ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析及試驗

劉軍，律偉，張小鋒，王京雁

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析及試驗

劉軍，律偉，張小鋒，王京雁

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

ε型鋼阻尼器是一種尺寸小、性能優(yōu)越的金屬阻尼器，可廣泛應用于各種工程抗震結構中。本文分析了影響ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的因素，應用數值仿真對該類阻尼器的滯回疲勞性能進行了分析及試驗驗證。結果表明：ε型鋼阻尼器在循環(huán)載荷作用下具有良好的耗能作用，并且抗疲勞性能優(yōu)越；在地震中可往復循環(huán)多次耗能，保護主體橋梁的安全。

ε型鋼阻尼器；抗震；滯回疲勞分析；試驗

近年來，隨著鐵路、公路建設的快速發(fā)展，對鐵路橋梁和公路橋梁的抗震性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)的結構抗震方法是通過增強結構本身來抵抗地震力，但這種被動抗震的方法對于大跨度結構及橋梁結構會造成嚴重的制約［1］；同時增強結構會增加造價，消耗資源。彈塑性鋼阻尼器具有良好的阻尼消能能力，在地震時通過往復塑性變形（滯回移動）消耗地震能量，減少對主體結構的損害。

目前國內外已研制出了大量的阻尼器，其中金屬阻尼器具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點，使其在實際工程中的應用前景極為廣闊［2-3］。目前應用較多的金屬阻尼器有E型鋼、C型鋼、非線性阻尼輻等阻尼器［4］。而ε型鋼是一種最新研發(fā)的新型金屬阻尼器，其重量比同類金屬阻尼器更輕，占用空間也更小，阻尼消能性能優(yōu)良，可以廣泛用于各種工程結構中，特別是橋梁工程領域［5］。

目前ε型鋼阻尼器已應用于阻尼抗震橋梁支座中，ε型鋼阻尼器地震耗能的滯回循環(huán)次數即滯回疲勞壽命，反映了阻尼器的耗能能力和抗震能力，在設計時必須保證，在抗震標準和規(guī)范中也有相應要求。

1　影響ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的關鍵因素

在一般的金屬結構中，結構受力后材料處在彈性范圍內，影響結構疲勞壽命的主要因素是應力，人們一直應用S-N曲線進行疲勞壽命分析，設計時主要考慮結構的最大應力。ε型鋼阻尼器在地震滯回耗能時，已處在塑性范圍內，不能再用經典的S-N曲線分析疲勞壽命，而應采用低周疲勞分析方法來分析滯回疲勞壽命。低周疲勞的研究使人們進一步認識到，在描述材料的疲勞性能時，應變是比應力更直接的物理量［6］。因此，對于ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析，采用應變壽命曲線（ε-N曲線）更為合理。

美國鋼結構協(xié)會鋼結構抗震規(guī)定ANSI/AISC 341-05、美國抗震規(guī)范FEMA450中滯回耗能試驗均規(guī)定了鋼阻尼器（如防屈曲支撐）最低累積塑性變形要求，這也表明了鋼阻尼器滯回耗能時應變是影響其滯回壽命的主要因素。

因此，在進行ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析時，主要考慮其滯回耗能時的最大應變。

2　ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析

2.1ε型鋼阻尼器最大應變的計算

ε型鋼阻尼器原型如圖1。其中a為ε型鋼臂段的寬度，h為ε型鋼的高度，L為ε型鋼單段長度。

圖1　ε型鋼阻尼器原型

在給定外形的情況下，ε型鋼屈服后的最大應變εmax主要與最大屈服位移dmax相關，引入經驗公式進行估算。

在抗震設計中，ε型鋼的最大地震位移dmax是一個給定的輸入量，因此可以由上述公式求出ε型鋼的最大應變εmax，而εmax關系到ε型鋼疲勞阻尼壽命，根據本文作者的經驗，其值不宜＞0.06。

下述仿真分析中將驗證公式（1）的準確性。

2.2仿真分析

對構件進行疲勞分析時，首先進行結構的靜態(tài)分析，得到相應的靜態(tài)應力結果后再進行疲勞分析。

2.2.1靜態(tài)計算

1）靜態(tài)計算結構模型及載荷

按照ε型鋼原型圖，取a=41 mm，h=145 mm，L=120 mm，設計最大地震位移dmax=60 mm。靜態(tài)計算采用有限元軟件ABAQUS 6.11進行模擬，有限元模型及邊界條件見圖2。上下部分的連接板結構不是研究的對象，設為剛體；ε型鋼設為變形實體，實體模型采用C3D8R單元，共劃分網格23 613個。

圖2　有限元模型及邊界

阻尼元件材料采用Q345B鋼材，具體參數如表1。

表1　Q345B材料參數

2）靜態(tài)計算結果

圖3　ε型鋼應變云圖

將ε型鋼阻尼器按照±60 mm設計位移加載，得到在最大位移處的應變結果，見圖3。應變的最大值為0.055。進入塑性階段時，支座水平反力為205 kN。位移荷載和支座反力的滯回曲線見圖4。滯回曲線呈梭形，形狀飽滿，耗能良好。

圖4　ε型鋼仿真滯回曲線

另外再選擇兩組不同尺寸的ε型鋼進行了有限元仿真分析驗證，并與公式（1）的計算結果進行了對比，見表2。

表2　公式計算值與仿真分析結果比較

從表2來看，公式（1）計算值與有限元結果相近，公式（1）對設計有指導意義。

2.2.2動態(tài)計算

1）疲勞壽命計算曲線

根據上述應力分析的結果，將靜態(tài)計算的結果導入疲勞軟件Fe-Safe，對組件進行疲勞壽命計算。由于此分析是在材料超過屈服強度的應力作用下的低周疲勞分析，因此采用應變疲勞分析方法。

此類疲勞特征是循環(huán)應力水平高、壽命短，屈服后應變變化大，應力變化小。其計算依據并不是常規(guī)的S-N曲線，而是低周應變疲勞曲線ε-N，表達式為

式中：σ'f為疲勞強度系數，b為疲勞強度指數，ε'f為疲勞延性系數，c為疲勞延性指數。曲線構建方式見圖5。

2）疲勞壽命計算結果

按照ε型鋼的工作方式確定疲勞分析譜為：60 mm—0 mm—-60 mm—0 mm。為得出較精確的壽命，以一個循環(huán)為設計壽命進行分析。產品表面粗糙度為50 μm。

圖6是疲勞計算結果云圖。從圖6可知，ε型鋼阻尼產品的疲勞壽命為32.8次，因此該產品可以完成32次疲勞分析譜的循環(huán)。

圖5　低周應變疲勞曲線

圖6　ε型鋼阻尼產品疲勞壽命云圖

3　ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能試驗

為了驗證ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的分析結果，選取表2中的樣品1，2進行了滯回疲勞性能試驗。

試驗采用的設備是1 000 t壓剪試驗機，試件按照實際尺寸制造。試驗模擬鋼阻尼橋梁支座的使用工況，依照交通運輸部標準《公路橋梁彈塑性鋼減震支座》（JT/T 843—2012）附錄A中的要求進行［7］。

疲勞試驗按照正弦波形式，以2 mm/s速度循環(huán)加載，位移±60 mm，直到ε型鋼失效。圖7及圖8是ε型鋼試驗模型實物及試驗設備圖。

實物試驗結果：試驗設置循環(huán)加載至25次時，試件狀態(tài)良好，阻尼性能穩(wěn)定（見圖9）；循環(huán)加載至32.5次時，樣品出現明顯裂紋，阻尼性能下降；35次循環(huán)加載后，試件1出現明顯裂紋但未斷裂，試件2斷裂（見圖10）。

從試驗結果來看：支座反力為200 kN，可以完成的循環(huán)疲勞次數為32次，與有限元計算結果相符合。試驗樣品的滯回曲線飽滿，與有限元計算的滯回曲線結果也接近，交通運輸部標準JT/T 843—2012要求的加載循環(huán)僅為11次，而ε型鋼遠遠超出其規(guī)定的循環(huán)次數，可見其優(yōu)良的抗疲勞性能。亦即，ε型鋼阻尼器在地震中可以循環(huán)往復多次不會失效，更加有效地耗散地震能量，保護主體橋梁結構。

圖7　ε型鋼試驗模型實物

圖8　ε型鋼試驗裝置

圖9　25次循環(huán)滯回曲線

圖10　試件2試驗結果

4　結論

通過對ε型鋼阻尼器的滯回疲勞性能分析及試驗，可以得出如下結論：

1）影響ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的主要因素是其最大應變。

2）通過經驗公式可以大致估算ε型鋼阻尼器滯回耗能時的最大應變，并根據經驗預估阻尼器的滯回疲勞性能，提高設計準確性。

3）試驗表明，通過基于低周應變疲勞曲線ε-N的仿真分析，可以準確分析出ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能。

4）分析和試驗表明，ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能優(yōu)良，可以廣泛用于各種抗震工程結構中。

［1］周云.金屬耗能減震結構設計［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2006.

［2］李世珩，陳彥北，胡宇新，等.E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應用［J］.鐵道建筑，2012（1）：1-4.

［3］潘晉，吳成亮，仝強，等.E型鋼阻尼器數值仿真及試驗研究［J］.振動與沖擊，2009（3）：192-195.

［4］劉軍，寧響亮，李文斌，等.彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應用［J］.鐵道建筑，2012（2）：22-24.

［5］劉軍，律偉，張小鋒，等.ε形鋼阻尼器設計仿真分析及試驗研究［J］.鐵道建筑，2015（2）：21-24.

［6］靳慧.低周疲勞結構彈塑性分析與可靠性分析［D］.上海：同濟大學，2005.

［7］中華人民共和國交通運輸部.JT/T 843—2012公路橋梁彈塑性鋼減震支座［S］.北京：人民交通出版社，2013.

Analysis and Test of Hysteretic Fatigue Performance of ε-shaped Steel Damper

LIU Jun，LYU Wei，ZHANG Xiaofeng，WANG Jingyan
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China）

ε-shaped steel damper，a metal damper with small size and good performance，is widely applied to various anti-seismic engineering structures.T he factors affecting hysteretic fatigue performance of ε-shaped steel damper were analyzed through numerical simulation and experimental tests in the article.T he results indicate that the ε-shaped steel damper has good effect of energy dissipation and good anti-fatigue performance.T hrough multiple times of cyclic dissipation of energy，it may be used to prevent the main bridge from earthquake.

ε-shaped steel damper；Anti-seismic；Hysteretic fatigue analysis；T est

U442.5+5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.08

1003-1995（2016）09-0031-04

（責任審編孟慶伶）

2016-02-04；

2016-06-15

劉軍（1970—），男，教授級高級工程師。