基于杠桿原理的新型阻尼器性能參數(shù)研究

葉 茂，章武亮，徐 麗，袁金秀，崔海龍，王 悅，謝秋林

(1.廣州大學(xué)-淡江大學(xué)工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害與控制聯(lián)合研究中心，廣東廣州 510006；2.廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東廣州 510006；3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，河北石家莊 050091；4.河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，河北保定 071000)

阻尼器在減震控制中的效果顯著[1-2]，性能穩(wěn)定，一直是近年結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域中的重要研究方向?？紤]阻尼器的構(gòu)造形式和耗能原理，栗素峰[3]推導(dǎo)出孔隙式和間隙式雙出桿類黏滯阻尼器的阻尼力計(jì)算公式，為阻尼器的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；徐趙東[4]、施衛(wèi)星等[5]充分結(jié)合鉛和黏彈性材料的特點(diǎn)，研發(fā)出了鉛黏彈性阻尼器，采用擬靜力試驗(yàn)，就頻率、溫度、應(yīng)變幅值等參數(shù)對(duì)鉛黏彈性阻尼器的影響開展研究；與此同時(shí)，冼巧玲等[6]針對(duì)鉛黏彈性阻尼器屈服剛度、初始剛度及等效阻尼比，共設(shè)計(jì)出4種鉛芯直徑開展擬靜力循環(huán)加載性能試驗(yàn)，得到了這3個(gè)影響因素的變化規(guī)律。以上研究表明：鉛黏彈性阻尼器的耗能能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定?；诶谩皟煞N或兩種以上耗能材料同時(shí)工作”的思路，不同學(xué)者開發(fā)出鉛黏彈性阻尼器[7]、鉛-橡膠阻尼器[8]和鋼-鉛黏彈性阻尼器[9]，并證明了該思路的有效性；為克服小位移作用下不能有效發(fā)揮阻尼器耗能能力的缺陷，吳福健等[10]設(shè)計(jì)開發(fā)出新型位移放大型黏彈性阻尼器，并推導(dǎo)出阻尼力理論公式。LIM等[11]通過對(duì)磁流變液的性能進(jìn)行改良，并研究了阻尼器參數(shù)與阻尼器性能的關(guān)系，研究成果對(duì)研發(fā)和優(yōu)化阻尼器的影響參數(shù)及性能具有重要參考價(jià)值。

阻尼器要發(fā)揮應(yīng)有作用，就需要阻尼器產(chǎn)生一定的位移，因此，當(dāng)阻尼器安裝位置(如:梁柱節(jié)點(diǎn))位移或轉(zhuǎn)角較小時(shí)，大多現(xiàn)有的阻尼器很難充分發(fā)揮其耗能能力[4,12-15]。為此，針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)這個(gè)位置，筆者提出一種基于杠桿原理的新型阻尼器[16-17]，可有效解決梁柱節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移較小影響阻尼器耗能能力不能有效發(fā)揮的問題，探討了新型阻尼器力學(xué)性能及其關(guān)鍵影響參數(shù)。

1 阻尼器原理和構(gòu)造特點(diǎn)

基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器原理圖如圖1所示，梁與柱間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角為αo，阻尼器外弧板位移為d=Rad×αo，Rad為外弧板半徑，基于杠桿的效果，剪切鋼板最遠(yuǎn)處產(chǎn)生位移D=(R/r)×d，位移放大效果與R/r的比值有關(guān)。

圖1 放大原理示意圖Fig.1 Diagram of amplification principle

以上述原理和設(shè)想為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器，如圖2所示，模型包括：耗能部分(鉛芯、黏彈性橡膠層、薄鋼板)、剪切鋼板、固定鋼板、外支撐鋼板、滑動(dòng)套孔、連接鋼板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸1和轉(zhuǎn)動(dòng)軸2。該阻尼器利用復(fù)合彈性體和鉛芯共同耗能，內(nèi)部通過兩個(gè)軸實(shí)現(xiàn)杠桿機(jī)制，即：外支撐鋼板與剪切鋼板通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸1連接，固定鋼板與剪切鋼板通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸2連接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸是起杠桿作用的支點(diǎn)。該機(jī)制使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較小角位移能在復(fù)合彈性體和鉛芯位置處放大，從而保證新型阻尼器的耗能能力得到最充分的發(fā)揮。設(shè)計(jì)完成后的阻尼器主要參數(shù)如圖3所示，占用半徑為1 m圓的約1/4面積。

圖2 基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器組成構(gòu)造Fig.2 Structures of lead viscoelastic damper based on lever principle

圖3 構(gòu)件尺寸Fig.3 Components sizes

新型阻尼器主要耗能部件是復(fù)合彈性體和鉛芯，其中復(fù)合彈性體中耗能的部分是黏彈性阻尼材料(橡膠)，是影響阻尼器耗能性能的關(guān)鍵部分，因此，本文取選黏彈性材料、鉛芯、薄鋼板布置(即黏彈性層的布置)作為關(guān)鍵參數(shù)，開展阻尼器性能參數(shù)研究。

2 有限元模型的建立

選取ABAQUS作為分析平臺(tái)，采用三維實(shí)體建立阻尼器模型，采用C3D8H單元模擬橡膠材料，分析中需考慮材料的不可壓縮性質(zhì)；其余部分選用C3D8R單元模擬，分析中需充分考慮彈塑性和接觸性等影響。對(duì)于材料本構(gòu)模型，鋼材采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(bilinear kinematic,NKIN)，考慮了鋼材的包辛格效應(yīng)。復(fù)合彈性體中薄鋼板采用Q235鋼，其他部位鋼材(連接板、固定鋼板、轉(zhuǎn)動(dòng)剪切鋼板和外支撐鋼板)采的Q345鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，切線模量為彈性模量的2%。橡膠為天然橡膠，硬度為40度，本構(gòu)模型為五常數(shù) Mooney-Rivilin 模型，本構(gòu)模型參數(shù)見表1。鉛芯本構(gòu)模型為理想彈塑性材料，屈服應(yīng)力為10.5 MPa，彈性模量為16.46 GPa，泊松比為0.42。

表1 橡膠Mooney-Rivlin本構(gòu)常數(shù)Tab.1 Constitutive constants of rubber Mooney-Rivlin 單位：MPa

由于基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器由多個(gè)構(gòu)件組裝而成，存在大量的相互作用，因此，整個(gè)數(shù)值模型的關(guān)鍵是需要在ABAQUS中準(zhǔn)確定義。復(fù)合黏彈性層與轉(zhuǎn)動(dòng)剪切鋼板是采用工業(yè)硫化技術(shù)加工而成的，采用Tie約束模擬；固定鋼板、鉛芯與轉(zhuǎn)動(dòng)剪切鋼板之間也采用Tie約束模擬；鉛芯與復(fù)合黏彈性層中的薄鋼板和橡膠面采用摩擦接觸，法向?yàn)橛步佑|；阻尼器中兩處軸的位置，采用ABAQUS中的鉸連接器模擬。

第2連接板底部施加固端邊界條件，第1連接板底部耦合于一個(gè)約束控制點(diǎn)。采用位移加載法，荷載施加于約束控制點(diǎn)，位移加載曲線如圖4所示。劃分單元后的阻尼器有限元模型如圖5所示。

圖4 加載方式(位移加載)Fig.4 Loading mode(displacement loading)

圖5 阻尼器有限元模型Fig.5 Finite element model of damper

3 阻尼器構(gòu)造參數(shù)影響分析

3.1 鉛芯個(gè)數(shù)影響

當(dāng)橡膠剪切模量為0.4 MPa和薄鋼板數(shù)量設(shè)置為3塊時(shí)，鉛芯個(gè)數(shù)對(duì)阻尼器力-位移滯回曲線的影響如圖6所示，圖中LTPVD表示基于杠桿原理的新型阻尼器，LTPVD-1表示阻尼器有1個(gè)鉛芯，LTPVD-2表示阻尼器有2個(gè)鉛芯，LTPVD-3表示阻尼器中有3個(gè)鉛芯，由圖6可知：隨著阻尼器中鉛芯個(gè)數(shù)增加，滯回曲線變得越來越飽滿，增加鉛芯個(gè)數(shù)能夠顯著增加滯回曲線的面積。通過計(jì)算，當(dāng)加載點(diǎn)的位移為4 mm時(shí)，LTPVD-3的耗能能力比LTPVD-1高23.3%；以上分析表明，鉛芯個(gè)數(shù)對(duì)阻尼器的耗能能力影響顯著。

圖6 鉛芯個(gè)數(shù)對(duì)滯回曲線影響Fig.6 Influence of lead number on hysteretic curves

3.2 橡膠剪切模量

當(dāng)LTPVD配置3個(gè)鉛芯和3塊薄鋼板，橡膠剪切模量分別取0.3，0.4，0.5和0.6 MPa時(shí)，阻尼器的滯回曲線如圖7所示，由圖7可知：隨著剪切模量的增加，滯回曲線近似以圓點(diǎn)為中心發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，但滯回曲線的面積并沒有增加，也就是說明其耗能能力沒有變化，只是增大了阻尼器的剛度。

圖7 橡膠剪切模量對(duì)滯回曲線影響Fig.7 Influence of rubber shear modulus on hysteretic curves

3.3 薄鋼板布置

當(dāng)LTPVD配置3個(gè)鉛芯，橡膠剪切模量為0.4 MPa，復(fù)合彈性體中薄鋼板數(shù)量分別取1，2，3，4塊時(shí)，阻尼器滯回曲線如圖8所示，與橡膠剪切模量增加時(shí)阻尼器滯回曲線變化規(guī)律一致，隨著薄鋼板數(shù)量增多，滯回曲線近似以圓點(diǎn)為中心發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，阻尼器滯回曲線呈現(xiàn)上揚(yáng)趨勢(shì)。選取位移為4 mm時(shí)的滯回曲線開展對(duì)比，1塊薄鋼板時(shí)滯回面積為963.2 kN·mm，2塊時(shí)為966.4 kN·mm，3塊時(shí)為973.5 kN·mm，四塊時(shí)為982.4 kN·mm，當(dāng)鋼板從1塊增加到4塊時(shí)，阻尼器耗能能力增加2%，結(jié)果表明薄鋼板數(shù)量對(duì)阻尼器耗能能力影響有限，同時(shí)會(huì)增加阻尼器的剛度。

圖8 薄鋼板數(shù)量對(duì)滯回曲線影響Fig.8 Influence of number of thin steel plates on hysteretic curves

當(dāng)布置不同薄鋼板數(shù)量時(shí)，鉛芯屈服應(yīng)力分布如圖9所示，鉛芯屈服區(qū)域位于與復(fù)合彈性體接觸位置，隨著薄鋼板數(shù)量的增加，屈服應(yīng)力分布更為均勻，由圖9可知，采用4塊薄鋼板時(shí)，鉛芯屈服應(yīng)力分布明顯比1塊鋼板時(shí)更為均勻。因此，綜合考慮加工工業(yè)復(fù)雜性和性能要求，建議選用3塊薄鋼板。

圖9 鉛芯應(yīng)力分布Fig.9 Stress distributions of lead cores

4 結(jié) 語

筆者針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)位移小，影響節(jié)點(diǎn)阻尼器耗能效率的問題，提出了基于杠桿原理的新型阻尼器，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，明確了影響新型阻尼器性能的主要因素，結(jié)論如下：

1)基于杠桿原理的新型阻尼器滯回曲線整體呈現(xiàn)出包絡(luò)面積大、曲線飽滿的特點(diǎn)，具有良好的耗能性能；

2)鉛芯個(gè)數(shù)對(duì)阻尼器的耗能性能影響顯著，橡膠剪切模量和薄鋼板數(shù)量相同的條件下， 3個(gè)鉛芯阻尼器的耗能能力比1個(gè)鉛芯阻尼器增加23.3%，鉛芯個(gè)數(shù)是影響基于杠桿原理的新型阻尼器性能的關(guān)鍵構(gòu)造參數(shù)；

3)橡膠剪切模量對(duì)新型阻尼器耗能能力的影響幾乎可以忽略，但是，隨著橡膠剪切模量和薄鋼板數(shù)量的增加，阻尼器的剛度也會(huì)增加；

4)布置1塊薄鋼板時(shí)阻尼器滯回面積為963.2 kN·mm，4塊薄鋼板時(shí)為982.4 kN·mm，研究表明雖然隨著薄鋼板數(shù)量的增加，屈服應(yīng)力分布更為均勻，但是，薄鋼板數(shù)量對(duì)阻尼器的耗能能力影響有限。

研究為節(jié)點(diǎn)位移小情況下阻尼器耗能效率的研究提供了一種新思路。但由于數(shù)值模型中的連接是完美連接，而實(shí)際構(gòu)件的加工存在精度問題，因此，還需要開展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，從而確認(rèn)影響阻尼器性能的關(guān)鍵構(gòu)造參數(shù)，為基于杠桿原理的新型阻尼器工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。