新型蜂窩形軟鋼阻尼器的滯回分析及性能設(shè)計(jì)★

祁 燁，張 宇

(1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 湘潭 411101; 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院/廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室/廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)試驗(yàn)室,廣西 南寧 530004)

1 概述

目前工程抗震的主流思想之一是消能減震原理[1]，即在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)置阻尼器，通過阻尼器的剪切、彎曲等不同程度的屈服作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耗散振動(dòng)能量的往復(fù)應(yīng)變，從而形成一個(gè)對大小地震不敏感的新的結(jié)構(gòu)體系。阻尼器從材料角度大致可分為鋼阻尼器、鉛阻尼器、油阻尼器、SMA(智能材料)阻尼器等[2]。其中，用普通Q235鋼制成的阻尼器由于其成本低廉、構(gòu)造簡單、易于施工、耐久性良好等優(yōu)點(diǎn)而為人們所接受。

本文依據(jù)鋼阻尼器的研究現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的效應(yīng)，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了一種受力結(jié)構(gòu)為正六邊形的鋼阻尼器，以變截面的方式迫使阻尼器的應(yīng)力集中分布在預(yù)定的四個(gè)區(qū)域，且四個(gè)區(qū)域同時(shí)屈服以形成四邊形幾何可變體系。該阻尼器同時(shí)具備初始剛度大、初始屈服位移小、塑性區(qū)域分布均勻、塑性變形大、屈服后較穩(wěn)定的特性和良好的耗能能力，為阻尼器的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 幾種常見的軟鋼阻尼器

X形、三角形阻尼器由單個(gè)原型片并排組合至所需要的屈服剛度，如圖1所示。該阻尼器采用剪切變形為主的方式迫使鋼板屈服，從而耗散能量，優(yōu)勢在于等厚度處的鋼板產(chǎn)生的塑性區(qū)域較均勻，便于充分利用材料和保證工作時(shí)的穩(wěn)定性，但其初始剛度較小，無法承受結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的巨大水平力，在小震情況下便開始屈服。

單圓孔形、雙X形阻尼器(如圖2所示)的設(shè)計(jì)原理是通過地震作用循環(huán)往復(fù)改變幾何形狀迫使阻尼器在多點(diǎn)同時(shí)屈服。李鋼等[3]研究表明，該阻尼器兼具初始剛度、塑性變形大及受力性能良好等優(yōu)勢。另外，采用擬靜力往復(fù)加載的分析法，驗(yàn)證了該阻尼器的耗能性能，證明了該研究方法及加載方式的可靠性。本文便是采用擬靜力往復(fù)加載的原型及模型進(jìn)行數(shù)值分析。

剪切鋼板阻尼器[4-5](SSPD)如圖3所示，中間腹板為主要耗能構(gòu)件，為防止面外失穩(wěn)可在腹板設(shè)置加勁肋板[6]，其余部位主要提供約束和輔助耗能作用。這種阻尼器的滯回性能與腹板寬厚比關(guān)系密切，若加勁肋板布置不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致該阻尼器性能不穩(wěn)定。這種在幾何形狀上沒有明顯的過渡區(qū)域或者削弱的阻尼器，對腹板所有鋼的型號(hào)也有一定要求。

周云等研究了一種圓環(huán)阻尼器(見圖4)，這種阻尼器可以根據(jù)其獨(dú)特的形狀和輕巧的外形布置在X形、K形支撐上。在低周往復(fù)加載試驗(yàn)后表明，該阻尼器具有較強(qiáng)的變形能力，較好的耗能性和穩(wěn)定性。但是，初始剛度低，承載能力不足成為了該阻尼器的重大缺點(diǎn)。在圓環(huán)中加入加勁弧板提高其剛度的同時(shí)，防止應(yīng)力集中現(xiàn)象，王濤等[7]提出了局部削弱的圓環(huán)阻尼器，對阻尼器的初始剛度、屈服力和耗能性能均有較大提高。

2.2 新型阻尼器的設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)思路

軟鋼阻尼器的設(shè)計(jì)主要考慮：1)平面形狀的簡潔與合理性，其直接決定了塑性變形后的應(yīng)力分布區(qū)域與均勻程度，合理地開洞將有利于人為控制屈服區(qū)域；2)方便制作、安裝與更換[8]，阻尼器作為保護(hù)結(jié)構(gòu)的犧牲品，過于煩瑣將會(huì)導(dǎo)致成本的累加，不利于工程中的普遍應(yīng)用。

需要設(shè)計(jì)一種低屈服點(diǎn)、耐用、耗能性能優(yōu)異、便于大規(guī)模使用的阻尼器。通過分析框架結(jié)構(gòu)在剪力下的破壞模式[9](見圖5)，得出由平面內(nèi)四個(gè)點(diǎn)位構(gòu)成的單榀框架梁柱結(jié)構(gòu)受到水平力后，由于中間沒有任何支撐，將其能量轉(zhuǎn)移到了框架梁的彎曲、剪切變形和節(jié)點(diǎn)處的屈曲變形。而對框架結(jié)構(gòu)布置阻尼器的方式是在框架中加入支撐和阻尼器的組合，提高框架的初始剛度和抗震性能。

因此，受到梁柱結(jié)構(gòu)抗水平力較差等特點(diǎn)的啟發(fā)，將阻尼器布置為四個(gè)屈服區(qū)域，由這四個(gè)區(qū)域整體構(gòu)成一個(gè)矩形形狀，使其承擔(dān)彎曲、剪切變形且同時(shí)屈服，另一方面還可提高阻尼器的有效屈服區(qū)域，從而提高耗能性。

在正六邊形鋼中心開圓形洞口形成四個(gè)主要屈服區(qū)域，如圖6所示。圓弧形狀本身便是一個(gè)均勻變化的過渡區(qū)域，有利于應(yīng)力的均勻分布，可提高耗能性能和穩(wěn)定性。另外，該阻尼器形狀簡潔明了，具有普遍應(yīng)用的潛力。

2.2.2 設(shè)計(jì)原型

該阻尼器的原型設(shè)計(jì)主要考慮洞口大小、鋼板厚度、若干個(gè)原型的組合(不同的約束情況)等方面，見圖7。

2.2.3 阻尼器適用場景

布置形式根據(jù)阻尼器的屈服機(jī)理進(jìn)行分類，剪切屈服阻尼器[10]主要產(chǎn)生平面內(nèi)剪切變形并屈服，如剪切連接型、墻型、中間柱型等[11](見圖8)。由于阻尼器與框架結(jié)構(gòu)不等高，剪切連接型、中間柱型結(jié)構(gòu)隨著框架的剪切變形會(huì)產(chǎn)生Y向應(yīng)力。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

1)正六邊形與圓形的巧妙組合既形成了四個(gè)屈服區(qū)域，而且內(nèi)部逐漸過渡，有利于應(yīng)力的均勻分布和耗能穩(wěn)定性的提高。

2)阻尼器原型整體結(jié)構(gòu)簡潔，易于加工、安裝，具有工程普遍應(yīng)用的潛力。

3)該阻尼器的設(shè)計(jì)結(jié)合金屬阻尼器局部開洞、局部削弱的原則，且打破了以開洞形態(tài)、尺寸優(yōu)化等的研究范疇。

3 有限元分析

采用有限元軟件ABAQUS對該阻尼器進(jìn)行分析。加載梁設(shè)為剛體，阻尼器與加載梁接觸設(shè)置為捆綁，與大地接觸設(shè)置為固定端，往復(fù)位移荷載加于梁端參考點(diǎn)上。材料屬性考慮幾何非線性，并簡化材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖9所示。

其中，鋼材的彈性模量為2.1×105N/mm2，屈服強(qiáng)度為345 MPa，極限承載強(qiáng)度為450 MPa。大量震后研究分析，得出變形能力不足導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力集中或出現(xiàn)塑性鉸是建筑結(jié)構(gòu)抗震性能較差的主要原因。因此，本文采用基于位移的滯回消能目標(biāo)設(shè)計(jì)手段，以預(yù)期位移反應(yīng)為基本設(shè)計(jì)要求，以阻尼器屈服區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)為數(shù)據(jù)分析指標(biāo)，同時(shí)基于位移的方法也是性能設(shè)計(jì)的推廣。位移加載幅值及頻率如圖9所示。

阻尼器原型以開洞大小和鋼板厚度分為三組，如表1所示。其中，“x”為正六邊形邊長，“b”為圓形洞口直徑，“f”為阻尼器鋼板厚度。

表1 阻尼器原型尺寸表 mm

3.1 不同形狀阻尼器原型的結(jié)果分析

3.1.1 第1組鋼阻尼器

阻尼器原型第1組如圖10所示，對其施加擬靜力往復(fù)荷載進(jìn)行滯回分析。結(jié)果表明，在初始剛度較大的情況下，阻尼器原型塑性變形較大、塑性區(qū)域呈現(xiàn)出均勻分布的趨勢，圓形洞口隨著位移的增加變?yōu)闄E圓形狀，整體形成以四個(gè)塑性鉸為主的幾何可變體系。該原型滯回曲線飽滿且無明顯捏縮現(xiàn)象，在往復(fù)位移為±50 mm的大變形下表現(xiàn)出較好的阻尼性質(zhì)，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1.2 第2組鋼阻尼器

阻尼器原型第2組如圖11所示。結(jié)果表明，其塑性變形較大但塑性屈服區(qū)域分布不均勻，且隨著位移的增加并未出現(xiàn)四個(gè)明顯的屈服區(qū)。滯回曲線仍比較飽滿，原因是結(jié)構(gòu)整體彎曲，表現(xiàn)形式為加載梁的相對轉(zhuǎn)角。隨著洞口減小，阻尼器呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性，需增加限制轉(zhuǎn)角的約束或采用較大的洞口等方式分配剛度，從而減輕阻尼器對加載梁的負(fù)荷，有效地將應(yīng)力集中在屈服區(qū)域。

3.1.3 第3組鋼阻尼器

阻尼器原型第3組如圖12所示。數(shù)值結(jié)果表明，在第1組基礎(chǔ)上增加鋼板厚度將提高阻尼器初始剛度，塑性區(qū)域較第1組更加集中、均勻。滯回曲線基本無捏縮現(xiàn)象，在大變形下表現(xiàn)出較好的阻尼性質(zhì)。因此，提高鋼板厚度且將洞口保持在一定尺寸有利于阻尼器初始剛度和工作穩(wěn)定性。

3.2 不同原型組合阻尼器的結(jié)果分析

3.2.1 組合1(限制加載梁相對轉(zhuǎn)動(dòng))

加載時(shí)加載梁會(huì)產(chǎn)生Y向相對位移和XY平面內(nèi)相對轉(zhuǎn)動(dòng)。組合1將限制加載梁XY平面內(nèi)相對轉(zhuǎn)動(dòng)，具體做法是將兩片相同的原型在X方向上并排組合，以加載梁作為連接媒介和約束支座。阻尼器組合1加載情況如圖13所示。結(jié)果表明，在初始剛度較大的情況下，阻尼器塑性變形較大且塑性屈服區(qū)域呈現(xiàn)出較均勻分布的變化趨勢，原型2組合有少許應(yīng)力傳遞至加載梁。該組合滯回曲線飽滿且無明顯的捏縮現(xiàn)象，在往復(fù)位移為±50 mm 的大變形屈服下表現(xiàn)出較好的阻尼性質(zhì)，所以原型3阻尼器具有較好的耗能性能。

3.2.2 組合2(限制加載梁相對轉(zhuǎn)動(dòng)和Y向位移)

阻尼器組合2限制加載梁XY平面內(nèi)相對轉(zhuǎn)動(dòng)和Y向相對位移，具體做法是將兩片相同的原型在Y方向上并排組合，以加載圈梁和單根加載梁作為連接媒介和約束支座，連接方式如圖14所示。

結(jié)果表明，初始剛度相對屈服后剛度小，部分應(yīng)力傳遞至加載梁處，滯回曲線出現(xiàn)明顯捏縮現(xiàn)象，在大變形下應(yīng)力隨位移增大而增大，原因是該原型組合方式限制了加載梁的Y向相對位移，隨著水平往復(fù)位移的增加，對鋼阻尼器產(chǎn)生了Y方向的拉伸應(yīng)力，此應(yīng)力一方面阻礙其變形的發(fā)展，另一方面阻礙屈服區(qū)域的均勻發(fā)展，且隨著水平位移增加的同時(shí)阻尼應(yīng)力也在增長，不具備鋼阻尼器的黏滯阻尼性質(zhì)，布置阻尼器時(shí)也應(yīng)盡量避免對阻尼器產(chǎn)生同類型的約束狀態(tài)。

3.2.3 組合3(限制加載梁相對轉(zhuǎn)動(dòng)和施加預(yù)應(yīng)力)

阻尼器組合3限制加載梁XY平面內(nèi)相對轉(zhuǎn)動(dòng)，在組合1基礎(chǔ)上施加Y向預(yù)應(yīng)力(分為三組，預(yù)應(yīng)力分別為0.002 MPa,1 MPa,2 MPa)，具體做法是參照組合1下較大洞口的組合方式，同時(shí)在加載梁施加Y向預(yù)應(yīng)力(在整個(gè)加載過程中)。阻尼器組合3如圖15～圖17所示。結(jié)果表明：1)施加0.002 MPa阻尼器應(yīng)力應(yīng)變與組合1數(shù)值基本一致，表明較小的預(yù)應(yīng)力對阻尼器滯回性能沒有太大影響；2)施加1 MPa阻尼器應(yīng)力應(yīng)變與組合1相比，應(yīng)力分布仍均勻且滯回曲線更加飽滿，整體形狀沒有彎曲變形且初始剛度大，幾乎沒有捏縮現(xiàn)象，表明適當(dāng)預(yù)應(yīng)力對阻尼器滯回性能有一定加強(qiáng)作用；3)施加2 MPa阻尼器應(yīng)力應(yīng)變與組合1數(shù)值相比，應(yīng)力分布仍然均勻且滯回曲線更加飽滿，初始屈服后更加容易進(jìn)入滯回周期，對阻尼器工作的穩(wěn)定性及提高初始剛度有利，曲線無捏縮現(xiàn)象且每個(gè)周期應(yīng)力峰值呈線性，表明施加一定預(yù)應(yīng)力對阻尼器滯回性能有一定加強(qiáng)。

4 試驗(yàn)討論

新型蜂窩型軟鋼阻尼器及3種不同組合，在常規(guī)、受位移限制、受初始應(yīng)力等影響條件下均具備良好的滯回模態(tài)：第3組阻尼器原型較前兩種初始剛度更高且滯回面廣(塑性耗能性能強(qiáng))，因其在前兩組基礎(chǔ)上優(yōu)選開孔徑距、增大橫向延伸長度，因而提高了阻尼器本身的面外屈曲失穩(wěn)；對于組合1型增大橫向延伸長度反而降低了耗能，這可能與限制阻尼器頂端轉(zhuǎn)角位移有關(guān)；組合2主要針對工程中此類約束方式提供借鑒，盡量降低同時(shí)限制轉(zhuǎn)交與平移的頻率，或可于中間端板處配置縱向形變的彈簧鉸以釋放約束；組合3更加貼近于實(shí)際工況，因建筑框架的形變導(dǎo)致阻尼器縱向的壓縮與拉伸效應(yīng)，通過觀察滯回曲線可以看出，新型蜂窩型阻尼器的適當(dāng)組合仍具有較高的抗震效果，小震作用下為框架結(jié)構(gòu)提供較高的初始剛度，大震作用下大幅進(jìn)入屈服階段，平面內(nèi)的受力形式可增強(qiáng)阻尼器的穩(wěn)定性與可靠度。以上，說明按屈服位置設(shè)計(jì)的阻尼器具有優(yōu)異的耗能減震效果。

5 結(jié)語

1)蜂窩形軟鋼阻尼器采用正六邊形與圓形洞口的組合結(jié)構(gòu)簡潔、易加工、體積小巧容易滿足關(guān)鍵構(gòu)件作用于整體結(jié)構(gòu)的要求。2)該阻尼器具有初始剛度大、初始屈服位移小、滯回曲線飽滿、耗能能力強(qiáng)、塑性區(qū)分布均勻、塑性變形穩(wěn)定等諸多優(yōu)異的特性。3)對阻尼器施加不同的約束條件對其滯回性能有較大影響。阻尼器原型與加載梁的組合方式有利于阻尼器穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力的施加宜考慮阻尼器的布置形式，剪切連接型、中間柱型結(jié)構(gòu)隨著框架的剪切變形會(huì)產(chǎn)生Y向應(yīng)力，宜加以利用。