金屬屈服型阻尼器發(fā)展簡析

吳凱祺

上海外國語大學(xué)（200083）

0 前言

地震作為一種破壞性極強的自然災(zāi)害，隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑的飛速發(fā)展，人員居住的集中，越來越被人們所熟知與警惕。為了減少地震對建筑物及構(gòu)筑物的損害，阻尼器作為一種良好的被動減震構(gòu)件，因其良好的耗能性能，被廣泛運用在建筑結(jié)構(gòu)中。最早的金屬屈服型阻尼器由新西蘭的Kelly等人在1972年[1]提出，自此之后金屬屈服型阻尼器作為消能減震的構(gòu)件，開始迅速發(fā)展。

1 X形及三角形金屬阻尼器

X形及三角形金屬阻尼器構(gòu)成十分相似，皆由若干塊X形或者三角形的鋼板通過一定的限位裝置，平行安裝而成，如圖1及圖2，通過平行鋼板的側(cè)向彎曲變形耗散能量。

圖1 X形阻尼器

圖2 三角形阻尼器

Whittaker等人在1989年[2]研究開發(fā)了X形軟鋼阻尼器（XADAS），并進(jìn)行了相關(guān)試驗，證明了X形阻尼器具有良好的耗能能力和穩(wěn)定的滯回性能。

為了消除X形軟鋼阻尼器豎向的軸力影響，Tsai等人在1993年[3]研發(fā)了三角形軟鋼阻尼器（TADAS），并進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗和結(jié)構(gòu)模擬的試驗[4]，證實了三角形軟鋼阻尼器的在建筑結(jié)構(gòu)中的耗能能力。

歐進(jìn)萍等人在1995年[5]對X形、三角形軟鋼阻尼器進(jìn)行了偽靜力試驗，并通過與摩擦阻尼器的對比試驗，總結(jié)相關(guān)參數(shù)，推導(dǎo)了合理的計算模型。

在歐進(jìn)萍的研究基礎(chǔ)上，吳斌等人在1996年[6]、1997年[7]分別提出了適合X形及三角形軟鋼阻尼器的疲勞參數(shù)模型和考慮薄膜效應(yīng)的疲勞驗算準(zhǔn)則。

李冀龍等人在2002年[8]根據(jù)形狀記憶合金的分段線本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)了X形及三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滯回模型，2004年，其在基于軟鋼金屬的雙線性本構(gòu)關(guān)系[9]和R-O本構(gòu)關(guān)系[10]推導(dǎo)了X形及三角形阻尼器的阻尼力模型，并分析了試驗結(jié)果與模型存在誤差的若干原因。

2 圓環(huán)式金屬阻尼器

Tyler等人在1983年[11]對最早期的圓環(huán)阻尼器進(jìn)行了試驗研究。

前蘇聯(lián)中央鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)研究院哈薩克分院在1985年[12]對工字鋼制成的圓環(huán)阻尼器進(jìn)行了偽靜力試驗，驗證了環(huán)形阻尼器對比矩形阻尼器的耗能能力及耐久性有比較明顯的提升。

周云等人在1996年[13]設(shè)計了扁鋼圓環(huán)阻尼器，并通過低周反復(fù)荷載試驗，驗證了圓環(huán)阻尼器具有穩(wěn)定且較好的耗能能力，但該阻尼器存在初始剛度、承載能力低等問題，為此周云又分別提出了雙環(huán)阻尼器[14]、鋼屈服-摩擦復(fù)合耗能的圓環(huán)阻尼器[15]和加勁圓環(huán)阻尼器[16]。

之后，周云等人在2012年[18]對圓環(huán)阻尼器進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，分析了不同參數(shù)對圓環(huán)阻尼器性能的影響，提出了局部削弱圓環(huán)阻尼器等。同年周云等人[18]又提出并設(shè)計了橢圓型阻尼器，如圖3所示。

陳云等人在2018年[19]利用Q235鋼板制作了環(huán)形鋼板阻尼器并進(jìn)行了試驗，推導(dǎo)了恢復(fù)力模型，驗證了其良好的變形能力和抗疲勞性能。

3 腹板開孔式金屬阻尼器

Yasushi等人在1998年[20]提出了蜂窩狀阻尼器，如圖4所示，同時對其進(jìn)行了擬靜力試驗，試驗表明蜂窩狀阻尼器的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力。

圖4 蜂窩狀阻尼器

Wada等人在2000年[21]研制出與蜂窩狀阻尼器耗能能力類似的槽型阻尼器，如圖5所示。

圖5 槽型阻尼器

邢書濤等人在2003年[22]研究了一種菱形開孔的金屬阻尼器（HADAS），如圖6所示，簡析了其耗能原理：利用軟鋼芯板的彎曲屈服耗能，中空菱形的耗能鋼板設(shè)計使阻尼器耗能芯板沿高度方向同時達(dá)到屈服，提高了耗能能力的同時極大程度的節(jié)約了阻尼器的制造成本。

圖6 中空菱形阻尼器

張文元等人在2007年[23]提出了中空菱形阻尼器的數(shù)值模擬分析方法，證明了其具有良好的耗能性能，并于2008年[24]進(jìn)行了振動臺試驗，證明了中空菱形阻尼器的滯回性能和抗疲勞能力。

李鋼等人在2006年[25][26]提出了腹部開孔的工字形軟鋼阻尼器，如單圓孔型、雙圓孔型、條型、雙X型，并進(jìn)行了擬靜力試驗，得到了腹板開孔形狀對阻尼器滯回性能有較大的影響。其在2010年[27]，對裝有“雙功能”軟鋼阻尼器的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動臺分析試驗，試驗驗證了單圓孔型軟鋼阻尼器、雙X型軟鋼阻尼器具有初始剛度大、耗能能力強的優(yōu)點。

王爽等人在2012年[28]提出了腹部開孔的H型鋼阻尼器，分別是條形孔、橢圓孔及菱形孔，由于選擇在H型鋼的腹板上開孔，減少了阻尼器相關(guān)鋼材之間的焊接，減少了焊縫殘余應(yīng)力等因素對阻尼器本身造成的影響，能更好的保證阻尼器的整體性，從而提升阻尼器的質(zhì)量。

陳聰?shù)热嗽?018年[29]對菱形開孔的金屬阻尼器進(jìn)行了形狀優(yōu)化，提出了X型腹板的菱形開孔剪切板阻尼器，開孔開于腹板上下兩端，且各開半個菱形孔，腹板如同X型。

4 柱體式金屬阻尼器

Tyler等人在1978年[30]設(shè)計了一款錐形鋼懸臂阻尼器，但是這種阻尼器只能提供一個方向上的剛度和阻尼，限制了其發(fā)揮。而錐形鋼棒阻尼器，可提供任意方向上的剛度和阻尼，性能更加優(yōu)越。

周云等人在1997年[31]提出了鋼管鉛芯阻尼器，通過金屬鉛擠壓滯回變形以及鋼管滯回變形提供阻尼，并在隨后幾十年內(nèi)對鋼管鉛阻尼器進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，對其性能[32]、耗能機理[33]、滯回性能[34]、疲勞性能[35]進(jìn)行了更好的研究，驗證了其優(yōu)良的性能，同時提出了更優(yōu)良的雙曲型不鋼管鉛阻尼器[36]、波紋鋼管鉛阻尼器[37]。

5 結(jié)語

金屬屈服型阻尼器已作為一個成熟的技術(shù)產(chǎn)品廣泛運用于耗能減震領(lǐng)域，用于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，保護建筑結(jié)構(gòu)在振動作用下的完整性。且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬屈服型阻尼器也會更加合理。