楊 悅，施衛(wèi)星

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092)

0 引 言

軟鋼阻尼器是一種利用軟鋼鋼材的屈服點(diǎn)低、延伸率大等特點(diǎn)，通過(guò)金屬屈服變形消耗能量的阻尼減震裝置.在建筑消能減震中有廣泛應(yīng)用.

軟鋼阻尼器按耗能方式可分為四種:軸向屈服耗能、面外彎曲耗能、剪切耗能及面內(nèi)彎曲耗能［1］.本文研究的軟鋼阻尼器是一種新近開發(fā)的K型軟鋼阻尼器，屬于面外彎曲耗能型阻尼器，其形狀不同于常見的X 型和三角形軟鋼阻尼器，且各塊鋼板由螺桿施加預(yù)緊力壓緊疊合在一起，而非常見的焊接連接.

本文介紹了對(duì)其性能進(jìn)行相關(guān)的擬靜力試驗(yàn)研究的情況，并分析其靜力性能、恢復(fù)力模型和疲勞性能.研究表明，這種新型軟鋼阻尼器，能夠克服普通焊接軟鋼阻尼器，屈服承載力低，屈服位移過(guò)小的缺陷，性能穩(wěn)定，加工方便，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值.

1 試驗(yàn)概述

通過(guò)軟鋼阻尼器的擬靜力試驗(yàn)，獲得軟鋼阻尼器的屈服承載力、最大極限承載力、屈服位移、極限位移、彈性剛度，第二剛度、滯回曲線及骨架曲線，并進(jìn)一步檢驗(yàn)其滯回性能并得到其內(nèi)力和應(yīng)力分布方式.

采用平行四邊形大型加載架帶動(dòng)軟鋼阻尼器，在申克液壓伺服作動(dòng)器水平推拉作用下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng).圖1 中顯示軟鋼阻尼器(綠色部分)安裝在大型加載架上.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

加載過(guò)程分為等位移步加載及常幅值疲勞加載兩部分，即作動(dòng)器加載位移控制在2 ～32mm 以1mm 為間距等移步加載，及35 ～40 ～50 ～65mm 每個(gè)加載步3 周，和90mm30 周常幅值疲勞加載兩部分，分別用于獲得滯回特性和疲勞性能.下圖2 可以看出由于加載架的縫隙開合以及相對(duì)滑移等因素，作動(dòng)器加載位移大于阻尼器上下兩端相對(duì)位移.同時(shí)圖中可以看出相對(duì)位移的平衡位置逐漸偏離原點(diǎn)，原因是由于加載架右側(cè)底部限位裝置可以滑動(dòng)，導(dǎo)致作動(dòng)器加載結(jié)束時(shí)并重新歸零時(shí)，阻尼器下部具有右向的殘余位移，故作動(dòng)器非連續(xù)加載時(shí)正向位移會(huì)逐漸變大.

圖2 軟鋼阻尼器上下端板相對(duì)位移加載圖

圖3 屈服前第一階段滯回曲線

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與理論分析對(duì)比

假定鋼板兩端為完全固接的約束條件，可以推導(dǎo)出阻尼器整體及鋼板的彈塑性剛度、屈服位移、極限位移、彈性承載力和塑性承載力［2］.

屈服位移

彈性剛度

屈服承載力

塑性承載力

其中:n－K 為形鋼板片數(shù);t 為鋼板厚度;E 為彈性模量;l 為鋼板總長(zhǎng)度;b 這鋼板寬度;h 為鋼板高度;fy為屈服強(qiáng)度

代入h=200mm，t=9.5mm，n=160mm，n=50，E=2.06MPa，fy=219MPa，得到下表1 中的理論值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.

圖4 屈服前滯回曲線

圖5 屈服后滯回曲線

表2 實(shí)測(cè)力學(xué)性能與理論預(yù)估值對(duì)比

可以看到彈性加載剛度比理論值小.本實(shí)驗(yàn)中由于鋼板采用了螺桿施加預(yù)緊力將鋼板壓緊，而不像一般該類型的阻尼器將鋼板焊接在端板上.導(dǎo)致鋼板兩端可以發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，而不再是理想固定端約束.而卸載初期，螺桿預(yù)緊力高，鋼板約束條件接近固結(jié)，卸載剛度與理論值也非常接近.

圖6 疲勞滯回曲線

圖7 疲勞實(shí)驗(yàn)力的加載制度

2.2 各階段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及滯回性能

新型K 形軟鋼阻尼器的試驗(yàn)階段可分為彈性階段、部分鋼板屈服階段、整體屈服階段、疲勞加載階段與極限變形階段，其中主要的幾個(gè)階段特征如下.

(1)鋼板未屈服彈性狀態(tài)階段(加載位移小于15mm 時(shí))實(shí)際相對(duì)位移分別為5.5mm(向左)和－3.7mm(向右)時(shí).宏觀上看，鋼板在加載循環(huán)時(shí)本身沒(méi)有塑性殘余變形，變形能夠完全恢復(fù).剛板外觀完好，沒(méi)有發(fā)生任何損傷.從滯回曲線圖3可以看出正反向加載時(shí)，若忽略滑移摩擦，正反向加載曲線可以連成一條直線，結(jié)構(gòu)剛度保持一致，反向加載段，下一個(gè)滯回環(huán)與上一個(gè)滯回環(huán)重合，即位移和力保持線彈性關(guān)系.

(2)當(dāng)加載位移在16mm 至31mm 時(shí)，K 型軟鋼阻尼器的實(shí)際最大相對(duì)位移為10.5(向左)和7.3mm(向右)時(shí)，各塊鋼板由外而內(nèi)逐漸進(jìn)入屈服狀態(tài).此時(shí)，圖4 由構(gòu)件滯回曲線不飽滿，隨著外側(cè)鋼板逐漸屈服，各滯回圈加載時(shí)的彈性剛度逐漸下降.

(3)整體屈服后明顯變形階段(從加載位移32mm 開始，到名義位移65mm 截止.)

圖8 105mm ～120mm 疲勞滯回曲線

圖9 平推加載時(shí)豎向位移圖示

圖10 左側(cè)極限位移處鋼板幾乎拉直

(4)疲勞加載階段

作動(dòng)器加載位移90mm，實(shí)際位移51mm(左)、38mm(右)，循環(huán)加載30 周.試驗(yàn)過(guò)程中能夠觀察到塑性變形從外到內(nèi)發(fā)展.耗能量大，加載過(guò)程中，鋼板的溫度急劇升高.

從以下圖6 圖7 可以得到，新型軟鋼阻尼器的疲勞性能穩(wěn)定，滯回環(huán)豐滿，疲勞加載過(guò)程中剛度退化10%左右，滿足應(yīng)用要求.

(5)探求軟鋼阻尼器的極限位移和極限承載力階段

疲勞加載循環(huán)結(jié)束后，采用更大的位移加載找到極限位移，得到軟鋼阻尼器兩端施加的的最大位移分別為80mm 左右.

屈服階段結(jié)束后，為尋找極限承載力和極限位移，進(jìn)行了后續(xù)加載如105 ～120 如圖8 所示，得到如下兩條結(jié)論.首先，第二剛度明顯退化.其次，由于拉力的存在平衡了一部分剪力產(chǎn)生的彎矩，相同變形條件的抗剪承載力提高，試件發(fā)生了明顯的硬化.硬化使極限位移和極限承載力繼續(xù)提高，滯回曲線端部的翹起是由于硬化作用產(chǎn)生的.

2.3 阻尼器的損傷機(jī)理分析

軟鋼阻尼器在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了以下幾種明顯的損傷:

航天英雄楊利偉叔叔曾說(shuō)過(guò)，他在天上看地球時(shí)，覺得這顆藍(lán)色的星球真美啊，那是航天人對(duì)地球家園的眷戀。我雖然生活在城市，卻充滿了對(duì)家鄉(xiāng)的向往與留戀，就像一首歌唱的那樣——“誰(shuí)不說(shuō)俺家鄉(xiāng)好！”

(1)鋼板表面的油漆起層、翹起和剝落.

(2)由于往復(fù)加載，K 形鋼板最薄弱處發(fā)生了疲勞損傷累積，剪應(yīng)力最大的中間最窄處發(fā)生了撕裂破壞.

(3)阻尼器與連接端板間發(fā)生了相對(duì)滑移.

(4)阻尼器的鋼墊板間的縫隙增加，在極限位移處，阻尼器豎向拉力很大，在端板受拉一側(cè)的底部，約束小，K 形鋼板有被拉出的趨勢(shì)，其約束程度降低.

(5)軟鋼阻尼器受拉.

如圖9 所示，相同水平位移下，大型加載架的豎向位移a 明顯小于軟鋼阻尼器的豎向位移b，故位移越大，阻尼器受拉的趨勢(shì)越強(qiáng).可以明顯地觀察到，阻尼器向左端拉時(shí)位移更大，變形明顯，在極限位置處，鋼板幾乎被拉直(圖10).

(6)損傷從外向內(nèi)漸次增加

各塊鋼板由外向內(nèi)逐漸進(jìn)入屈服階段，塑性位移增加，不可恢復(fù)的塑性變形增加，90mm 疲勞試驗(yàn)結(jié)束后外側(cè)三塊鋼板塑性殘余變形顯著，最外側(cè)鋼板變形尤為明顯.原因主要有如下兩條:第一，由于施加預(yù)應(yīng)力的螺桿在中部有撓曲變形，即中部鋼板的約束端可以發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即所受約束弱于端部鋼板，故端部鋼板所受彎矩大于中部;第二，將端部鋼板等效為受彎構(gòu)件的最外側(cè)纖維，可知端部鋼板受軸拉(壓)力大于中部，容易屈曲.

3 結(jié) 論

綜上所述，該阻尼器的滯回性能具有如下幾個(gè)特征:

(1)阻尼器滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)，屈服后極限位移大，延性好，安全性能高.

(2)從滯回曲線可以體現(xiàn)出一定的捏攏效應(yīng)，主要是該阻尼器各塊鋼板縫隙開合及鋼板與端板之間的滑移摩擦引起的.

(3)阻尼器約束條件較普通兩端焊接的鋼板阻尼器弱很多，以及捏攏效應(yīng)的影響，其彈性剛度小于理論值，屈服位移遠(yuǎn)大于理論值，而屈服承載力與理論基本一致.

普通面外彎曲型鋼板阻尼器，其的屈服承載力和屈服位移為反比關(guān)系，如推導(dǎo)得到的公式Py=在阻尼器可用空間固定的條件下，即l，h 和b 固定時(shí)，往往存在著要求阻尼器具有較高屈服力時(shí)，阻尼器屈服位移Δy 小于樓層屈服位移的問(wèn)題.而這種新型軟鋼阻尼器的剛度減小屈服位移增加的同時(shí)而承載力幾乎不變，能夠更好地滿足工程應(yīng)用的要求.

(4)具有漸進(jìn)失效多道防線

阻尼器破壞前整體損傷較小，均為塑性變形，剛度沒(méi)有出現(xiàn)突變.鋼板根部非焊接，允許轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)焊縫開裂的脆性破壞.且破壞時(shí)從外側(cè)鋼板向內(nèi)側(cè)漸次破壞，剛度退化較為平穩(wěn)均勻，不會(huì)出現(xiàn)脆性失穩(wěn)型的破壞.

［1］ 徐艷紅，李愛群，黃鎮(zhèn).拋物線外形軟鋼阻尼器試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(12):202－209.

［2］ 歐進(jìn)萍，吳斌.組合鋼板屈服耗能器性能及對(duì)其高層鋼結(jié)構(gòu)減振效果的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22(1):26－32.