劉軍，律偉，張小鋒，王京雁

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析及試驗

劉軍，律偉，張小鋒，王京雁

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

ε型鋼阻尼器是一種尺寸小、性能優(yōu)越的金屬阻尼器，可廣泛應用于各種工程抗震結(jié)構(gòu)中。本文分析了影響ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的因素，應用數(shù)值仿真對該類阻尼器的滯回疲勞性能進行了分析及試驗驗證。結(jié)果表明：ε型鋼阻尼器在循環(huán)載荷作用下具有良好的耗能作用，并且抗疲勞性能優(yōu)越；在地震中可往復循環(huán)多次耗能，保護主體橋梁的安全。

ε型鋼阻尼器；抗震；滯回疲勞分析；試驗

近年來，隨著鐵路、公路建設(shè)的快速發(fā)展，對鐵路橋梁和公路橋梁的抗震性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震方法是通過增強結(jié)構(gòu)本身來抵抗地震力，但這種被動抗震的方法對于大跨度結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)會造成嚴重的制約［1］；同時增強結(jié)構(gòu)會增加造價，消耗資源。彈塑性鋼阻尼器具有良好的阻尼消能能力，在地震時通過往復塑性變形（滯回移動）消耗地震能量，減少對主體結(jié)構(gòu)的損害。

目前國內(nèi)外已研制出了大量的阻尼器，其中金屬阻尼器具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點，使其在實際工程中的應用前景極為廣闊［2-3］。目前應用較多的金屬阻尼器有E型鋼、C型鋼、非線性阻尼輻等阻尼器［4］。而ε型鋼是一種最新研發(fā)的新型金屬阻尼器，其重量比同類金屬阻尼器更輕，占用空間也更小，阻尼消能性能優(yōu)良，可以廣泛用于各種工程結(jié)構(gòu)中，特別是橋梁工程領(lǐng)域［5］。

目前ε型鋼阻尼器已應用于阻尼抗震橋梁支座中，ε型鋼阻尼器地震耗能的滯回循環(huán)次數(shù)即滯回疲勞壽命，反映了阻尼器的耗能能力和抗震能力，在設(shè)計時必須保證，在抗震標準和規(guī)范中也有相應要求。

1　影響ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的關(guān)鍵因素

在一般的金屬結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)受力后材料處在彈性范圍內(nèi)，影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素是應力，人們一直應用S-N曲線進行疲勞壽命分析，設(shè)計時主要考慮結(jié)構(gòu)的最大應力。ε型鋼阻尼器在地震滯回耗能時，已處在塑性范圍內(nèi)，不能再用經(jīng)典的S-N曲線分析疲勞壽命，而應采用低周疲勞分析方法來分析滯回疲勞壽命。低周疲勞的研究使人們進一步認識到，在描述材料的疲勞性能時，應變是比應力更直接的物理量［6］。因此，對于ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析，采用應變壽命曲線（ε-N曲線）更為合理。

美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定ANSI/AISC 341-05、美國抗震規(guī)范FEMA450中滯回耗能試驗均規(guī)定了鋼阻尼器（如防屈曲支撐）最低累積塑性變形要求，這也表明了鋼阻尼器滯回耗能時應變是影響其滯回壽命的主要因素。

因此，在進行ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析時，主要考慮其滯回耗能時的最大應變。

2　ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能分析

2.1ε型鋼阻尼器最大應變的計算

ε型鋼阻尼器原型如圖1。其中a為ε型鋼臂段的寬度，h為ε型鋼的高度，L為ε型鋼單段長度。

圖1　ε型鋼阻尼器原型

在給定外形的情況下，ε型鋼屈服后的最大應變εmax主要與最大屈服位移dmax相關(guān)，引入經(jīng)驗公式進行估算。

在抗震設(shè)計中，ε型鋼的最大地震位移dmax是一個給定的輸入量，因此可以由上述公式求出ε型鋼的最大應變εmax，而εmax關(guān)系到ε型鋼疲勞阻尼壽命，根據(jù)本文作者的經(jīng)驗，其值不宜＞0.06。

下述仿真分析中將驗證公式（1）的準確性。

2.2仿真分析

對構(gòu)件進行疲勞分析時，首先進行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析，得到相應的靜態(tài)應力結(jié)果后再進行疲勞分析。

2.2.1靜態(tài)計算

1）靜態(tài)計算結(jié)構(gòu)模型及載荷

按照ε型鋼原型圖，取a=41 mm，h=145 mm，L=120 mm，設(shè)計最大地震位移dmax=60 mm。靜態(tài)計算采用有限元軟件ABAQUS 6.11進行模擬，有限元模型及邊界條件見圖2。上下部分的連接板結(jié)構(gòu)不是研究的對象，設(shè)為剛體；ε型鋼設(shè)為變形實體，實體模型采用C3D8R單元，共劃分網(wǎng)格23 613個。

圖2　有限元模型及邊界

阻尼元件材料采用Q345B鋼材，具體參數(shù)如表1。

表1　Q345B材料參數(shù)

2）靜態(tài)計算結(jié)果

圖3　ε型鋼應變云圖

將ε型鋼阻尼器按照±60 mm設(shè)計位移加載，得到在最大位移處的應變結(jié)果，見圖3。應變的最大值為0.055。進入塑性階段時，支座水平反力為205 kN。位移荷載和支座反力的滯回曲線見圖4。滯回曲線呈梭形，形狀飽滿，耗能良好。

圖4　ε型鋼仿真滯回曲線

另外再選擇兩組不同尺寸的ε型鋼進行了有限元仿真分析驗證，并與公式（1）的計算結(jié)果進行了對比，見表2。

表2　公式計算值與仿真分析結(jié)果比較

從表2來看，公式（1）計算值與有限元結(jié)果相近，公式（1）對設(shè)計有指導意義。

2.2.2動態(tài)計算

1）疲勞壽命計算曲線

根據(jù)上述應力分析的結(jié)果，將靜態(tài)計算的結(jié)果導入疲勞軟件Fe-Safe，對組件進行疲勞壽命計算。由于此分析是在材料超過屈服強度的應力作用下的低周疲勞分析，因此采用應變疲勞分析方法。

此類疲勞特征是循環(huán)應力水平高、壽命短，屈服后應變變化大，應力變化小。其計算依據(jù)并不是常規(guī)的S-N曲線，而是低周應變疲勞曲線ε-N，表達式為

式中：σ'f為疲勞強度系數(shù)，b為疲勞強度指數(shù)，ε'f為疲勞延性系數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)。曲線構(gòu)建方式見圖5。

2）疲勞壽命計算結(jié)果

按照ε型鋼的工作方式確定疲勞分析譜為：60 mm—0 mm—-60 mm—0 mm。為得出較精確的壽命，以一個循環(huán)為設(shè)計壽命進行分析。產(chǎn)品表面粗糙度為50 μm。

圖6是疲勞計算結(jié)果云圖。從圖6可知，ε型鋼阻尼產(chǎn)品的疲勞壽命為32.8次，因此該產(chǎn)品可以完成32次疲勞分析譜的循環(huán)。

圖5　低周應變疲勞曲線

圖6　ε型鋼阻尼產(chǎn)品疲勞壽命云圖

3　ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能試驗

為了驗證ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的分析結(jié)果，選取表2中的樣品1，2進行了滯回疲勞性能試驗。

試驗采用的設(shè)備是1 000 t壓剪試驗機，試件按照實際尺寸制造。試驗模擬鋼阻尼橋梁支座的使用工況，依照交通運輸部標準《公路橋梁彈塑性鋼減震支座》（JT/T 843—2012）附錄A中的要求進行［7］。

疲勞試驗按照正弦波形式，以2 mm/s速度循環(huán)加載，位移±60 mm，直到ε型鋼失效。圖7及圖8是ε型鋼試驗模型實物及試驗設(shè)備圖。

實物試驗結(jié)果：試驗設(shè)置循環(huán)加載至25次時，試件狀態(tài)良好，阻尼性能穩(wěn)定（見圖9）；循環(huán)加載至32.5次時，樣品出現(xiàn)明顯裂紋，阻尼性能下降；35次循環(huán)加載后，試件1出現(xiàn)明顯裂紋但未斷裂，試件2斷裂（見圖10）。

從試驗結(jié)果來看：支座反力為200 kN，可以完成的循環(huán)疲勞次數(shù)為32次，與有限元計算結(jié)果相符合。試驗樣品的滯回曲線飽滿，與有限元計算的滯回曲線結(jié)果也接近，交通運輸部標準JT/T 843—2012要求的加載循環(huán)僅為11次，而ε型鋼遠遠超出其規(guī)定的循環(huán)次數(shù)，可見其優(yōu)良的抗疲勞性能。亦即，ε型鋼阻尼器在地震中可以循環(huán)往復多次不會失效，更加有效地耗散地震能量，保護主體橋梁結(jié)構(gòu)。

圖7　ε型鋼試驗模型實物

圖8　ε型鋼試驗裝置

圖9　25次循環(huán)滯回曲線

圖10　試件2試驗結(jié)果

4　結(jié)論

通過對ε型鋼阻尼器的滯回疲勞性能分析及試驗，可以得出如下結(jié)論：

1）影響ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能的主要因素是其最大應變。

2）通過經(jīng)驗公式可以大致估算ε型鋼阻尼器滯回耗能時的最大應變，并根據(jù)經(jīng)驗預估阻尼器的滯回疲勞性能，提高設(shè)計準確性。

3）試驗表明，通過基于低周應變疲勞曲線ε-N的仿真分析，可以準確分析出ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能。

4）分析和試驗表明，ε型鋼阻尼器滯回疲勞性能優(yōu)良，可以廣泛用于各種抗震工程結(jié)構(gòu)中。

［1］周云.金屬耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2006.

［2］李世珩，陳彥北，胡宇新，等.E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應用［J］.鐵道建筑，2012（1）：1-4.

［3］潘晉，吳成亮，仝強，等.E型鋼阻尼器數(shù)值仿真及試驗研究［J］.振動與沖擊，2009（3）：192-195.

［4］劉軍，寧響亮，李文斌，等.彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應用［J］.鐵道建筑，2012（2）：22-24.

［5］劉軍，律偉，張小鋒，等.ε形鋼阻尼器設(shè)計仿真分析及試驗研究［J］.鐵道建筑，2015（2）：21-24.

［6］靳慧.低周疲勞結(jié)構(gòu)彈塑性分析與可靠性分析［D］.上海：同濟大學，2005.

［7］中華人民共和國交通運輸部.JT/T 843—2012公路橋梁彈塑性鋼減震支座［S］.北京：人民交通出版社，2013.

Analysis and Test of Hysteretic Fatigue Performance of ε-shaped Steel Damper

LIU Jun，LYU Wei，ZHANG Xiaofeng，WANG Jingyan
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China）

ε-shaped steel damper，a metal damper with small size and good performance，is widely applied to various anti-seismic engineering structures.T he factors affecting hysteretic fatigue performance of ε-shaped steel damper were analyzed through numerical simulation and experimental tests in the article.T he results indicate that the ε-shaped steel damper has good effect of energy dissipation and good anti-fatigue performance.T hrough multiple times of cyclic dissipation of energy，it may be used to prevent the main bridge from earthquake.

ε-shaped steel damper；Anti-seismic；Hysteretic fatigue analysis；T est

U442.5+5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.08

1003-1995（2016）09-0031-04

（責任審編孟慶伶）

2016-02-04；

2016-06-15

劉軍（1970—），男，教授級高級工程師。