大行程鉛剪切阻尼器的性能及影響因素研究

劉敏，杜富強(qiáng)

（1.江西新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338000；2.中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100088；3.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

1 引言

近年來，我國(guó)建筑設(shè)計(jì)水平和抗震需求不斷提高，由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身耗能能力偏弱，結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。工程中常用的結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)為在建筑合理的位置布置消能阻尼設(shè)備，從而提升結(jié)構(gòu)抗震性能，維護(hù)結(jié)構(gòu)安全，目前廣泛使用的耗能設(shè)備包括摩擦阻尼器、粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器等。鉛阻尼器屬于金屬屈服阻尼器的范疇，鉛金屬具有良好的塑性變形能力，在常溫下即可發(fā)生塑性循環(huán)變形且不產(chǎn)生累計(jì)疲勞現(xiàn)象，這一特征非常適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)備中。目前國(guó)內(nèi)外研制和開發(fā)的鉛阻尼器主要包括鉛剪切阻尼器、鉛擠壓阻尼器等，其中鉛擠壓型阻尼器、鉛剪切型阻尼器已經(jīng)被不少工程應(yīng)用并且得到了廣泛的認(rèn)同[2]。已有研究成果表明鉛剪切阻尼器提供阻尼力大小和其耗能性能不受變形速度的影響，可視其為理想的塑性體，具有使用壽命長(zhǎng)、阻尼力可靠、位移敏感度高、構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。但一般的鉛剪切阻尼器無法滿足特殊工程的大行程要求，蓋板與滑動(dòng)板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)至鉛槽端部時(shí)耗能金屬鉛的剪切面積將急速減小，阻尼器出力隨之逐漸減小，導(dǎo)致阻尼器耗能性能下降[6-7]，難以滿足大型結(jié)構(gòu)的消能減震需求。本文提出一種大行程鉛剪切阻尼器，在剪切耗能過程中鉛塊的相對(duì)剪切面積不會(huì)發(fā)生改變，有效地克服了這一缺點(diǎn)的同時(shí)，還可保證鉛阻尼器出力穩(wěn)定、位移敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)研究

墻式鉛剪切阻尼器可直接安裝于結(jié)構(gòu)隔墻之中，不影響結(jié)構(gòu)的外觀和使用功能。本文提出的墻式大行程鉛剪切阻尼器的構(gòu)造如圖1 所示，由轉(zhuǎn)動(dòng)板、上下蓋板、環(huán)形耗能鉛塊、螺栓、銷釘、底部墊塊等部分構(gòu)成。阻尼器通過固定銷釘和固定螺栓將轉(zhuǎn)動(dòng)板與上下蓋板相連，并且通過連接銷釘和底部墊塊與結(jié)構(gòu)相連；該阻尼器安裝于梁柱節(jié)點(diǎn)和墻體之中，在地震作用下上下樓層發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，鉛塊在預(yù)先設(shè)置的槽內(nèi)發(fā)生了相對(duì)剪切運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到耗能減震的目的。環(huán)形鉛槽的設(shè)置使阻尼器的行程大大提升，通過犧牲部分環(huán)形阻尼力從而滿足較大行程的需求。

圖1 墻式大行程鉛剪切阻尼器

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

模擬采用非線性有限元分析軟件ABAQUS6.14 進(jìn)行。試驗(yàn)表明，金屬材料大多Von Mises 屈服準(zhǔn)則，改準(zhǔn)則認(rèn)為當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到某定值時(shí)，材料即刻進(jìn)入屈服階段，等效應(yīng)力與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，σ為材料的屈服點(diǎn)；σ1、σ2、σ3為三個(gè)主應(yīng)力，即σ1＞σ2＞σ3。在大行程鉛剪切阻尼器耗能過程中，鉛金屬進(jìn)入全截面屈服時(shí)認(rèn)為此時(shí)鉛的受力狀態(tài)為純剪切狀態(tài)，即鉛金屬處于拉-壓二向應(yīng)力狀態(tài)，因此式（1）中σ1=τy、σ2=0、σ3=-τy。其中，τy為鉛的剪切屈服強(qiáng)度，剪切狀態(tài)下可得

鉛金屬由于其本身的特性，使其屈服后立即發(fā)生塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中未出現(xiàn)屈服后的強(qiáng)化階段，擬采用雙線性模型進(jìn)行模擬，如圖2 所示。將屈服應(yīng)力σy的值選為關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)忽略上下蓋板和滑動(dòng)板的變形，選用剛性模型對(duì)其進(jìn)行模擬。

圖2 鉛的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3 有限元分析模型

鉛塊及上下蓋板采用3D實(shí)體單元，以六面體單元為主。利用ABAQUS 內(nèi)置的ALE網(wǎng)格自適應(yīng)功能對(duì)鉛金屬材料的網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，從而改善運(yùn)動(dòng)過程中的網(wǎng)格質(zhì)量。在接觸設(shè)置中采用ABAQUS中的面-面接觸方法，在面-面接觸中采用罰函數(shù)法處理接觸界面的算法，目的在于將狀態(tài)非線性問題轉(zhuǎn)化為材料非線性問題進(jìn)行解決。在兩個(gè)接觸面的定義方面，采用主-從面的設(shè)置方法進(jìn)行定義，并將接觸面上的節(jié)點(diǎn)定義成相應(yīng)的主-從節(jié)點(diǎn)。運(yùn)算過程中軟件通過各從節(jié)點(diǎn)和主表面之間的嵌入關(guān)系判斷是否出現(xiàn)接觸現(xiàn)象，出現(xiàn)接觸現(xiàn)象后，則引入界面接觸力，此接觸力的其大小與從節(jié)點(diǎn)和主表面之間的嵌入情況有關(guān)。

假定鉛為理想彈塑性材料，等效屈服應(yīng)力σ=19.8MPa，彈性模量E=16460MPa，泊松比為0.42。ALE 網(wǎng)格自適應(yīng)設(shè)置參數(shù)包括Frequency（頻率控制）取10，Mesh Sweeps（強(qiáng)度控制）取5。分析采用如下假定和參數(shù)：蓋板和轉(zhuǎn)動(dòng)板采用離散剛體單元模擬，忽略其變形，按剛性體考慮；初始狀態(tài)下，耗能鉛塊與鉛槽表面緊密接觸且不存在相互作用，接觸作用采用罰函數(shù)算法中的面-面接觸模擬；鉛塊與鉛槽的摩擦系數(shù)為0.6，最大摩擦力為 3，為耗能金屬鉛的等效屈服應(yīng)力；耗能材料采用等效屈服應(yīng)力為19.8MPa 的理想彈塑性模型，彈性模量E=20000MPa，泊松比為0.42；采用Mises 準(zhǔn)則判斷復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鉛塊的屈服情況；采用ABAQUS/Explicit 進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，忽略慣性力的影響。

3.2 分析結(jié)果和參數(shù)分析

本文有限元模擬主要研究單個(gè)鉛塊在低周往復(fù)過程中的耗能性能，其余鉛塊的耗能性能均相同。主要分析以下參數(shù)對(duì)于墻式大行程鉛剪切阻尼器耗能性能的影響，即耗能鉛塊厚度h、寬度b、中心弧長(zhǎng)l 以及不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬比l/b、長(zhǎng)厚比l/h、鉛塊轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R。

3.2.1 鉛塊長(zhǎng)寬比對(duì)阻尼器出力的影響

模型A 參數(shù)為l=360mm，h=30mm，b 值分別為20mm、30mm、50mm、60mm、70mm、80mm。對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬比l/b 分別為18、12、7.2、6.0、5.1、4.5，長(zhǎng)厚比l/h=12，具體參數(shù)見表2；理論出力分別為8.5t、13t、21t、25t、29t、33t，剪切強(qiáng)度取11.5MPa。分別研究各個(gè)長(zhǎng)寬比l/b 對(duì)其阻尼器出力的影響，各個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，不同長(zhǎng)寬比對(duì)阻尼力的影響如圖5 所示，有限元模擬應(yīng)力云圖如圖6所示。

表1 模型幾何參數(shù)

表2 模型A參數(shù)表

圖4 模型A(l/h=12)模擬結(jié)果

圖5 長(zhǎng)寬比（l/b）對(duì)阻尼力的影響

圖6 模型A(l/h=12)應(yīng)力云圖

阻尼器理論出力與寬度b 成正比。在厚度h=30mm 即l/h=12 的情況下，阻尼器出力與長(zhǎng)寬比l/b 的取值有關(guān)。根據(jù)模型A 的模擬結(jié)果可知，當(dāng)l/b＜7 時(shí)，阻尼器出力開始衰減。隨著寬度的增加，長(zhǎng)寬比l/b 逐漸減小，阻尼力衰減幅度開始增加。由模型A 的應(yīng)力云圖可以看到耗能金屬沿寬度方向的屈服情況，隨著寬度的增加，中部未屈服鉛塊的范圍逐漸增加，因此造成阻尼力出現(xiàn)明顯衰減。由以上分析可知，在l/h 較大的情況下，即鉛塊較薄的情況下，為保證阻尼力滿足要求且保持穩(wěn)定，l/b 不宜小于7。

3.2.2 鉛塊長(zhǎng)厚比對(duì)阻尼器出力的影響

分別建立具有相同弧長(zhǎng)的模型B 和C，模型B 鉛槽長(zhǎng)寬比l/b 大于7；模型C鉛槽長(zhǎng)寬比l/b 小于7，模型參數(shù)見表3。分別根據(jù)模型B、模型C 研究鉛塊長(zhǎng)厚比對(duì)其阻尼器出力的影響，剪切強(qiáng)度均取11.5MPa。理論出力為21t，各個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，有限元模擬應(yīng)力云圖如圖8所示。

表3 模型B、C參數(shù)表

圖7 模型B(l/b=7.2)滯回曲線

圖8 模型B（l/b=7.2）應(yīng)力云圖

根據(jù)模擬結(jié)果可知，模型B 鉛塊l/b取值為7.2，長(zhǎng)寬比取值較為合理，該模型長(zhǎng)厚比l/h 對(duì)于阻尼器出力無明顯影響，不同長(zhǎng)厚比的情況下，阻尼器出力穩(wěn)定且與理論值較吻合。但是，長(zhǎng)厚比l/h對(duì)于鉛塊開始屈服時(shí)的位移影響較大，隨著厚度h 的增加，阻尼器進(jìn)入屈服階段時(shí)的位移逐漸減小。模型C 參數(shù)為l=360mm，b=80mm，h 值分別為20mm、30mm、50mm，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)寬比l/b=4.5，長(zhǎng)厚比l/h 分別為18、12、7.2，理論出力為33t。各個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。模型C 的有限元模擬應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖9 模型C(l/b=4.5)滯回曲線

圖10 模型C(l/b=4.5)應(yīng)力云圖

由模擬結(jié)果可知，模型C 鉛塊寬度過大，長(zhǎng)寬比取值過小，中部耗能鉛塊未完全屈服；鉛塊厚度過小的情況下，端部可能發(fā)生較大畸變，導(dǎo)致阻尼力產(chǎn)生明顯衰減。隨著厚度h 的增加，l/h 從18 減小至7.2，阻尼器變形逐漸變規(guī)則，阻尼力逐漸增大并趨于理論值。由以上分析可以得到，鉛塊的長(zhǎng)寬比小于7 的情況下，為保證阻尼器出力穩(wěn)定，鉛塊長(zhǎng)厚比不宜大于8。

4 結(jié)論

通過對(duì)墻式大行程鉛剪切阻尼器進(jìn)行有限元模擬分析，研究阻尼器的參數(shù)對(duì)阻尼力耗能性能的影響，得到以下結(jié)論。

本文所提出的大行程鉛阻尼器在擬靜力荷載作用下?lián)碛休^強(qiáng)的耗能性能，可以在地震及強(qiáng)風(fēng)等作用下為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼。

采用本文所提出的有限元模擬方法可以較好地評(píng)估該種大行程鉛阻尼器在擬靜力荷載下的力學(xué)行為和耗能規(guī)律，可以在該種大行程鉛阻尼器的設(shè)計(jì)工程中采用。

為保證墻式鉛剪切阻尼器充分發(fā)揮鉛金屬的耗能作用，鉛塊長(zhǎng)寬比不宜小于7；在長(zhǎng)寬比取值大于7 時(shí)，鉛塊厚度越大，長(zhǎng)厚比越小，阻尼器進(jìn)入屈服階段時(shí)的變形越小，但阻尼器出力無明顯變化；在阻尼器長(zhǎng)寬比小于7 的情況下，隨著長(zhǎng)厚比的增大，阻尼力衰減逐漸明顯，故鉛塊長(zhǎng)厚比不宜大于8。