周 云， 徐 昕， 鄒征敏， 吳從曉， 鄧雪松

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

汶川地震震害表明，框架及底框結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了許多柱頭和梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)入明顯塑性狀態(tài)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或倒塌的現(xiàn)象，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求［1，2］。如何提高框架結(jié)構(gòu)和底框結(jié)構(gòu)的抗震能力成為該類(lèi)結(jié)構(gòu)抗震性能研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

耗能減震技術(shù)是提高結(jié)構(gòu)抗震性能最有效的方法之一，目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)了許多不同類(lèi)型和構(gòu)造的阻尼器，主要有以下幾類(lèi):(1)摩擦阻尼器;(2)金屬阻尼器;(3)粘滯阻尼器;(4)粘彈性阻尼器;(5)復(fù)合型阻尼器。其中一些阻尼器已在新建建筑和抗震加固工程中得到應(yīng)用，并取得了良好的減震效果和經(jīng)濟(jì)效益［3～8］。

傳統(tǒng)的阻尼器一般通過(guò)鋼支撐與主體結(jié)構(gòu)連接，支撐結(jié)構(gòu)形式主要有斜桿型、人字型、門(mén)架型、交叉型等。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)一般要先拆除填充墻，才能將支撐進(jìn)行安裝施工，這樣增加了施工工序和時(shí)間，造成材料浪費(fèi);另一方面安裝支撐會(huì)影響門(mén)窗使用，占用過(guò)多的建筑空間，造成空間壓抑感，影響建筑美觀，如圖1所示。

為了改善框架或底框結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)克服現(xiàn)有耗能減震加固方案存在的問(wèn)題，周云教授設(shè)計(jì)了扇形鉛粘彈性阻尼器對(duì)框架或底框結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固，該阻尼器可直接安裝于柱底節(jié)點(diǎn)區(qū)或是邊柱和中柱的梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)［9］，如圖2所示。這種加固方案具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)加固時(shí)不需拆除填充墻，施工方便，省工省時(shí);(2)阻尼器可直接通過(guò)預(yù)埋或后錨固的連接件與結(jié)構(gòu)相連，不需使用額外的支撐等連接構(gòu)件，節(jié)省材料;(3)只在梁柱節(jié)點(diǎn)局部加設(shè)阻尼器，不影響空間使用;(4)阻尼器采用符合建筑美學(xué)觀點(diǎn)的弧形構(gòu)造，整體造型美觀。

圖1 耗能阻尼器的安裝形式

圖2 扇形鉛粘彈性阻尼器的安裝形式

本文介紹扇形鉛粘彈性阻尼器的構(gòu)造和工作原理，采用ABAQUS軟件對(duì)該阻尼器進(jìn)行數(shù)值仿真分析，研究該阻尼器的滯回耗能性能、耗能核心部件應(yīng)力分布及力學(xué)模型。

1 構(gòu)造與工作原理

1．1 扇形鉛粘彈性阻尼器的構(gòu)造

扇形鉛粘彈性阻尼器由粘彈性材料(橡膠)、薄鋼板、剪切鋼板、約束鋼板、鉛芯和連接板構(gòu)成。橡膠層和薄鋼板經(jīng)高溫高壓硫化成復(fù)合彈性體。復(fù)合彈性體、約束鋼板和剪切鋼板均為同心的扇形，兩連接板外側(cè)面的延長(zhǎng)線(xiàn)交于該圓心。鉛芯的數(shù)量和直徑大小根據(jù)阻尼器性能要求確定，其構(gòu)造如圖3所示。

圖3 扇形鉛粘彈性阻尼器構(gòu)造及外形示意圖

1．2 扇形鉛粘彈性阻尼器的工作原理

地震作用下框架結(jié)構(gòu)側(cè)移變形使得梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)位移，帶動(dòng)扇形鉛粘彈性阻尼器鉛芯產(chǎn)生剪切或擠壓滯回變形和粘彈性材料產(chǎn)生剪切滯回變形而耗能，從而減小框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移及層間位移角，有效地保護(hù)梁柱節(jié)點(diǎn)，如圖4。

圖4 扇形鉛粘彈性阻尼器-框架結(jié)構(gòu)變形耗能示意圖

1．3 扇形鉛粘彈性阻尼器的優(yōu)點(diǎn)

該阻尼器優(yōu)點(diǎn)主要有:(1)同時(shí)利用兩種耗能元件(鉛和粘彈性材料)和兩種耗能機(jī)制耗能(剪切滯回和擠壓滯回);(2)阻尼材料取材方便，構(gòu)成阻尼器的鉛芯、鋼板、粘彈性材料(橡膠)均為常用耗能材料，價(jià)格不高，成本底;(3)該阻尼器易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，制作工藝和工序不復(fù)雜，相同尺寸規(guī)格下，可以通過(guò)調(diào)整鉛芯的直徑和個(gè)數(shù)以適應(yīng)不同性能的要求，減少生產(chǎn)規(guī)格，提高生產(chǎn)效率;(4)阻尼器可直接安裝于結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，避免了使用其他附屬安裝及支撐構(gòu)件，且構(gòu)造美觀;(5)適用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，既可用于工程結(jié)構(gòu)的抗震，又可用于工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)，既可用于新建工程結(jié)構(gòu)，又可用于既有工程結(jié)構(gòu)的抗震加固和改造。

2 有限元模型

2．1 扇形鉛粘彈性阻尼器設(shè)計(jì)

為了研究扇形鉛粘彈性阻尼器的滯回耗能性能，考察構(gòu)造的合理性及鉛芯個(gè)數(shù)和鉛芯直徑對(duì)其性能的影響，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真分析，由于實(shí)際工作狀態(tài)中連接鋼板僅起連接固定作用，無(wú)耗能作用，為簡(jiǎn)化分析，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮兩端連接鋼板，只對(duì)耗能核心部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬分析，設(shè)計(jì)的三組扇形鉛粘彈性阻尼器的尺寸及各項(xiàng)構(gòu)造參數(shù)見(jiàn)表1，表中參數(shù)標(biāo)識(shí)符見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)。

2．2 有限元模型建立

阻尼器的有限元模型由1塊剪切鋼板、2塊約束鋼板、2塊復(fù)合彈性體和相應(yīng)數(shù)量的鉛芯等部件構(gòu)成，根據(jù)表1的設(shè)計(jì)尺寸和參數(shù)，通過(guò)拉伸(Extrusion)方式建立各部件的三維實(shí)體模型。復(fù)合彈性體是橡膠和薄鋼板通過(guò)高溫高壓硫化而成，在實(shí)際使用中，橡膠和鋼板都是緊密粘結(jié)的，且剝離現(xiàn)象極少，為了簡(jiǎn)化模型，將橡膠層和薄鋼板層之間的節(jié)點(diǎn)合并，即對(duì)復(fù)合彈性體部件采用分割(Partition)方法，按薄鋼板和橡膠層厚度分割為相應(yīng)層數(shù)，對(duì)相應(yīng)層賦予對(duì)應(yīng)的材料屬性;兩塊約束鋼板和中間剪切鋼板定義為解析剛體;最后組裝這些部件成為一體，如圖5所示。

圖5 扇形鉛粘彈性阻尼器的有限元模型

表1 扇形鉛粘彈性阻尼器的設(shè)計(jì)尺寸及參數(shù)

模型各部件相應(yīng)的接觸面上應(yīng)設(shè)置合理的接觸對(duì)，剪切鋼板、約束鋼板與鉛芯的接觸面上采用面面接觸的綁接(tie)接觸形式，鉛芯與復(fù)合彈性體接觸面的法向方向采用硬接觸(hard)形式，切向方向采用庫(kù)侖摩擦形式，摩擦系數(shù)取0．5(橡膠和鉛的摩擦系數(shù)在0．4～0．8之間)。

2．3 網(wǎng)格劃分及單元采用

模型整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，在扇形環(huán)向共布置60個(gè)種子，徑向共布置16個(gè)種子，鉛芯1/4孔邊視其直徑大小布置6～8個(gè)種子，各部件厚度方向均布置2個(gè)種子，模型及網(wǎng)格劃分如圖6所示。鋼板和鉛芯采用八節(jié)點(diǎn)六面體線(xiàn)性減縮積分單元(C3D8R)分析，橡膠材料因其不可壓縮特性，采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體雜交單元(C3D8H)來(lái)模擬［10］。

圖6 扇形鉛粘彈性阻尼器的網(wǎng)格劃分

2．4 材料定義

橡膠屬于超彈性近似不可壓縮材料，其泊松比接近 0．5［11］，本文取 0．4997。橡膠材料力學(xué)模型采用經(jīng)典的Mooney-Rivilin模型，模型參數(shù)取C10=2．06 ×10－1MPa，C01=1．86 ×10－3MPa。該模型可以模擬所有橡膠材料在中小變形，中等環(huán)境溫度下20%～150%應(yīng)變范圍內(nèi)的力學(xué)行為［12～15］。

鉛是一種理想的彈塑性體，其抗剪強(qiáng)度低，自恢復(fù)能力強(qiáng)，具有良好的抗疲勞性能，鉛芯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7所示。鉛芯采用理想彈塑性模型來(lái)模擬，其參數(shù):切線(xiàn)模量為0 MPa，屈服剪應(yīng)力取10．5 MPa，彈性模量取17 GPa，泊松比為0．42。

圖7 鉛的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

約束鋼板、剪切鋼板以及薄鋼板均采用Q235鋼，考慮其實(shí)際工作狀態(tài)，將其處理為線(xiàn)彈性材料［16，17］，其參數(shù):彈性模量為 2．06 × 105MPa，泊松比為 0．3。

2．5 邊界條件及加載

阻尼器兩塊約束鋼板底部均采用固接形式。在剪切鋼板自由端分別采用剪切位移和轉(zhuǎn)角位移兩種加載方式。加載方式均以0．2 Hz頻率連續(xù)施加20%、40%、60%、80%及100%正弦激勵(lì)位移荷載各1圈，如圖8所示。

圖8 加載制度

3 仿真結(jié)果分析

3．1 滯回性能分析

通過(guò)有限元模擬分析，得到了兩種不同位移加載方式作用下阻尼器的剪力-剪切位移(F-D)滯回曲線(xiàn)以及彎矩-轉(zhuǎn)角位移(M-θ)滯回曲線(xiàn)，如圖9所示。通過(guò)圖9可以看出，阻尼器滯回環(huán)既不像粘彈性阻尼器呈橢圓型，也不像鉛阻尼器呈矩形，而是相當(dāng)于兩種阻尼器力學(xué)模型的疊加，呈現(xiàn)平行四邊形且得到的滯回環(huán)面積均較大，滯回曲線(xiàn)比較飽滿(mǎn)，耗能能力強(qiáng)。兩種加載方式作用下的滯回特點(diǎn)略有不同，在剪切位移反向加載階段，F(xiàn)-D滯回曲線(xiàn)呈現(xiàn)外鼓現(xiàn)象，這是由于剪切鋼板帶動(dòng)鉛芯剪切耗能的同時(shí)會(huì)繞鉛芯出現(xiàn)相應(yīng)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得橡膠也產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)角位移加載作用時(shí)，剪切鋼板在扇形的環(huán)向帶動(dòng)鉛芯和橡膠剪切變形，減小了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。從兩組滯回曲線(xiàn)總體來(lái)看，扇形鉛粘彈性阻尼器的屈服前剛度較大，屈服后繼續(xù)加載，荷載-位移曲線(xiàn)基本為一直線(xiàn)，隨著變形的增大，阻尼力不斷增大，其滯回曲線(xiàn)充分表現(xiàn)鉛芯耗能特點(diǎn)。扇形鉛粘彈性阻尼器充分利用了鉛的剪切擠壓滯回變形和粘彈性材料的剪切滯回變形兩種機(jī)制耗能，兩種耗能材料協(xié)同工作性能穩(wěn)定，耗能性能好。

圖9 扇形鉛粘彈性阻尼器設(shè)計(jì)構(gòu)件滯回曲線(xiàn)

3．2 鉛芯對(duì)阻尼器耗能的影響

由SX-1和SX-3滯回曲線(xiàn)對(duì)比可知，剪切位移加載下SX-3滯回環(huán)面積比 SX-1增大了34．65%，轉(zhuǎn)角位移加載下則增大了38．09%，SX-3滯回曲線(xiàn)將SX-1滯回曲線(xiàn)完全包絡(luò)，表明鉛芯個(gè)數(shù)增多，阻尼器耗能能力得到加強(qiáng)。由 SX-1和SX-2滯回曲線(xiàn)對(duì)比可知，SX-1和SX-2在60%剪切位移幅值作用下一圈的耗能分別為243．91 kN·mm 和679．86 kN·mm，后者為前者的2．79倍，SX-2的滯回曲線(xiàn)將SX-1的完全包絡(luò)，表明鉛芯直徑增大，阻尼器耗能能力也得到改善。

同等規(guī)格尺寸下的扇形鉛粘彈性阻尼器，鉛芯個(gè)數(shù)、鉛芯直徑對(duì)其耗能性能影響較大，阻尼器耗能能力隨鉛芯個(gè)數(shù)的增多、直徑的增大而增大。

3．3 應(yīng)力分布分析

圖10(a)為復(fù)合彈性體扇形內(nèi)環(huán)及外環(huán)邊緣疊層方向(如圖中箭頭方向)應(yīng)力值對(duì)比，從圖中可以看出，應(yīng)力值分布比較均勻，中間薄鋼板層和橡膠層的粘結(jié)處應(yīng)力值較為突出;圖10(b)為復(fù)合彈性體底端的中間薄鋼板層和橡膠層徑向(如圖中箭頭方向)應(yīng)力值對(duì)比，從圖中可知，最大剪切應(yīng)變幅值下中間薄鋼板層徑向兩端應(yīng)力值出現(xiàn)峰值，由平均應(yīng)力值 6．25 MPa增大為 13．36 MPa，而中間薄鋼板層兩側(cè)橡膠層徑向應(yīng)力相差不大，說(shuō)明橡膠層和薄鋼板粘結(jié)處應(yīng)力突變不大;圖10(c)為最大剪切應(yīng)變幅值下鉛芯應(yīng)力云圖，從應(yīng)力分布可以看出，鉛芯屈服完全，應(yīng)力分布均勻，且鉛芯與約束鋼板的固定部位未進(jìn)入屈服，端部無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象。綜合以上可知，該阻尼器變形耗能時(shí)應(yīng)力分布均勻，構(gòu)造形式合理。

圖10 100%γ下復(fù)合彈性體應(yīng)力值對(duì)比及鉛芯應(yīng)力云圖

3．4 骨架曲線(xiàn)分析

將兩種不同加載方式作用下阻尼器滯回曲線(xiàn)各峰值點(diǎn)連線(xiàn)可得阻尼器的骨架曲線(xiàn)，如圖11所示。從骨架曲線(xiàn)可以看出，阻尼器在正向加載和反向加載的骨架曲線(xiàn)均由彈性段轉(zhuǎn)為彈塑性段的雙折線(xiàn)組成，適合用雙線(xiàn)性模型［18］對(duì)該阻尼器的力學(xué)模型進(jìn)行描述，其初始剛度(第一剛度)、屈服后剛度(第二剛度)和等效剛度可分別由以下三式給出:①K1=F1/d1;②K2=(F2－F1)/(d2－d1);③Ke=K1((1 － α)/μ)，α =K2/K1、μ =d2/d1，如圖12所示。

圖11 扇形鉛粘彈性阻尼器設(shè)計(jì)構(gòu)件骨架曲線(xiàn)

圖12 雙線(xiàn)性模型

4 結(jié)論

通過(guò)三組不同參數(shù)扇形鉛粘彈性阻尼器在兩種加載作用方式下的模擬分析，可以初步得出以下結(jié)論:(1)扇形鉛粘彈性阻尼器滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，耗能能力強(qiáng)，且具有較大的變形能力;(2)在阻尼器尺寸規(guī)格一定的條件下，鉛芯個(gè)數(shù)、直徑對(duì)該阻尼器性能影響較大，在阻尼器尺寸規(guī)格特定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整鉛芯個(gè)數(shù)和直徑大小實(shí)現(xiàn)不同性能的需求;(3)扇形鉛粘彈性阻尼器力學(xué)模型可采用雙線(xiàn)性模型;(4)扇形鉛彈性體阻尼器內(nèi)部應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)明顯應(yīng)力突變現(xiàn)象，構(gòu)造合理。

總之，扇形鉛粘彈性阻尼器綜合利用兩種耗能機(jī)制和兩種耗能材料同時(shí)耗能，滯回性能穩(wěn)定、耗能能力強(qiáng)、變形能力大、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造型美觀、占用空間小、適用范圍廣，既可用于結(jié)構(gòu)抗震，又可用于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)，既可用于新建結(jié)構(gòu)，也可用于既有結(jié)構(gòu)的加固，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

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