張思奇

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)步，人們的主觀防災(zāi)意識(shí)也日漸增高，人們對(duì)其安全、結(jié)構(gòu)、使用性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，而這就促進(jìn)了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。耗能減震技術(shù)逐漸成為結(jié)構(gòu)師們關(guān)注的重點(diǎn)之一。

耗能減震技術(shù)是指通過(guò)在結(jié)構(gòu)的一些部位安裝阻尼器來(lái)改變結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性，使結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)得到有效控制，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)由于該技術(shù)所采用的裝置大多具有非承重性和可替換性，所以既能有效抵抗地震作用，又不會(huì)影響建筑的使用功能，即使地震導(dǎo)致裝置破壞也可以在震后馬上修復(fù)或更換，保證結(jié)構(gòu)的抗震能力。

1 阻尼器分類

根據(jù)阻尼器制作材料分，它可以分為金屬阻尼器，粘彈性阻尼器，粘滯型阻尼器和智能材料阻尼器。金屬阻尼器利用金屬材料具有良好滯回性能的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，先于結(jié)構(gòu)主體進(jìn)入屈服階段，消耗地震能量，達(dá)到減震目的。由于其滯回性能良好、抗疲勞能力強(qiáng)、耗能能力優(yōu)秀、構(gòu)造簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的運(yùn)用。

目前，廣泛應(yīng)用的金屬阻尼器形式主要有梁式阻尼器，錐形鋼懸臂阻尼器，加勁阻尼器，剪切阻尼器，環(huán)(框)型阻尼器，無(wú)粘結(jié)支撐和鉛類阻尼器等。其中，依靠鋼板剪切變形耗能的阻尼器又可細(xì)分為剪切鋼板阻尼器(Steel Panel Damper，簡(jiǎn)稱SPD)以及蜂窩形阻尼器，槽形阻尼器，單圓孔形阻尼器和雙X形阻尼器等耗能腹板開(kāi)孔的阻尼器。為了充分了解SPD的發(fā)展情況，同時(shí)為進(jìn)一步研究打好基礎(chǔ)，本文將對(duì)該阻尼器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展做較詳細(xì)的介紹。

2 剪切鋼板阻尼器構(gòu)造

剪切鋼板阻尼器(SPD)一般主要是由上端板、下端板、中間的型鋼(H型鋼，槽鋼)或者由鋼板圍成的方形約束鋼管中焊接一塊鋼板制成。一般可以制作成矩形或者正方形。由于阻尼器尺寸一般較小，為了保證滯回性能，耗能腹板能在屈曲前已充分進(jìn)入塑性階段，阻尼器所采用的型鋼一般要比普通結(jié)構(gòu)梁所用的型鋼的尺寸要大。同時(shí)為了對(duì)腹板形成良好的約束，提高阻尼器性能，一些外觀尺寸較大，對(duì)噸位要求較高的阻尼器需要在腹板上單面或雙面設(shè)置加勁肋。

3 剪切鋼板阻尼器動(dòng)力學(xué)模型[1-5］

剪切鋼板阻尼器使用較多的恢復(fù)力模型有雙線性模型，骨架平移模型，Bouc-Wen模型以及修正雙屈服面模型等。

3.1 雙線性模型

使用雙線性模型模擬阻尼器恢復(fù)力時(shí)，當(dāng)剪力未超過(guò)屈服力Py，材料處于彈性階段;當(dāng)剪力超過(guò)屈服力Py，材料屈服并強(qiáng)化，見(jiàn)圖1。

3.2 骨架平移模型

該模型由三折線的骨架曲線以及Ramberg-Osgood滯回曲線組成，骨架曲線根據(jù)塑性應(yīng)變的變化時(shí)平移。對(duì)于使用相同鋼材但腹板寬厚比不同的剪切鋼板阻尼器，骨架偏移模型都可以較好的描述其真實(shí)的滯回特性，見(jiàn)圖2，圖3。

圖1 雙線性模型

圖2 骨架平移模型

圖3 骨架平移模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 Bouc-Wen模型

Bouc-Wen模型可以由以下微分方程描述:

其中，α為阻尼器屈服后剛度與彈性剛度Ke之比;u(t)為t時(shí)刻的阻尼器相對(duì)位移;uy為阻尼器屈服位移;γ，β，n均為控制滯回曲線形狀參數(shù)，在實(shí)際使用時(shí)可以通過(guò)調(diào)整系數(shù)應(yīng)用于不同類型的阻尼器中，形成不同形狀的滯回曲線。圖4為文獻(xiàn)中使用Bouc-Wen模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

3.4 修正雙屈服面模型

此模型由日本名古屋大學(xué)開(kāi)發(fā)。該材料模型由屈服面和邊界面組成，邊界面始終包含屈服面，塑性模量由這兩個(gè)面的尺寸和相互關(guān)系確定。文獻(xiàn)[4］基于ABAQUS二次開(kāi)發(fā)子程序平臺(tái)，采用該材料模型，對(duì)單面加勁剪切阻尼器進(jìn)行數(shù)值模擬，能取得較合理的計(jì)算結(jié)果。圖5為文獻(xiàn)[5］中采用該模型進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖4 Bouc-Wen模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 性能影響因素

鋼板剪切阻尼器的工作性能與許多因素有關(guān)，下文將根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)分析主要影響因素。

4.1 腹板柔細(xì)比

剪切鋼板阻尼器通過(guò)腹板耗能，因此腹板柔細(xì)比是極為重要的控制參數(shù)。過(guò)大的柔細(xì)比會(huì)使腹板易于出現(xiàn)平面外屈曲，同時(shí)，采用較大柔細(xì)比時(shí)，為防止局部屈曲，腹板上勢(shì)必增設(shè)大量加勁肋這也會(huì)提高生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[6］中提到相比矩形加勁阻尼器，使用較小柔細(xì)比無(wú)加勁的阻尼器具有更好的工作性能。然而過(guò)小的柔細(xì)比在提高腹板本身變形耗能能力的同時(shí)會(huì)使腹板剛度過(guò)大，在循環(huán)荷載作用下易使腹板與翼緣或端板的焊縫等薄弱處先于腹板破壞，進(jìn)而影響阻尼器整體性能。一般腹板柔細(xì)比見(jiàn)下式計(jì)算:

其中，W為腹板高度;t為腹板厚度;v為鋼材泊松比;τy為剪切屈服強(qiáng)度;k為屈曲系數(shù);E為彈性模量;nL為沿剪切方向加勁肋數(shù)目;αs為子剪切板形狀系數(shù)，當(dāng)加勁肋均勻布置時(shí)，可取腹板寬厚比。

文獻(xiàn)[2］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)腹板高度與厚度之比小于40時(shí)，具有較好的滯回特性;文獻(xiàn)[4］根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果建議柔細(xì)比取0.2～0.5 之間。

4.2 翼緣腹板板厚比

翼緣為腹板提供約束，限制腹板在剪力作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)阻止腹板屈曲具有較大作用。

文獻(xiàn)[3］采用兩種方鋼管截面(100 mm×100 mm×4 mm與120 mm ×120 mm ×5 mm)與三種鋼板(2 mm，3 mm，4 mm)分別制成了6種方形剪切鋼板阻尼器，構(gòu)造見(jiàn)圖1。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):腹板厚度采用3 mm，4 mm的阻尼器耗能性能較差，單調(diào)加載試驗(yàn)中，阻尼器剪力未超過(guò)理論屈服剪力值;循環(huán)加載試驗(yàn)中，滯回曲線出現(xiàn)捏合現(xiàn)象。導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生的原因在于過(guò)小板厚比，使腹板平面內(nèi)抗剪剛度相對(duì)較大，同時(shí)方鋼管存在初始變形，致使腹板周圍的方形鋼管出現(xiàn)局部屈曲，進(jìn)而導(dǎo)致阻尼器工作性能降低。文獻(xiàn)[4］建議板厚比不宜小于2。

4.3 加勁肋設(shè)置

在腹板上設(shè)置加勁肋可以為腹板提供有效約束，提高腹板的塑性變形能力，增強(qiáng)阻尼器延性。當(dāng)橫縱向加勁肋等距布置且數(shù)量各不超過(guò)3條時(shí)，文獻(xiàn)[4］通過(guò)加勁肋相對(duì)剛度比γs/γ*s來(lái)描述加勁肋的布置情況:

其中，Is為加勁肋慣性矩;Dw為單位寬度板的彎曲剛度;α為腹板寬厚比，其余系數(shù)同式(3)，式(4)。通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算發(fā)現(xiàn):適當(dāng)?shù)牟贾眉觿爬呖梢杂行У乇苊飧拱鍙?qiáng)度退化。文獻(xiàn)[2］中通過(guò)對(duì)比不同加勁肋布置形式的循環(huán)加荷試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了設(shè)置加勁肋可以組織阻尼器滯回曲線捏合現(xiàn)象的發(fā)生，提高其承載力。

4.4 連接方式

剪切鋼板阻尼器中的翼緣板，腹板和加勁肋一般采用焊縫連接。不過(guò)卻會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。文獻(xiàn)[7］中建立了考慮焊接殘余應(yīng)力的ANSYS模型，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力會(huì)降低阻尼器的彈性剛度，如圖6所示。

圖5 修正雙屈服面模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 殘余應(yīng)力對(duì)阻尼器力學(xué)性能影響

為此，學(xué)界設(shè)計(jì)出采用機(jī)械連接方式的阻尼器，以改善這種情況。文獻(xiàn)[1］中對(duì)采用螺栓+摩擦材料連接的剪切鋼板阻尼器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，得出采用機(jī)械形式連接的阻尼器可以有效避免焊縫應(yīng)力對(duì)阻尼器造成的不利影響。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的分析，可以得到如下結(jié)論與建議:

1)剪切鋼板阻尼器是一種構(gòu)造簡(jiǎn)單，原理明確，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，耗能能力優(yōu)秀的耗能減震構(gòu)件。

2)采用低屈服點(diǎn)鋼作為剪切鋼板阻尼器的材料可以較好地發(fā)揮阻尼器的滯回特性。

3)耗能腹板是剪切鋼板阻尼器的核心工作構(gòu)件，腹板柔細(xì)比對(duì)阻尼器整體性能影響較大;通過(guò)對(duì)腹板加強(qiáng)約束，減少初始?xì)堄鄳?yīng)力可以有效提高阻尼器性能。

4)對(duì)于焊接連接的剪切鋼板阻尼器，腹板角部的應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂，使阻尼器提前退出工作。如何解決角部應(yīng)力集中問(wèn)題，還有待研究。

5)采用不同強(qiáng)度材料復(fù)合組成的阻尼器的力學(xué)性能以及與結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用能力值得進(jìn)一步研究。

6)阻尼器存在的初始變形會(huì)導(dǎo)致在工作中容易產(chǎn)生屈曲，因此考慮初始缺陷的精確本構(gòu)關(guān)系有待探討。

雖然在科研上仍然有很多值得探究的課題，但隨著科學(xué)和經(jīng)濟(jì)水平的提高，剪切鋼板阻尼器勢(shì)必將在未來(lái)的抗震領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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