馮廣志 張如玉 卓于清 李國(guó)東

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

地震作為眾多自然災(zāi)害中的一種，由于其具有突然性和嚴(yán)重破壞性的特點(diǎn)，給人類帶來(lái)巨大的災(zāi)難。中國(guó)的地震活動(dòng)主要分布在臺(tái)灣省、西南地區(qū)、西部地區(qū)、華北地區(qū)及東南沿海地區(qū)。1976年中國(guó)唐山發(fā)生7.8級(jí)地震，2008年四川汶川發(fā)生“5·12”8級(jí)地震，2013年四川雅安發(fā)生7.0級(jí)地震。地震造成的直接災(zāi)害就是房屋和構(gòu)筑物的破壞，從而間接造成人畜的傷亡，在唐山地震中，70%～80%的建筑物破壞倒塌，造成嚴(yán)重的人員傷亡，因此越來(lái)越多的學(xué)者和專家投入到耗能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的研究。

1 耗能減震原理

普通結(jié)構(gòu)的抗震性能是通過(guò)提高結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、剛度、延性等性能來(lái)實(shí)現(xiàn)抵抗地震作用的功能，即由建筑結(jié)構(gòu)本身來(lái)承擔(dān)地震傳來(lái)的能力，屬于消極被動(dòng)的抗震方式[1]。由于地震到來(lái)的不確定性，人們常常不能確定地震的強(qiáng)度和特性，所以根據(jù)傳統(tǒng)抗震方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可能無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)的安全要求，造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞甚至倒塌，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失和大量人員傷亡。

結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)[2]是在建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)、支撐、剪力墻、聯(lián)結(jié)縫和相鄰建筑物等部位設(shè)置阻尼器，通過(guò)結(jié)構(gòu)相對(duì)變形帶動(dòng)阻尼器產(chǎn)生摩擦、彎曲、剪切等彈塑性滯回變形來(lái)耗散地震傳入結(jié)構(gòu)中的能量，減少主體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，把破壞部位轉(zhuǎn)移到阻尼器上，從而避免主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，達(dá)到減震控震的目的。

2 阻尼器的類型

目前應(yīng)用于實(shí)際工程和研究的阻尼器種類很多，從阻尼器與速度和位移的相關(guān)性來(lái)劃分，可以分為速度相關(guān)型阻尼器、位移相關(guān)型阻尼器、復(fù)合型阻尼器；從受力狀態(tài)上可以分為彎曲型、剪切型、彎剪型和扭轉(zhuǎn)型阻尼器；從耗能機(jī)理來(lái)劃分可以分為摩擦阻尼器、彈塑性阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器和電磁感應(yīng)式阻尼器；從制作阻尼器所需材料可以分為金屬阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器和新型材料阻尼器。

金屬的彈塑性變形是消耗地震作用最簡(jiǎn)單、有效的方法之一，金屬阻尼器根據(jù)制作材料，可以分為鋼阻尼器、鉛阻尼器和記憶合金阻尼器，鋼阻尼器又包括軟鋼阻尼器和低屈服點(diǎn)鋼阻尼器。由于軟鋼在進(jìn)入塑性后表現(xiàn)出優(yōu)秀的延性和滯回特性，有較好的變形跟蹤能力，環(huán)境條件對(duì)其力學(xué)性能也沒(méi)有明顯的影響，因此被用來(lái)制作不同類型的軟鋼阻尼器應(yīng)用于實(shí)際工程中。目前已知的軟鋼阻尼器主要包括加勁阻尼器、圓環(huán)阻尼器、剪切鋼板阻尼器、無(wú)粘結(jié)支撐、蜂窩狀阻尼器、Luara型阻尼器等類型。

3 典型的軟鋼阻尼器

3.1 加勁阻尼器

加勁阻尼器由相互平行的不同形狀的鋼板(X形、三角形、開(kāi)孔板)通過(guò)固定裝置組成，如圖1所示，安裝在人字形支撐的頂部連接框架梁。在地震作用下，相對(duì)變形引起支撐產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)加勁阻尼器中的鋼板產(chǎn)生彎曲變形，通過(guò)鋼板的彈塑性滯回變形消散傳入結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到耗能減震的目的。

Whittaker等[3]于1989年設(shè)計(jì)并研制出X形加勁阻尼器，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明X形加勁阻尼器具有較強(qiáng)的耗能能力和穩(wěn)定的滯回性能，但存在不能消除豎向軸力影響的問(wèn)題。1993年Tsai等[4]在Whittaker等人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)并制作出三角形加勁阻尼器，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。結(jié)果表明三角形加勁阻尼器消除了X形加勁阻尼器存在的豎向軸力對(duì)阻尼器影響的問(wèn)題，是一種理想的阻尼器形式。近年來(lái)，陳清祥對(duì)Whittaker等人提出的加勁阻尼器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作開(kāi)孔式制震板阻尼器(HADAS)[5]，在矩形鋼板上開(kāi)菱形孔，試驗(yàn)結(jié)果表明在地震作用下鋼板的每個(gè)截面同時(shí)屈服，達(dá)到材料用量和耗能能力的良好優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1995年歐進(jìn)萍等[6]對(duì)摩擦型和軟鋼屈服型(X鋼板和三角鋼板)阻尼器進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，包括靜力反復(fù)加載和低周疲勞試驗(yàn)，詳細(xì)的對(duì)比了這些阻尼器的減震效果，建立了此類阻尼的恢復(fù)力模型和參數(shù)計(jì)算方法。隨后吳斌等[7]在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析其耗能機(jī)理，并且進(jìn)行了大量的疲勞驗(yàn)算，得出相應(yīng)的疲勞參數(shù)，建立了軟鋼阻尼器的彈塑性應(yīng)力分析方法及疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。1997年吳斌等[8]發(fā)現(xiàn)薄膜效應(yīng)是鋼板屈服阻尼中一個(gè)不可忽略的因素，結(jié)合之前的研究成果，提出薄膜應(yīng)力的計(jì)算方法，建立疲勞驗(yàn)算準(zhǔn)則。2004年李冀龍、歐進(jìn)萍[9,10]基于軟鋼的R-O本構(gòu)關(guān)系和雙線性本構(gòu)關(guān)系,分別推導(dǎo)并建立了三角形和X形鋼板阻尼器的阻尼力模型，將得到的阻尼力模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了阻尼力模型的正確性，在誤差允許范圍內(nèi)可應(yīng)用于實(shí)際工程。2015王桂萱等[11]分別采用理想彈塑性模型、雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型和混合模型分析菱形開(kāi)孔阻尼器的滯回性能，采用ANASYS限元軟件模擬出滯回曲線，通過(guò)對(duì)比不同模型的滯回曲線，得出混合模型是比較準(zhǔn)確的模型。

3.2 圓環(huán)阻尼器

最初的圓環(huán)阻尼器是由鋼棒卷成圓環(huán)后采用X形支撐放在支撐的中間，在地震作用下，結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致支撐產(chǎn)生往復(fù)作用力使圓環(huán)產(chǎn)生塑性滯回變形而耗能。

1983年Tyler RG[12]設(shè)計(jì)并進(jìn)行了圓環(huán)阻尼器(如圖2所示)性能試驗(yàn)，對(duì)裝有圓環(huán)阻尼器的鋼框架頂部施加低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明圓環(huán)阻尼器具有良好的滯回性能。

1995年周云等[13]利用低碳鋼板卷成圓環(huán)制作了圓環(huán)阻尼器，如圖3所示，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：圓形阻尼器具有良好的滯回新功能，具有較強(qiáng)的耗能及變形能力，但卻存在初始剛度和承載能力低的不足問(wèn)題。為了克服其缺點(diǎn)，在圓環(huán)阻尼器的基礎(chǔ)上又提出了“利用兩個(gè)或多個(gè)耗能元件協(xié)同工作”的設(shè)計(jì)思想[14]制作了：雙環(huán)軟鋼阻尼器、局部加強(qiáng)雙環(huán)軟鋼阻尼器、加蓋雙環(huán)軟鋼阻尼器。循環(huán)加載試驗(yàn)表明：雙環(huán)阻尼器具有較高的承載能力，同時(shí)具有較好的延性，是一種有廣闊應(yīng)用前景的阻尼器。

1999年，孫峰等[15]提出了多重耗能減震機(jī)制的思想，在圓環(huán)阻尼器的基礎(chǔ)上加勁肋，設(shè)計(jì)處加勁圓環(huán)阻尼器。試驗(yàn)研究表明：加勁圓環(huán)阻尼器除了良好的工作性能外，還具有多重耗能減震防線的特性。

2012年，王濤等[16]提出局部削弱型圓環(huán)阻尼器，采用ABAQUS軟件對(duì)不同尺寸的阻尼器進(jìn)行分析。有限元分析結(jié)果表明：局部削弱型阻尼器較不削弱型在節(jié)省材料的基礎(chǔ)上具有更好的耗能能力，并給出了合理的削弱范圍(20%～30%)。

3.3 剪切鋼板阻尼器

剪切鋼板阻尼器是由Seki等人利用軟鋼板的剪切變形耗能原理而研制的一種阻尼器[17]。主要是由上下連接板和中間剪切耗能鋼板通過(guò)焊接或螺栓連接組成，如圖4所示。其耗能原理：在水平荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生大的變形，帶動(dòng)鋼板發(fā)生剪切變形，產(chǎn)生塑性屈服來(lái)消耗傳入的能量，從而達(dá)到耗能減震目的。

Yasumasa等人對(duì)剪切鋼板阻尼器進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)[18]，剪切鋼板阻尼器的材料采用屈服強(qiáng)度為219 MPa日本標(biāo)準(zhǔn)鋼，在循環(huán)荷載作用下，該阻尼器的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力。

1997年日本學(xué)者田中清等[19]針對(duì)腹板寬厚比剪切鋼板阻尼器的影響，進(jìn)行了往復(fù)水平荷載剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著腹板寬厚比的增大，平面外失穩(wěn)現(xiàn)象越明顯，最終給出了最佳腹板寬厚比范圍，保證了阻尼器的滯回能力。

2008年陳之毅等[20]利用ABAQUS軟件，對(duì)軟鋼剪切阻尼器進(jìn)行低周反復(fù)加載有限元分析，研究阻尼器的尺寸等對(duì)耗能能力的影響，給出了設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍(柔細(xì)比應(yīng)在0.2～0.5之間)。

2011年杜德月等[21]通過(guò)對(duì)剪切鋼板阻尼器構(gòu)造和滯回曲線描述，介紹了其工作原理。引入工程算例，利用有限元軟件模擬安裝剪切阻尼器前后結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和層間位移角等參數(shù)的對(duì)比情況，證明安裝剪切鋼板阻尼器能夠有效的起到耗能減震的作用，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

2012年張超鋒等[22]為研究不同的腹板形狀對(duì)集中應(yīng)力現(xiàn)象的影響,對(duì)腹板進(jìn)行中部變薄、條形壓槽、開(kāi)多孔等削弱方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的腹板形狀對(duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯的影響。

2016年?yáng)|南大學(xué)黃鎮(zhèn)等[23]為防止剪切鋼板阻尼器發(fā)生平面外屈曲現(xiàn)象，提出了肋板防屈曲、夾板防屈曲等改進(jìn)方案。采用von Mises屈服準(zhǔn)則建立力學(xué)模型，推導(dǎo)出阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式。采用ABAQUS有限元軟件建立阻尼器的有限元模型，模擬低周反復(fù)加載作用下的變形情況，并進(jìn)行試驗(yàn)加載。通過(guò)對(duì)理論計(jì)算、模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明對(duì)剪切鋼板阻尼器的防屈曲改進(jìn)效果明顯，具有較強(qiáng)實(shí)際使用意義。

4 結(jié)語(yǔ)

軟鋼阻尼器具有可靠、穩(wěn)定的工作性能，通過(guò)耗能有效的減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)；軟鋼阻尼器可用于各種結(jié)構(gòu)形式的建筑，既可用于新建建筑，又可用于現(xiàn)有建筑的抗震加固，并且對(duì)遭受地震損傷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)；即適用于混凝土結(jié)構(gòu)，也可用于鋼結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)有學(xué)者將其應(yīng)用于重型木結(jié)構(gòu)中。軟鋼阻尼器具有許多優(yōu)良性能，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和建筑工程界專家的廣泛關(guān)注，已應(yīng)用于大量實(shí)際工程中。