金屬橡膠耗能減震阻尼器參數(shù)確定方法

閆旭雯，趙亞哥白，丁甫政，于 鑫，邱宇欣，王志強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引 言

金屬橡膠是由相互交錯的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬絲纏繞而成的一種彈性多孔材料。目前在工程機(jī)械、航天航空等領(lǐng)域，金屬橡膠用作耗能隔震部位的材料比較廣泛。在高低溫、腐蝕環(huán)境等特種工況下，由金屬橡膠制成的隔震器具有良好的隔震性能，所以目前在工程機(jī)械、海洋船舶等領(lǐng)域均有應(yīng)用，但是作為耗能減震裝置，在土木工程領(lǐng)域很少被使用，因此開發(fā)金屬橡膠材料，制成具有自復(fù)位能力的新型金屬橡膠材料耗能減震裝置是有一定得工程前景的。

基于此材料的耗能減震裝置的存在會對耗能減震結(jié)構(gòu)的動力特性和動力反應(yīng)產(chǎn)生較大影響，地震反應(yīng)的控制效果由耗能裝置出力的大小和能量的耗散而決定。為使金屬橡膠阻尼器在連梁剪力墻結(jié)構(gòu)中的耗能作用最大程度的發(fā)揮，使其既最大程度降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，又避免附加給結(jié)構(gòu)過大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷。故需要對金屬橡膠阻尼器進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)。本文主要初步設(shè)計(jì)金屬橡膠阻尼器基本參數(shù)，為地震響應(yīng)分析中，安裝該阻尼器的耗能減震結(jié)構(gòu)提供分析依據(jù)。

2 阻尼器基本參數(shù)初步確定

根據(jù)建立金屬橡膠本構(gòu)模型的方法，金屬橡膠試驗(yàn)曲線按照0.27為相對密度，30%的應(yīng)變幅值建立擬合的本構(gòu)模型如圖1所示。基于金屬橡膠材料的阻尼器置于連續(xù)梁中時，當(dāng)金屬橡膠進(jìn)入應(yīng)力加強(qiáng)段時，本構(gòu)模型的割線剛度增大，MR阻尼器的出力增加，隨著連接梁附加剛度的增大，結(jié)構(gòu)整體剛度增大，這使得加速度地震響應(yīng)增大。因此，需要采用阻尼器的最大應(yīng)變達(dá)到本構(gòu)折線的拐點(diǎn)時(即未進(jìn)入應(yīng)力強(qiáng)化段)的應(yīng)力和應(yīng)變設(shè)計(jì)阻尼器長度和面積，以避免控制效果不佳。下面金屬橡膠試驗(yàn)曲線按照相對密度0.27，應(yīng)變幅值30%建立擬合的本構(gòu)模型如圖1所示，假設(shè)應(yīng)變?yōu)?4.3%即第一拐點(diǎn)時，為阻尼器達(dá)到最大出力。

圖1 能力譜曲線和彈塑性需求譜曲線

3 阻尼器出力與橫截面積設(shè)計(jì)

目前國際廣泛采用的評價抗震能力的方法主要是靜力彈塑性分析方法(Pushover方法)，這種方法是實(shí)現(xiàn)基于性能-位移抗震設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵之一。在12階振型模式中，本文采用的是第一階振型即倒三角形力加載模式，逐步施加靜力荷載。應(yīng)用ABAUQS有限元軟件建立12層剪力墻連梁結(jié)構(gòu)模型，對其進(jìn)行靜力荷載分析，進(jìn)過數(shù)據(jù)的提取，得出基底剪力-頂層位移的Pushover曲線，如圖2所示。然后再采用MATLAB軟件折線擬合計(jì)算，得到的結(jié)果是：當(dāng)Pushover整體結(jié)構(gòu)屈服時，屈服點(diǎn)處對應(yīng)基底剪力FS=2.02×106N，此時刻第3層右側(cè)為連梁端部剪力最大值，用ABAQUS軟件程序中的freebodycut命令提取數(shù)據(jù)，得到基底剪力值為456 KN，如圖3、圖4所示。

圖2 倒三角形荷載pushover曲線

圖3 整體結(jié)構(gòu)屈服時刻連梁兩側(cè)剪力

圖4 第3層連梁兩端剪力

阻尼器的出力近似可認(rèn)為是此剪力值，即阻尼器的出力為45.6噸。阻尼器橫截面積A：

(1)

4 阻尼器長度L設(shè)計(jì)

圖5 整體結(jié)構(gòu)屈服時刻層間位移

應(yīng)用靜力彈塑性分析方法施加靜力荷載推覆分析時，當(dāng)結(jié)構(gòu)到達(dá)屈服點(diǎn)時，通過ABAQUS軟件處理數(shù)據(jù)，得到模型所有12層的層間位移，如圖5所示，由圖中可以看出，最大位移值為第8層層間位移，即Δfy=3.31 mm。圖6表達(dá)的是連梁端部相對變形與層間位移之間的幾何關(guān)系，由圖中可以分析得出，連梁端部相對位移與層間位移有一定的關(guān)系.

圖6 層間位移與連梁端部位移的關(guān)系

(2)

式中：lc—連梁長度；H—連梁高度；Δfy—層間位移

按照上述位移設(shè)計(jì)阻尼器的長度

(3)

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用靜力彈塑性方法(pushover)，在12階振型中選取第一階振型即倒三角形荷載加載模式，對ABAQUS建立的12層有限元模型進(jìn)行推覆分析，繪制出剪力墻結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂層位移pushover曲線，根據(jù)上述曲線確定整體結(jié)構(gòu)屈服點(diǎn)時刻的連梁端部剪力與屈服位移，初步設(shè)計(jì)出金屬橡膠阻尼器的基本參數(shù)。得到如下結(jié)論：

將整體結(jié)構(gòu)屈服時刻對應(yīng)連梁端部的剪力作為阻尼器的出力的方法是可行而有依據(jù)的，按照此方法計(jì)算出該阻尼器的出力為45.6 t，再由阻尼器出力進(jìn)而確定阻尼器橫截面A=0.316 m2。

當(dāng)整體結(jié)構(gòu)推覆至屈服時刻，根據(jù)12層中最大的層間位移計(jì)算得到的連梁端部相對位移作，根據(jù)幾何關(guān)系得出阻尼器變形，進(jìn)而確定阻尼器長度L=34 mm。

在后續(xù)研究工作中可按照上述參數(shù)作為基準(zhǔn)參數(shù)，設(shè)計(jì)不同的阻尼器參數(shù)組合，分析金屬橡膠阻尼器的特征參數(shù)對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及損傷的影響規(guī)律，根據(jù)上述規(guī)律，設(shè)計(jì)出最佳的阻尼器參數(shù)組合，為最終達(dá)到金屬橡膠阻尼器作為土木工程結(jié)構(gòu)減震用阻尼器的應(yīng)用奠定研究基礎(chǔ)。