軸向拉壓型金屬阻尼器抗震性能測(cè)試及其應(yīng)用研究

魯 亮， 劉 霞， 代桂霞

(1.同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092；2.東南大學(xué) 城市工程科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210096)

軸向拉壓型金屬阻尼器抗震性能測(cè)試及其應(yīng)用研究

魯 亮1， 劉 霞2， 代桂霞1

(1.同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092；2.東南大學(xué) 城市工程科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210096)

以一種軸向拉壓型金屬阻尼器為研究對(duì)象，介紹了軸向拉壓型金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其理論計(jì)算方法；進(jìn)行了抗震性能測(cè)試，得到了軸向拉壓型金屬阻尼器的屈服位移、屈服荷載及屈服剛度，并分析了其耗能能力；研究了軸向拉壓型金屬阻尼器在體外預(yù)應(yīng)力自復(fù)位結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明：軸向拉壓型金屬阻尼器利用腹板軸向拉壓耗能，避免了連接構(gòu)件的局部損壞；安裝方式與黏滯阻尼器相同，安裝方便、易于更換；軸向拉壓型金屬阻尼器具有提供結(jié)構(gòu)附加剛度，控制結(jié)構(gòu)位移，耗能顯著的優(yōu)點(diǎn)。

軸向拉壓型金屬阻尼器；抗震性能；擬靜力試驗(yàn)；耗能能力

基于經(jīng)濟(jì)與損失均衡的考慮，根據(jù)現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)，建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下產(chǎn)生一定程度的損傷是不可避免的，因此在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中有效控制結(jié)構(gòu)的損傷部位和損傷程度是非常重要的理念。近幾十年來(lái)發(fā)展了結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制、被動(dòng)控制和混合控制的抗震方法[1-3]，比較成熟的被動(dòng)控制抗震方法中又有隔震、耗能減震等技術(shù)方法，工程應(yīng)用中主要利用耗能裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的隔震和耗能減震。耗能裝置可分為：速度相關(guān)型(如黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等)；位移相關(guān)型(如金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器等)[4]。

金屬阻尼器是一種耗能性能優(yōu)越、構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作方便、造價(jià)低廉、易于更換的耗能減震裝置。在地震作用下，金屬阻尼器在結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生塑性變形前先發(fā)生屈服，消耗了大部分地面運(yùn)動(dòng)傳遞給建筑結(jié)構(gòu)的能量。它既可以配合隔震支座和隔震系統(tǒng)，作為其中的耗能單元或限位裝置，又可以單獨(dú)用于建筑結(jié)構(gòu)中作為耗能裝置，提供附加阻尼和剛度，目前使用的金屬阻尼器大多屬于剪切加載型阻尼器[5]，其上下端面鋼板通過(guò)錨固螺栓或焊接連接到框架梁底及下部人字形支撐頂部，在剪力作用下使金屬腹板剪切耗能。但是框架結(jié)構(gòu)層間側(cè)移引起的豎向位移量與阻尼器的豎向變形量一般不相同，阻尼器上端面鋼板擠壓梁底，導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)局部損壞。

為克服常規(guī)金屬阻尼器的缺點(diǎn)，減少地震作用時(shí)可能產(chǎn)生的對(duì)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，本文提出了一種軸向拉壓型金屬阻尼器，介紹了軸向拉壓型金屬阻尼器力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法，進(jìn)行了軸向拉壓型金屬阻尼器的抗震性能測(cè)試，研究了軸向拉壓型金屬阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中的耗能特性。

1 軸向拉壓型金屬阻尼器

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

軸向拉壓型金屬阻尼器[6]的構(gòu)造圖如圖1所示，該阻尼器包括中心鋼板、設(shè)置在中心鋼板兩側(cè)的翼緣板以及設(shè)置在中心鋼板與翼緣鋼板之間的多個(gè)耗能腹板，中心鋼板與構(gòu)件固定連接，耗能腹板將中心鋼板與翼緣板連接。中心鋼板設(shè)有一對(duì)，共面對(duì)稱(chēng)布置；翼緣鋼板設(shè)有一對(duì)，分別沿中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置在中心鋼板兩側(cè)；耗能腹板選用多塊X形鋼板，平均分為數(shù)組，分別對(duì)稱(chēng)布置在中心鋼板與翼緣板之間。耗能腹板的屈服耗散了地震中輸入的能量，同時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)進(jìn)行了有效的控制。

圖1 軸向拉壓型金屬阻尼器結(jié)構(gòu)構(gòu)造Fig.1 Constructional detail of axial compression-tension metallic damper

軸向拉壓型金屬阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中的安裝如圖2所示，框架層間安裝人字撐，鉸支座通過(guò)焊接或螺栓與人字撐連接，梁底預(yù)埋鉸支座，利用鋼插銷(xiāo)將軸向拉壓型金屬阻尼器與梁底以及人字撐鉸支座連接。地震作用時(shí)，框架產(chǎn)生層間變形，軸向拉壓型金屬阻尼器承受軸向拉壓荷載，耗能腹板變形耗能，消耗了地震能量，控制了層間變形；軸向拉壓型金屬阻尼器上表面與梁底面留有間隙，在結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，垂直于框架方向不會(huì)對(duì)梁底產(chǎn)生擠壓。

圖2 軸向拉壓型金屬阻尼器安裝方式Fig.2 Installation of axial compression-tension metallic damper

與剪切型加載金屬阻尼器相比，本文設(shè)計(jì)的軸向拉壓型金屬阻尼器優(yōu)點(diǎn)顯著：①安裝方式與黏滯阻尼器相同，在結(jié)構(gòu)采用黏滯阻尼器與金屬阻尼器進(jìn)行混合減震控制時(shí)，兩種阻尼器的安裝方式一致，操作方便；②腹板利用軸向拉壓進(jìn)行屈服耗能，避免了剪切加載型金屬阻尼器與整體結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)，擠壓梁底，造成結(jié)構(gòu)局部破壞的問(wèn)題。

1.2 力學(xué)參數(shù)計(jì)算

在設(shè)計(jì)阻尼器前，需要通過(guò)理論計(jì)算對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算，得到其大致外形尺寸，再通過(guò)有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，最終得到工程設(shè)計(jì)所需的阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)。

軸向拉壓型阻尼器裝置的初始剛度、屈服荷載、屈服位移是試驗(yàn)和分析時(shí)所必需的參數(shù)，下面分別對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo)。

為了便于分析，在理論推導(dǎo)之前，作如下假定：①不考慮軸力與剪力引起的變形(小一量級(jí))，僅考慮阻尼器腹板的彎曲變形；②在彎曲變形過(guò)程中，腹板橫截面始終保持為平面，即平截面假定。

取阻尼器中一片X形腹板，建立坐標(biāo)如圖3所示，X形鋼板的高度為h，寬度為b，厚度為t，X形鋼板最窄處寬b0，在高度為y處，X形鋼板截面參數(shù)如圖3所示。

圖3 軸向拉壓型金屬阻尼器X形腹板Fig. 3 X-shaped web of axial compression-tension metallic damper

X形腹板寬度為

(1)

對(duì)x軸的慣性矩為

(2)

X形腹板受力簡(jiǎn)圖及內(nèi)力圖如圖4和5所示，腹板的主受力方向與厚度方向垂直，且消能鋼板的高度遠(yuǎn)大于其厚度，故腹板變形以彎曲變形為主。

圖4 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.4 Computing model

圖5 內(nèi)力圖Fig.5 Internal force diagrams

1.2.1 初始剛度

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法來(lái)求解腹板的初始剛度。首先求其柔度，即單位力所產(chǎn)生的位移δ

(3)

(4)

(5)

1.2.2 屈服位移

純彎曲的應(yīng)力計(jì)算公式為

(6)

當(dāng)腹板高度為y處的某一截面的邊緣(z=t/2)的應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)，腹板進(jìn)入屈服狀態(tài)，則由式(6)可得此截面的屈服彎矩為

(7)

則此截面屈服時(shí)的曲率可由式(8)計(jì)算

(8)

由式(8)可見(jiàn)，沿y軸各個(gè)截面厚度相同處，截面屈服時(shí)的曲率都相同。則屈服位移為

(9)

由式(8)可以看出，軸向拉壓型金屬阻尼器腹板在相同厚度處的各點(diǎn)同時(shí)達(dá)到屈服。

1.2.3 屈服荷載

一片X形腹板的屈服荷載為

(10)

考慮到本文中軸向拉壓型金屬阻尼器是由4組腹板對(duì)稱(chēng)布置在上下翼緣板與中心鋼板之間，每組鋼板由n片X形鋼板組成，則計(jì)算軸向拉壓型金屬阻尼器整體剛度、屈服位移和屈服荷載時(shí)需對(duì)一片腹板相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行組合。

初始剛度為

(11)

(12)

屈服荷載為

(13)

屈服位移分別為

(14)

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)b0=0，即ξ=0時(shí)，η=1；當(dāng)b0=b，即ξ=1時(shí)，η=1.5。所以當(dāng)0≤ξ≤1時(shí)，1≤η≤1.5，隨著b0的增加，腹板的初始剛度和屈服剪力也在增大。

2 軸向拉壓型金屬阻尼器抗震性能

利用軸向拉壓型金屬阻尼器理論計(jì)算式(12)～式(14)，結(jié)合實(shí)測(cè)材性數(shù)據(jù)進(jìn)行軸向拉壓型金屬阻尼器的初步設(shè)計(jì)，可以得到阻尼器初步外形尺寸，再通過(guò)有限元計(jì)算，可精確調(diào)整得到阻尼器尺寸參數(shù)。最終根據(jù)結(jié)構(gòu)所需屈服剛度、屈服位移以及屈服荷載，選擇符合參數(shù)要求的阻尼器尺寸為：耗能腹板選用4組，每組腹板采用3片X形鋼板，腹板采用Q235鋼，其他鋼材均采用Q345鋼，軸向拉壓型金屬阻尼器具體尺寸如圖6所示。

圖6 金屬阻尼器構(gòu)造Fig.6 Constructional detail of metallic damper

這種軸向拉壓型金屬阻尼器通過(guò)X形腹板的側(cè)向彎曲屈服而耗能。它的最大優(yōu)點(diǎn)在于相同厚度處的各點(diǎn)將同時(shí)達(dá)到屈服，充分發(fā)揮了鋼板材料的塑性性能，大大提高了耗能能力。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定消能部件的性能參數(shù)應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)確定，通過(guò)對(duì)軸向拉壓型金屬阻尼器施加水平荷載進(jìn)行低周反復(fù)擬靜力試驗(yàn)，測(cè)試阻尼器的荷載-位移滯回性能，阻尼器的加載方式采用位移控制，加載工況為圖7所示，試驗(yàn)裝置如圖8所示，加載作動(dòng)器為MAS-100型作動(dòng)器，最大出力100 kN，行程500 mm，位移采用拉線(xiàn)式位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖9給出了阻尼器在不同工況下變形圖。

圖7 位移加載幅值Fig.7 Displacement amplitude of loading

圖8 阻尼器試驗(yàn)Fig.8 Quasi-static test of the dampers

圖10為根據(jù)擬靜力試驗(yàn)得到的軸向拉壓型金屬阻尼器的滯回曲線(xiàn)。由圖10可知，阻尼器滯回曲線(xiàn)呈飽滿(mǎn)的反S形，沒(méi)有頸縮和強(qiáng)度折減現(xiàn)象，說(shuō)明阻尼器具有顯著的能量吸收能力。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的滯回曲線(xiàn)，可計(jì)算出阻尼器的初始剛度為3.22 kN/mm，屈服力為15.56 kN，屈服位移為4.87 mm。將阻尼器實(shí)際力學(xué)和幾何參數(shù)代入理論式(12)～式(14)，計(jì)算得出阻尼器的初始剛度為3.36 kN/mm，屈服力為15.36 kN，屈服位移為4.57 mm。計(jì)算結(jié)果表明理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了拉壓型金屬阻尼器力學(xué)參數(shù)理論公式的正確性。

圖9 不同位移下阻尼器變形Fig.9 Deformations of the damper under different displacement

圖10 阻尼器滯回曲線(xiàn)Fig.10 Hysteretic loop curve of damper

3 EPSCF結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

此處所述EPSCF (External Prestressing Self-Centering)結(jié)構(gòu)是一種新型抗震結(jié)構(gòu)體系[7]，如圖11所示，該體系是在CR-RCF結(jié)構(gòu)[8-10]基礎(chǔ)上的改進(jìn)，結(jié)構(gòu)構(gòu)造更簡(jiǎn)潔、施工更方便、預(yù)應(yīng)力控制更準(zhǔn)確。EPSCF結(jié)構(gòu)具有以下技術(shù)特征：①在柱腳節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)處采用純鉸接的連接方式，使框架結(jié)構(gòu)具有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，同時(shí)弱化了框架的整體剛度，減小了結(jié)構(gòu)中地震輸入的能量；②EPSCF結(jié)構(gòu)采用體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)提供地震作用下結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力，在上下兩層梁之間布置呈倒“八”或正“八”字形的鋼絞線(xiàn)，張拉后產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力錨固于梁上、下表面；③結(jié)構(gòu)中采用軸向拉壓型金屬阻尼器耗散地震能量、控制結(jié)構(gòu)位移，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著提升。地震后，只需對(duì)搖擺節(jié)點(diǎn)部位裝置及軸向拉壓型金屬阻尼器等進(jìn)行必要的檢查更換，無(wú)需進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的修復(fù)，地震后可很快恢復(fù)正常生活和生產(chǎn)，帶來(lái)極明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，符合“可恢復(fù)功能”的抗震設(shè)計(jì)理念。

圖11 EPSCF結(jié)構(gòu)模型Fig.11 Model of EPSCF structure

為了進(jìn)一步研究軸向拉壓型金屬阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中的耗能減震作用，進(jìn)行了EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)及EPSCF有控結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn)。EPSCF有控結(jié)構(gòu)是在EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上安裝軸向拉壓型金屬阻尼器后形成，如圖12所示。EPSCF有控結(jié)構(gòu)中的軸向拉壓型金屬阻尼器在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生屈服(見(jiàn)圖13)，控制了結(jié)構(gòu)位移，耗散了輸入到結(jié)構(gòu)中的能量。

圖12 EPSCF有控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)圖Fig.12 Test of EPSCF structure with damper

圖13 阻尼器變形圖Fig13. Deformation of the damper

3.1 EPSCF結(jié)構(gòu)耗能性能

根據(jù)EPSCF結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)，分別得到EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)及EPSCF有控結(jié)構(gòu)的滯回曲線(xiàn)，如圖14所示。

圖14 EPSCF結(jié)構(gòu)滯回曲線(xiàn)對(duì)比Fig.14 Comparison of hysteretic loop curves of EPSCF structures

由圖14可知：①EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線(xiàn)比較狹長(zhǎng)，幾乎呈一條直線(xiàn)，而EPSCF有控結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線(xiàn)呈飽滿(mǎn)的反S形，說(shuō)明EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)中鋼絞線(xiàn)在搖擺過(guò)程中處于彈性，不具備耗能能力，而設(shè)置阻尼器的EPSCF有控結(jié)構(gòu)具有顯著的耗能能力；②EPSCF有控結(jié)構(gòu)的層間位移達(dá)到6.94 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)中總荷載為17.57 kN。此時(shí)阻尼器屈服進(jìn)入塑性變形階段，開(kāi)始發(fā)揮耗能作用，相應(yīng)的阻尼器變形為5.04 mm、承擔(dān)荷載為16.06 kN，初始剛度為3.25 kN/mm，而由理論式(12)～式(14)得出阻尼器參數(shù)為：初始剛度為3.36 kN/mm，屈服力為15.36 kN，屈服位移為4.57 mm。對(duì)比表明理論計(jì)算結(jié)果與EPSCF結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)合理參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)EPSCF結(jié)構(gòu)遭遇多遇地震時(shí)，阻尼器保持彈性，為結(jié)構(gòu)提供一定附加剛度，但不發(fā)揮耗能作用；當(dāng)EPSCF結(jié)構(gòu)經(jīng)歷設(shè)防烈度地震時(shí)，金屬阻尼器發(fā)揮作用，X形腹板屈服耗能，耗散地震中的能量；當(dāng)EPSCF結(jié)構(gòu)進(jìn)入罕遇地震階段，應(yīng)保證阻尼器不發(fā)生材料破壞，X形腹板不發(fā)生斷裂。

將同方向加載的荷載-位移曲線(xiàn)中超過(guò)前一次加載最大荷載的區(qū)段平移相連后得到EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)及EPSCF有控結(jié)構(gòu)的骨架曲線(xiàn)，如圖15所示。

圖15 EPSCF結(jié)構(gòu)骨架曲線(xiàn)圖Fig.15 Skeleton curves of EPSCF structures

由圖15可知：①EPSCF有控結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)有明顯的屈服點(diǎn)，呈現(xiàn)雙折線(xiàn)的特征，而EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)幾乎呈線(xiàn)性，主要由于EPSCF有控結(jié)構(gòu)中阻尼器發(fā)生屈服，有明顯的屈服點(diǎn)；②由于阻尼器結(jié)構(gòu)本身具有一定的剛度，故EPSCF有控結(jié)構(gòu)在第二階段的剛度也比EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)大，即阻尼器的設(shè)置增加了結(jié)構(gòu)剛度。

為探討EPSCF無(wú)控與有控結(jié)構(gòu)體系之間的關(guān)系，將EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)骨架曲線(xiàn)與阻尼器滯回曲線(xiàn)進(jìn)行疊加(見(jiàn)圖16(a))，并與EPSCF有控結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖16(b))

圖16 EPSCF結(jié)構(gòu)恢復(fù)力構(gòu)成Fig.16 Restoring force components of EPSCF structure

圖16可以看出，EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)與阻尼器的疊加曲線(xiàn)與EPSCF有控結(jié)構(gòu)重合度較高，由此歸納出：EPSCF結(jié)構(gòu)體系由預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)和阻尼系統(tǒng)線(xiàn)性疊加形成，其恢復(fù)力曲線(xiàn)關(guān)系如圖17所示。圖中預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)為線(xiàn)彈性，預(yù)應(yīng)力的線(xiàn)性剛度為EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果中的剛度；阻尼系統(tǒng)的特征由結(jié)構(gòu)中的阻尼器特性決定，根據(jù)阻尼器的滯回恢復(fù)力曲線(xiàn)，簡(jiǎn)化得到阻尼系統(tǒng)的骨架曲線(xiàn)。

圖17 EPSCF結(jié)構(gòu)體系恢復(fù)力模型Fig.17 Restoring force model of EPSCF structures

3.2 軸向拉壓型金屬阻尼器耗能特性

將EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)、EPSCF有控結(jié)構(gòu)及軸向拉壓型金屬阻尼器的滯回曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖18所示。

圖18 EPSCF結(jié)構(gòu)及軸向拉壓型金屬阻尼器滯回曲線(xiàn)對(duì)比Fig.18 Comparison of hysteretic loop curves between EPSCF structures and axial compression-tension metallic damper

由圖18可知：①EPSCF有控結(jié)構(gòu)滯回曲線(xiàn)剛度大于EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了軸向拉壓型金屬阻尼器為結(jié)構(gòu)提供了一定的剛度；②與EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)相比，EPSCF有控結(jié)構(gòu)增加的耗能能力均來(lái)自阻尼器，說(shuō)明軸向拉壓型金屬阻尼器作為建筑結(jié)構(gòu)中的耗能裝置效果顯著。

在實(shí)際建筑中，要識(shí)別或用數(shù)學(xué)描述能量耗散(如摩擦、混凝土微裂縫的張開(kāi)與閉合等)機(jī)理中的每一項(xiàng)似乎是不可能的[11]。因此，實(shí)際結(jié)構(gòu)中的阻尼通常用高度理想化的方法描述。將實(shí)際結(jié)構(gòu)中的阻尼用等效阻尼表示，是使用起來(lái)最簡(jiǎn)單的阻尼形式。根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[12](JGJ/T 101—2015)中關(guān)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耗能性能的衡量要求，滯回曲線(xiàn)一個(gè)滯回環(huán)所圍成的面積代表結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耗能能力的大小。本文采用根據(jù)滯回曲線(xiàn)計(jì)算出的單周滯回耗能和等效阻尼系數(shù)ξe來(lái)判斷試件的耗能能力。等效阻尼系數(shù)越大，則滯回曲線(xiàn)越飽滿(mǎn)，面積越大；等效阻尼系數(shù)越小，耗能系數(shù)越小，則滯回曲線(xiàn)捏縮越嚴(yán)重。

如圖19所示，面積ABCD為滯回曲線(xiàn)一周所耗散的能量；面積OBE為假想的彈性直線(xiàn)OB在達(dá)到相同位移(OE)時(shí)所包圍的而積(即儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能)。曲線(xiàn)面積ABC與三角形面積OBE之比，表示耗散能量與等效彈性體產(chǎn)生相同位移時(shí)輸入的能量之比。等效阻尼系數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)式(15)。

圖19 荷載-位移滯回曲線(xiàn)Fig.19 Load-displacement hysteretic loop curve

(15)

從以上耗散能量(見(jiàn)圖20)和等效阻尼系數(shù)(見(jiàn)圖21)的對(duì)比可以看出：

圖20 EPSCF結(jié)構(gòu)耗散能量圖Fig.20 Energy dissipation diagram of EPSCF structures

圖21 等效阻尼系數(shù)Fig.21 Coefficient of equivalent damping

(1)對(duì)于安裝軸向拉壓型金屬阻尼器的EPSCF有控結(jié)構(gòu)，滯回環(huán)飽滿(mǎn)，表現(xiàn)出良好的耗能特性。滯回耗能逐級(jí)增加，并且增加幅度在提高，在發(fā)生90mm位移時(shí)結(jié)構(gòu)中耗散能量7 187J，是EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)耗能能力的20倍，這一特點(diǎn)和軸向拉壓型金屬阻尼器自身性能相關(guān)，說(shuō)明了軸向拉壓型金屬阻尼器顯著的耗能能力。

(2)安裝軸向拉壓型金屬阻尼器的EPSCF有控結(jié)構(gòu)，等效阻尼比呈先上升后略有下降的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)最初等效阻尼比為16.8%，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生60mm位移時(shí)，等效阻尼比達(dá)到最大，且最大值為27.4%，之后等效阻尼系數(shù)略有降低，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)等效阻尼比最終為26.2%；沒(méi)有安裝軸向拉壓型金屬阻尼器的EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)，等效阻尼系數(shù)比較小，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服位移后的第一個(gè)滯回環(huán)的等效阻尼系數(shù)為10.4%，隨后等效阻尼比呈減小趨勢(shì)，在結(jié)構(gòu)發(fā)生90mm位移時(shí)，EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)等效阻尼比為3.2%，與EPSCF有控結(jié)構(gòu)的26.2%相比，降低了87.8%，說(shuō)明了軸向拉壓型金屬阻尼器具有穩(wěn)定的耗能能力。

4 結(jié) 論

本文對(duì)軸向拉壓型金屬阻尼器及其應(yīng)用在EPSCF結(jié)構(gòu)中的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)軸向拉壓型金屬阻尼器利用腹板軸向拉壓耗能，安裝方式與黏滯阻尼器相同，安裝方便、易于更換；在結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)梁底不發(fā)生擠壓，避免了引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部損壞。

(2)軸向拉壓型金屬阻尼器滯回曲線(xiàn)呈飽滿(mǎn)的反S形，沒(méi)有頸縮和強(qiáng)度折減現(xiàn)象，說(shuō)明軸向拉壓型金屬阻尼器具有顯著的能量吸收能力。

(3)EPSCF結(jié)構(gòu)體系由鋼絞線(xiàn)系統(tǒng)和阻尼系統(tǒng)線(xiàn)性疊加形成，阻尼系統(tǒng)的特征由結(jié)構(gòu)中的軸向拉壓型金屬阻尼器性能參數(shù)決定。

(4)大位移階段，EPSCF無(wú)控結(jié)構(gòu)的等效阻尼系數(shù)穩(wěn)定在3.2%，設(shè)置軸向拉壓型金屬阻尼器的EPSCF有控結(jié)構(gòu)等效阻尼系數(shù)為26.2%，說(shuō)明軸向拉壓型金屬阻尼器具有穩(wěn)定的耗能能力。

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An experimental study on the mechanical properties of an axial compression-tension metallic damper and its application

LU Liang1， LIU Xia2， DAI Guixia1

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. International Institute for Urban Systems Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The constructional detail and theoretical calculation of a kind of axial compression-tension metallic damper were introduced. The yield displacement, yield load and yield stiffness of the axial compression-tension metallic damper were obtained through the quasi-static test, and its energy dissipation capacity was analysed. The application of the damper used in External Prestressing Self-centering Frame (EPSCF) was researched. The results indicate that ① the axial tension-compression metallic damper dissipates energy through the deformation of its web plates, and the damages occurred on the adjacent components can be avoided; ② the installation type of this metallic damper is the same as the viscous damper, it can be conveniently installed and easily replaced; ③ the axial compression-tension metallic damper has the advantages of promoting additional stiffness, controlling drifts and dissipating seismic energy.

axial compression-tension metallic damper; seismic performance; quasi-static test; energy dissipation capacity

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678453；51261120377)

2016-04-08 修改稿收到日期： 2016-07-08

魯亮 男，博士，副教授，1969年11月生

劉霞 女，碩士，1990年7月生

TU352.1；TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.022