剪切金屬軟鋼阻尼器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

徐瑞祥 張亞軍 李 炯

(1.豐澤智能裝備股份有限公司，河北 衡水 053000； 2.河北省減隔震技術(shù)及裝置工程技術(shù)研究中心，河北 衡水 053000)

0 引言

地震發(fā)生給人類社會帶來了巨大的災(zāi)難，尤其是近期全球地震活動比較頻繁，在中國先后發(fā)生了汶川、玉樹較大級別的地震，小震更是多次發(fā)生。在此背景下，中國也提高了地區(qū)的抗震級別，這給建筑的抗震、減震設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)，也帶來機(jī)遇。然而，在提高抗震等級的同時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員將面臨在建建筑的抗震加固，一般工程設(shè)計(jì)人員在原有建筑的結(jié)構(gòu)中增加消能減震措施，降低建筑層間位移角，實(shí)現(xiàn)建筑的地震設(shè)防。建筑消能減震技術(shù)有：

1)隔震技術(shù)，其代表產(chǎn)品是疊層橡膠支座，優(yōu)點(diǎn)：明顯降低地震作用，對上部和下部的減震效果均比較明顯。缺點(diǎn)：這類產(chǎn)品需要在原有結(jié)構(gòu)中單獨(dú)設(shè)置隔震層，在建建筑無法設(shè)置隔震層。

2)位移型阻尼器技術(shù)，代表產(chǎn)品是屈曲約束支撐，優(yōu)點(diǎn)：屈曲約束支撐的剛度和屈服力都比較大，應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)中可以明顯降低結(jié)構(gòu)的層間位移角，小震一般按彈性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品在中大震下進(jìn)入屈服狀態(tài)耗能。缺點(diǎn)：屈曲約束支撐布置方式為斜向布置，給建筑隔墻的砌筑帶來較大困難，住宅結(jié)構(gòu)，影響更加明顯。

3)速度型阻尼器，代表產(chǎn)品是黏滯阻尼器，優(yōu)點(diǎn)：黏滯阻尼器一般不考慮其對結(jié)構(gòu)的附加剛度影響，對降低結(jié)構(gòu)的地震力有一定的幫助。缺點(diǎn)：黏滯阻尼器一般需要定期維護(hù)和檢查，因此建筑方面比較難處理。對于住宅而言黏滯阻尼器的使用年限也有一定的限制。另外，黏滯阻尼器在大震階段的出力和耗能與金屬型阻尼器相比有一定的差距，大震的安全余量較低。

4)金屬阻尼器：代表產(chǎn)品是剪切型金屬阻尼器。優(yōu)點(diǎn)：剪切型金屬阻尼器的初始剛度較大，耗能效果較好，既可以為上部結(jié)構(gòu)提供一定剛度，又可以給整個(gè)結(jié)構(gòu)提供一定的阻尼比。產(chǎn)品的體積小，放置在隔墻中可以不影響建筑功能。缺點(diǎn)：對建筑的隔墻有一定影響，可能會引起墻體的裂縫，需要采取措施控制產(chǎn)品與墻體之間的縫隙。

綜上所述，綜合考慮對在建建筑的加固，金屬剪切型阻尼器對原有結(jié)構(gòu)影響最小。現(xiàn)在國內(nèi)鋼材技術(shù)日益成熟，本次設(shè)計(jì)了剪切金屬軟鋼阻尼器，主要受力部分采用LY160軟鋼，加工了2組不同截面尺寸，每組3個(gè)試件，進(jìn)行水平滯回試驗(yàn)，研究其力—位移水平滯回曲線、疲勞性能及耗能性能，為剪切金屬阻尼器的工程應(yīng)用提供參考。

1 剪切金屬軟鋼阻尼器的構(gòu)成及各部件功能

剪切金屬軟鋼阻尼器主要由腹板、翼緣板、連接板構(gòu)成，如圖1所示。腹板為阻尼器主要受剪切力的部件，當(dāng)阻尼器承受大的水平載荷時(shí)，腹板將沿寬度方向發(fā)生剪切變形，腹板應(yīng)力不超過鋼材的屈服應(yīng)力階段變形為彈性變形，超過屈服應(yīng)力后將發(fā)生塑性變形，兩側(cè)翼緣板同時(shí)發(fā)生彎曲變形，利用鋼材的彎曲實(shí)習(xí)耗能。為了保證腹板沿其寬度方向有較大的水平變位能力和足夠的穩(wěn)定性，翼緣板與腹板焊接到一起，用翼緣板的剛度約束腹板的扭轉(zhuǎn)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)用試件

表1 A，B組剪切金屬軟鋼阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2組不同截面尺寸，每組3個(gè)剪切金屬軟鋼阻尼器試件，2組試件編號分別為A1～A3，B1～B3。表1列出了2組試件的具體部件尺寸，L1為腹板寬度；L2為腹板高度；L3為腹板厚度；L4翼緣板寬度；L5為翼緣板厚度；2組試件的上、下連接板厚度均為20 mm。腹板采用LY160鋼材制作，鋼材拉伸曲線見圖2，拉伸數(shù)據(jù)見表2，鋼材力學(xué)性能穩(wěn)定，三個(gè)試樣的伸長率均超過50%，其伸長率明顯大于普碳鋼Q235，說明試驗(yàn)具有更好的塑性，能夠承受較大的沖擊載荷，試樣力學(xué)性能符合JG/J 209—2012建筑消能阻尼器[1]對金屬屈服型阻尼器的要求。

表2 LY160軟鋼拉伸數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載方式

試驗(yàn)采用的加載設(shè)備如圖3所示，為長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司制造的橡膠支座壓剪試驗(yàn)機(jī)(ZYDL-YJ10000)系統(tǒng)，試驗(yàn)機(jī)水平三個(gè)推力油缸，最大水平力2 000 kN，單油缸水平推力700 kN，水平最大速度200 mm/s，試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用電液伺服控制，力和位移由相應(yīng)的動態(tài)傳感器采集。

剪切金屬軟鋼阻尼器的試驗(yàn)包括水平滯回試驗(yàn)、極限位移幅值循環(huán)加載和等位移幅值疲勞加載試驗(yàn)。進(jìn)行水平滯回試驗(yàn)和極限位移幅值循環(huán)加載試驗(yàn)的試件為A1，A2，B1，B2，加載歷程如圖4所示。試件為A3，B3進(jìn)行±20 mm，30個(gè)循環(huán)低周疲勞試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)過程與現(xiàn)象

試件A1，A2，B1，B2進(jìn)行水平滯回性能試驗(yàn)，位移幅值由0.4 mm逐步增加至22 mm，每個(gè)幅值進(jìn)行3個(gè)循環(huán)后，試件保持完好，隨即進(jìn)行極限位移幅值循環(huán)加載試驗(yàn)，試件A1，A2，B1，B2極限位移幅值均達(dá)到42 mm后出現(xiàn)試件破壞。其中A1，A2試件連接板與翼緣板連接處發(fā)生破壞，B1，B2件破壞發(fā)生在腹板加強(qiáng)肋處。試件A3，B3進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，位移幅值20 mm，循環(huán)30次，試件未發(fā)生破壞，且剛度穩(wěn)定，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。由表1數(shù)據(jù)所知，A型試件寬高比明顯小于B型試件，試驗(yàn)現(xiàn)象表明阻尼器腹板的寬高比較小時(shí)，翼緣板與連接板處彎矩過大，翼緣板與連接板的連接焊縫開裂，引發(fā)連接板破壞；阻尼器腹板的寬高比較大時(shí)，腹板中間加強(qiáng)肋處焊縫引發(fā)腹板剪切開裂破壞；阻尼器破壞處都是在阻尼器加工焊縫處開始，說明阻尼器加工引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

3.2 水平滯回加載及等位移幅值疲勞加載

圖5繪制了各個(gè)試件水平滯回加載曲線，隨著加載位移幅值的逐步增加，滯回曲線包絡(luò)面積越來越大，呈飽滿穩(wěn)定的梭形，在其設(shè)計(jì)使用位移20 mm處，A1，A2，B1，B2試件均表現(xiàn)出穩(wěn)定的力學(xué)性能，承載力沒有下降。A3，B3進(jìn)行了位移幅值20 mm的30次低周疲勞，承載力下降不明顯，滯回曲線光滑，無異常，由此可見2組阻尼器具有穩(wěn)定的滯回性能及良好的疲勞性能。

3.3 極限位移幅值循環(huán)加載

極限位移循環(huán)加載曲線如圖6所示，隨著位移幅值的增加，滯回曲線包絡(luò)面積也隨之增加，最終以試件發(fā)生破壞停止試驗(yàn)，其中A2試件連接板與翼緣板連接處發(fā)生斷裂，導(dǎo)致承載力嚴(yán)重下降。

3.4 耗能能力

等效阻尼比是衡量構(gòu)件吸收耗散外界能量的指標(biāo)，圖7繪制了試件的等效阻尼比—位移關(guān)系曲線。根據(jù)圖7所示，在設(shè)計(jì)位移20 mm下，A型和B型試件最大等效阻尼比可達(dá)36.4%～39.5%。在位移2 mm工況下，A型試件等效阻尼比B型試件高56%，A型試件腹板的寬高比0.325，B型試件腹板寬高比0.5，腹板的寬高比對阻尼器的小位移的等效阻尼比影響較明顯。A型和B型試件在中等位移工況下，等效阻尼比均有明顯的臺階，可認(rèn)為鋼材進(jìn)入屈服后對等效阻尼比的影響。

4 結(jié)語

通過對2組不同截面尺寸的剪切金屬軟鋼阻尼器試件的不同位移幅值下水平滯回試驗(yàn)研究，分析了剪切金屬軟鋼阻尼器的極限位移幅值下的破壞形式和截面尺寸對水平滯回性能的影響。

1)采用軟鋼制造剪切金屬阻尼器具有良好的水平位移變位及耗能能力，可滿足建筑標(biāo)準(zhǔn)對阻尼器的要求。

2)剪切金屬軟鋼阻尼器的極限位移是設(shè)計(jì)位移的2倍，提供了安全保障。

3)通過試驗(yàn)現(xiàn)象分析，剪切金屬軟鋼阻尼器的破壞是發(fā)生在阻尼器加工時(shí)的焊縫處，所以剪切金屬阻尼器的加工引起的應(yīng)力集中需加以重視。