì)算見(jiàn)表4。

圖19 A2型、B2型阻尼器部分對(duì)比工況滯回曲線

圖20 阻尼器力學(xué)模型

表4 各型號(hào)阻尼器力學(xué)參數(shù)表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的鉛剪切阻尼器進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:該類阻尼器為典型位移型阻尼器，加載位移很大程度上決定了阻尼器的耗能性能;阻尼器的屈服力及初始剛度隨著剪切面積的增加而增加，初始剛度隨著受剪區(qū)厚度的增加而降低，在破壞位移內(nèi)進(jìn)行低頻加載，加載頻率、次數(shù)的影響較小。此外還提出了該阻尼器的最大設(shè)計(jì)位移公式。該阻尼器滯回曲線比較飽滿，呈平行四邊形向側(cè)延伸，具有小位移、大剛度的力學(xué)特征。并根據(jù)其恢復(fù)力曲線，確定了該類阻尼器的雙線性力學(xué)模型。

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