方鋼管鉛芯阻尼器性能研究

胡強(qiáng) 陳勁飆 唐咸遠(yuǎn)

摘 要：針對(duì)方鋼管更具適應(yīng)性、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便等特點(diǎn)，本文提出方鋼管鉛芯阻尼器.采用有限元方法對(duì)方鋼管鉛芯阻尼器的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并與圓鋼管鉛芯阻尼器進(jìn)行對(duì)比研究. 結(jié)果表明，與圓鋼管鉛芯阻尼器相比，方鋼管鉛芯阻尼器的延性和屈服剪力略低、屈服后剛度略高、初始剛度與耗能性能相近. 因此，方鋼管鉛芯阻尼器能夠滿足耗能減震的作用.

關(guān)鍵詞：方鋼管鉛芯阻尼器；屈服剪力；耗能性能；有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

將阻尼器應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，可大量消耗地震能量，減小地震損失[1-3]，降低地震給工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損害.1972年Kelly等[4]首次提出利用金屬塑性變形耗能減震，隨后出現(xiàn)了各種金屬阻尼器[5-6]，如鋼阻尼器、鉛阻尼器、形狀記憶合金阻尼器和組合式阻尼器等.常見(jiàn)的鋼阻尼器如梁式阻尼器、圓環(huán)阻尼器、鋼棒阻尼器及鋼板剪切阻尼器等，具有塑性能力強(qiáng)、延性好、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).鉛具有塑性高、強(qiáng)度低、潤(rùn)滑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且通過(guò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)與再結(jié)晶過(guò)程，其組織和性能可以恢復(fù)至變形前的狀態(tài)，因而鉛阻尼器具有較高的延性和塑性變形能力，能大量吸收能量，并具有較好的變形跟蹤能力.目前的鉛阻尼器主要有鉛擠壓阻尼器、鉛剪切阻尼器、鉛節(jié)點(diǎn)阻尼器、鉛粘彈性阻尼器等[7-9].周云等[7]提出鋼管鉛芯阻尼器，體現(xiàn)了“多種耗能機(jī)制共同耗能”的思想.

鋼管鉛芯阻尼器采用內(nèi)灌鉛芯的圓鋼管，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工安裝方便、耗能性能優(yōu)良、工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn).相對(duì)圓鋼管而言，相同規(guī)格的方鋼管的承載力和抗震性能更好，且方鋼管與其他構(gòu)件的連接更為簡(jiǎn)單方便，因而方鋼管更具適應(yīng)性.本文基于圓鋼管鉛芯阻尼器，提出方鋼管鉛芯阻尼器，并對(duì)方鋼管鉛芯阻尼器進(jìn)行有限元分析，研究其力學(xué)性能，并對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比.

1 鋼管鉛芯阻尼器的構(gòu)造

鋼管鉛芯阻尼器由鋼管、鉛芯、端板組成，其構(gòu)造及各參數(shù)如圖1所示.

如圖1（a）所示，方鋼管阻尼器對(duì)鋼管中部外側(cè)進(jìn)行削弱以使塑性變形集中在削弱處，其中c為鋼管非削弱段，l為削弱段，鋼管厚度為t，削弱段最小厚度為t'，鋼管與端板采用焊縫連接.阻尼器兩端若設(shè)堵頭，則堵頭應(yīng)位于端板中心且堵頭為半球形，半徑為R.制作時(shí)，可將一端端板與鋼管焊接，灌鉛后再焊接另一側(cè)端板.

為方便對(duì)比，以圓鋼管鉛芯阻尼器[10]（SCD為無(wú)堵頭，SCD-plug為有堵頭）為基礎(chǔ)，通過(guò)鋼管截面面積與慣性矩等效（SSD-AI為無(wú)堵頭，SSD-AI-plug為有堵頭）、鋼管截面面積與厚度不變（SSD-At）、鋼管截面積與鉛芯截面均不變（SSD-AA）、內(nèi)外輪廓尺寸不變（SSD-Dd）等方式計(jì)算得到方鋼管鉛芯阻尼器的參數(shù)如表1所示.

2 鋼管鉛芯阻尼器的有限元模型

采用ABAQUS軟件對(duì)阻尼器進(jìn)行建模，采用C3D8R三維實(shí)體減縮積分單元，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示.模型的材料參數(shù)[9]為：鋼管鋼材彈性模量E=2.1×105 MPa，泊松比v=0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=235 MPa，極限強(qiáng)度f(wàn)u=400 MPa，極限應(yīng)變?chǔ)舥=0.2；鉛彈性模量為E=1.65×104 MPa，泊松比v=0.42，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=10.5 MPa.建模時(shí)，鋼管與鉛芯、鋼管與端板之間采用綁定約束，端板與鉛芯之間采用硬接觸；試件底端為固定約束，頂端約束除水平方向外的其他自由度，并在頂端施加水平位移.

3 有限元分析結(jié)果

3.1 堵頭的影響

分別對(duì)試件SCD，SCD-plug，SSD-AI，SSD-AI-plug進(jìn)行推覆分析和滯回分析.如圖3和圖4所示，其荷載-位移曲線分3個(gè)階段，即直線上升段、屈服后曲線段、下降段.無(wú)論圓鋼管阻尼器還是方鋼管阻尼器，堵頭僅對(duì)曲線下降段有明顯的影響，堵頭能有效減緩下降段的降低趨勢(shì)，使阻尼器的承載力不致降低過(guò)多；但對(duì)于直線段和屈服后階段沒(méi)有顯著影響.

如表2所示，圓鋼管阻尼器的屈服剪力和極限位移均高于方鋼管阻尼器，但無(wú)論圓鋼管阻尼器還是方鋼管阻尼器，屈服剪力在有堵頭時(shí)僅比無(wú)堵頭時(shí)分別略大1.5%及0.6%，極限剪力分別略大0.83%及1.3%，而延性系數(shù)前者下降5.8%，后者增大3.9%，表明堵頭對(duì)阻尼器的剪切承載力與延性的影響不大.

由圖4試件滯回曲線所示，有堵頭的阻尼器比沒(méi)有堵頭的阻尼器的滯回環(huán)略大，但其滯回曲線形狀均非常飽滿，均具有優(yōu)良的滯回耗能能力.

綜上所述，設(shè)置堵頭能使鋼管鉛芯阻尼器的剪切承載力、延性、滯回耗能性略有提高，但提高有限，且堵頭的設(shè)置在一定程度上增加了阻尼器構(gòu)造上的復(fù)雜性.因此，本文主要討論不設(shè)置堵頭的阻尼器的力學(xué)性能.

3.2 圓鋼管鉛芯阻尼器與方鋼管鉛芯阻尼器的力學(xué)性能對(duì)比

為了研究阻尼器的力學(xué)性能，對(duì)比方鋼管鉛芯阻尼器與圓鋼管鉛芯阻尼器的性能，分析以圓鋼管鉛芯阻尼器SCD為基礎(chǔ)，以不同等效方式獲得的方鋼管試件SSD-AI，SSD-At，SSD-AA，SSD-Dd共5個(gè)試件的剪力-位移曲線及滯回曲線，分別如圖5及圖6所示.

由表3及圖5可知，所有試件的剪力-位移曲線均分為3段，即直線上升段、屈服后曲線段和下降段，所有試件直線上升段幾乎相同；方鋼管阻尼器的屈服后曲線由曲線段和近似直線段組成，而圓鋼管阻尼器屈服后曲線的曲線段非常小；方鋼管阻尼器的屈服位移、極限位移及延性系數(shù)均小于圓鋼管阻尼器.

方鋼管阻尼器除SSD-Dd外，其它3個(gè)試件的屈服剪力和極限剪力均小于圓鋼管阻尼器；采用鋼管與鉛芯截面面積均不變方式的方鋼管阻尼器（SSD-AA）的屈服剪力在5個(gè)試件中最小，但其剪力-位移曲線屈服后斜率即屈服后剛度與圓鋼管阻尼器基本一致；采用面積與慣性矩等效方式的方鋼管阻尼器（SSD-AI）的極限剪力小于圓鋼管阻尼器，屈服后曲線斜率即屈服后剛度略大于圓鋼管阻尼器，但非常接近；采用鋼管截面面積與厚度不變方式方鋼管阻尼器（SSD-At）的屈服剪力大于試件SSD-AI與SSD-AA，但略小于圓鋼管阻尼器，但其屈服后曲線的斜率即屈服后剛度大于圓鋼管阻尼器；采用內(nèi)外輪廓尺寸不變方式的方鋼管阻尼器（SSD-Dd）的屈服剪力與屈服后剛度均大于圓鋼管阻尼器.

由圖6可知，各試件的滯回曲線均較為飽滿，都具有較好的滯回耗能性能，但方鋼管阻尼器除試件SSD-Dd外，由于屈服剪力略小，導(dǎo)致其滯回曲線面積略小于圓鋼管阻尼器，即圓鋼管鉛芯阻尼器的耗能性能略?xún)?yōu)于方鋼管.

上述分析表明：試件SSD-AI，SSD-At，SSD-AA的屈服剪力與極限剪力小于圓鋼管鉛芯阻尼器SCD，而試件SSD-Dd則大于圓鋼管鉛芯阻尼器.究其原因，是由于圓鋼管對(duì)鉛芯的套箍效應(yīng)強(qiáng)于方鋼管，以及采用的不同的等效方式.對(duì)比表1所示阻尼器幾何參數(shù)可知，由于采用鋼管面積和慣性矩相等、鋼管截面面積與厚度不變、鋼管截面積與鉛芯截面均不變的等效條件，使得方鋼管的輪廓尺寸以及鉛芯面積明顯小于圓鋼管，例如方鋼管鉛芯阻尼器試件SSD-AI的外輪廓尺寸減小了12.7%，內(nèi)輪廓尺寸減小了13.6%，鋼管厚度減小了9.1%，鉛芯面積減小了5%；而采用內(nèi)外輪廓尺寸不變的等效方法使得試件SSD-Dd的鋼管面積增大了27.4%，鋼管慣性矩增大了70%，鉛芯面積增大了27.4%.

對(duì)比表1和表3可知，試件SSD-Dd的屈服剪力和極限剪力大于其它3個(gè)試件，表明可通過(guò)適當(dāng)加大輪廓尺寸提高阻尼器的屈服剪力和極限剪力；試件SSD-AI的極限位移大于另外3個(gè)試件，表明可通過(guò)增大阻尼器高寬比來(lái)增大延性；試件SSD-AA的極限位移和延性系數(shù)大于試件SSD-At，表明可減小鋼管厚度來(lái)提高極限位移和延性.

4 結(jié)論

綜上所述，雖然圓鋼管鉛芯阻尼器的屈服剪力略高于方鋼管鉛芯阻尼器，耗能性能好于方鋼管阻尼器，但方鋼管鉛芯阻尼器仍能滿足工程需求，其屈服剪力相較圓鋼管鉛芯阻尼器而言降低并不大，且其延性較好；同時(shí)，方鋼管鉛芯阻尼器可通過(guò)適當(dāng)加大鋼管輪廓尺寸獲得更好的力學(xué)性能，加大高寬比和減小鋼管厚度獲得更大的極限位移和延性；此外，由于方鋼管鉛芯阻尼器構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，制作方便，與其它構(gòu)件的連接較圓鋼管更為方便；因而方鋼管鉛芯阻尼器具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值.

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Abstract：Dampers are prevalent in seismic structure on account of the effective reduction of earthquake damage and loss of the structure. Lead-filled circular steel tube damper has excellent energy dissipation and stable working performance， in contrast， the lead-filled square steel tube damper is more adaptive in simple and reasonable joint and convenient construction. Finite element model is built to study mechanical behaviors of the lead-filled square steel tube damper. Then the comparative study of circular and square steel tube dampers is conducted. The results indicate that the square steel tube damper has a little smaller ductility and yielding shear， higher post-yielding stiffness and almost the same energy dissipation. Therefore， the lead-filled square steel tube damper meets the demand of energy dissipation and seismic mitigation.

Key words： lead-filled square steel tube damper； yielding shear； energy dissipation behavior； finite element

（學(xué)科編輯：黎 婭）