李玉琳趙玉鵬范夕森韓保潤(rùn)李瑩

(1.山東青年政治學(xué)院 現(xiàn)代服務(wù)學(xué)院，山東 濟(jì)南250103；2.濟(jì)寧海達(dá)融創(chuàng)置業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧272073；3.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；4.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟(jì)南250010)

0 引言

隔震建筑的隔震層要求有較小的水平剛度、足夠的恢復(fù)力和一定的阻尼。在地震作用下，其上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)顯著減小，但隔震層會(huì)產(chǎn)生較大的位移，阻尼裝置在隔震層位移過(guò)程中消耗地震能量。鉛芯橡膠隔震支座中的鉛芯是提供阻尼的元件，但其生產(chǎn)和使用會(huì)有一定的環(huán)境污染，因此需要探究與天然橡膠支座配套使用的阻尼裝置，以替代鉛芯的作用。將位移相關(guān)型的金屬阻尼器與天然橡膠支座組成隔震層，前者的初始剛度可以幫助后者抵抗風(fēng)荷載和微小地震的影響，其阻尼可以增強(qiáng)隔震層的耗能能力，從而減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[1]。

1992年，李樹(shù)信等[2]研究了軟鋼實(shí)體圓錐棒的限位、消能性能，提出了軟鋼實(shí)體圓錐棒的剛度、強(qiáng)度的計(jì)算公式；另外，姚謙峰[3]分析了軟鋼U型帶片的限位和消能性能，提出了U型帶片的強(qiáng)度、剛度計(jì)算公式，給出了U型帶片的彎曲半徑、板厚、板寬以及外伸長(zhǎng)度較為理想的取值范圍；趙世峰等[4]組合了軟鋼棒與疊層橡膠支座，形成一種帶限位鋼棒的夾層橡膠隔震墊，通過(guò)模擬分析組合支座在罕遇地震作用下的力學(xué)性能，提出限位鋼棒也可以作為安全儲(chǔ)備成為結(jié)構(gòu)抗震第二道防線的結(jié)論；郝紅肖等[5]研制了一種S型鋼阻尼裝置，運(yùn)用試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，分析該阻尼器有較高的初始剛度和塑性變形能力，有良好的多向耗能能力，在縱向和橫向好能作用基本一致；張令心等[6]優(yōu)化了菱形開(kāi)孔剪切性金屬阻尼器的形狀，提出了按受彎受剪條件下屈服強(qiáng)度相等的曲線確定菱形金屬阻尼器的形狀，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化形狀的菱形鋼板阻尼器塑型分布更加均勻，面內(nèi)變形能力有所提高；陳云等[7]提出了一種環(huán)形Q235鋼板阻尼器，通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該阻尼器能實(shí)現(xiàn)多截面屈服，有大變形能力，飽和的滯回環(huán)和優(yōu)良的抗疲勞能力，在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出了此類鋼板阻尼器的力學(xué)性能計(jì)算式和恢復(fù)力模型，研發(fā)了一種內(nèi)外環(huán)的分級(jí)屈服型金屬阻尼器[8]，運(yùn)用低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究了其滯回性能、等效粘滯阻尼和抗疲勞性能，提出了三折線的力學(xué)模型，建立了骨架曲線性能點(diǎn)的計(jì)算公式。

合金阻尼器的研究主要集中在形狀記憶合金阻尼器的力學(xué)性能和減震效果上[9-10]，鋅鋁合金具有常溫下超塑性特性，有較好的變形能力，可以制成阻尼器。學(xué)者們通過(guò)數(shù)值分析方法，研究了Zn-22Al合金阻尼器的性能，結(jié)果表明，Zn-22Al合金具有很好的延伸率，在變形過(guò)程中沒(méi)有明顯的拉伸硬化，是制作減震阻尼器的理想材料[11-14]。文章旨在研究一種合金阻尼器，用以替代鉛芯橡膠支座的鉛芯，并通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究Zn-22Al合金棒阻尼器及其與天然橡膠支座組成的組合裝置的力學(xué)性能。

1 棒型合金阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)研究

1.1 Zn-22Al合金棒形阻尼器的制備

等截面棒體耗能元件的長(zhǎng)細(xì)比對(duì)其性能影響較大[15]，所以需要根據(jù)棒形元件長(zhǎng)細(xì)比的要求、橡膠支座的高度、安裝條件等因素，確定合金阻尼器的幾何尺寸。

用R-45型石墨坩堝在650℃的熔煉溫度下將22%的A00電解鋁和78%的0號(hào)蒸餾鋅熔化，除渣除氣處理后攪拌均勻，靜止10 min，熔液在600℃時(shí)澆筑到金屬模具里，得到Φ92×340的Zn-22Al合金坯錠。Zn-22Al合金的鑄態(tài)組織為粗大的樹(shù)枝晶，存在嚴(yán)重的成分偏析，適當(dāng)?shù)臒崽幚砜筛纳其\鋁合金的穩(wěn)定性[9]，獲得良好的力學(xué)性能和阻尼性能。擠壓可以使初生的樹(shù)枝狀富鋁相細(xì)化[16]，Zn-22Al合金的塑性會(huì)有大幅度提高。

將Zn-22Al合金坯錠放入加熱爐，在360℃下固溶處理24 h，在250～290℃溫度間擠壓成直徑為Φ20×81的合金棒，冷卻后經(jīng)過(guò)機(jī)加工，形成棒形Zn-22Al合金阻尼器，如圖1所示。

圖1 棒型合金阻尼器試件圖

1.2 棒型合金阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)

棒型合金阻尼器的力學(xué)性能通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置如圖2所示。將合金阻尼器試件10固定在連接件7和底座12之間，液壓伺服作動(dòng)器4通過(guò)球形鉸轉(zhuǎn)換頭5與7相連，千斤頂6施加豎向荷載，并起到限位調(diào)節(jié)作用。調(diào)整千斤頂6使阻尼器不受豎向力作用，連接件7的左右設(shè)置了約束裝置，以保證僅發(fā)生水平位移。通過(guò)作動(dòng)器施加水平荷載，加載制度采用位移控制的等幅加載，位移增幅為5 mm，每級(jí)荷載循環(huán)一周，位移計(jì)9記錄水平位移。

試驗(yàn)中側(cè)向位移加載到10 mm時(shí)，棒型合金阻尼器上、下端截面處出現(xiàn)一圈較小的彈塑性變形；加載到25 mm時(shí)，阻尼器下端截面開(kāi)始產(chǎn)生裂縫；而加載到40 mm時(shí)，阻尼器上端截面處開(kāi)始產(chǎn)生頸縮；加載到65 mm時(shí)，阻尼器在套絲位置“被剪斷”，失去耗能作用。

圖2 合金阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)裝置圖

1.3 結(jié)果分析

低周反復(fù)加載試驗(yàn)得到的3組棒型合金阻尼器滯回曲線和骨架曲線分別如圖3、4所示。3組滯回曲線飽滿，說(shuō)明試件在低周反復(fù)荷載作用下，有明顯的塑性變形能力。骨架曲線正負(fù)向基本對(duì)稱，有明顯的屈服點(diǎn)和剛度退化點(diǎn)。

圖3 3組合金阻尼器試驗(yàn)滯回曲線圖

圖4 3組合金阻尼器試驗(yàn)骨架曲線圖

3組棒型合金阻尼器的剛度退化曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯枘崞骶哂幸欢ǖ某跏紕偠?，能夠抵抗建筑物正常使用過(guò)程中風(fēng)荷載和小震作用的影響，隨著位移的增加，剛度有明顯退化后趨于平緩。

圖5 3組合金阻尼器試驗(yàn)剛度退化曲線圖

根據(jù)滯回曲線，棒型合金阻尼器的等效粘滯阻尼系數(shù)由式(1)表示為

式中ζeq為等效粘滯阻尼系數(shù)；S(ABC+ACD)為圖6中的滯回曲線包圍的面積，mm2；S(OBE+OCF)為兩個(gè)三角形面積之和，mm2。3組阻尼器等效粘滯阻尼系數(shù)為0.22～0.35，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 合金阻尼器等效粘滯阻尼系數(shù)圖

圖7 3組合金阻尼器試驗(yàn)等效粘滯阻尼系數(shù)曲線圖

棒型合金阻尼器的延性系數(shù)由式(2)表示為

式中μ為延性系數(shù)；Δu為極限位移，取棒型合金阻尼器的承載力下降到85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移，mm；Δy為屈服位移，取初始屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移，mm。

計(jì)算棒型合金阻尼器的延性系數(shù)為11.4～11.7，說(shuō)明阻尼器具有良好的延性。

2 組合隔震裝置力學(xué)性能試驗(yàn)研究

組合隔震裝置由2個(gè)LNR200型天然橡膠支座和2個(gè)Zn-22Al棒形合金阻尼器組成，其剛度和阻尼通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)裝置如圖8所示。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]的規(guī)定，按隔震支座的壓應(yīng)力8 MPa確定豎向荷載，考慮鋼筋混凝土梁及分配梁等輔助設(shè)備的重量，通過(guò)千斤頂施加豎向荷載492 kN，通過(guò)液壓伺服作動(dòng)器水平加載，采用位移控制的等幅加載制度，位移增幅為5 mm，每級(jí)荷載循環(huán)一周。

僅對(duì)2個(gè)天然天然橡膠支座進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，再安裝2個(gè)Zn-22Al棒形合金阻尼器，對(duì)組合裝置的進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，記錄兩個(gè)過(guò)程的荷載—位移滯回曲線。側(cè)向位移加載到10 mm時(shí)，棒型合金阻尼器的上、下端截面處出現(xiàn)一圈較小的彈塑性變形；加載到30 mm時(shí)，1個(gè)阻尼器端截面產(chǎn)生細(xì)微裂縫；加載到45 mm時(shí)，1個(gè)阻尼器上端截面產(chǎn)生頸縮；加載到60 mm時(shí)，阻尼器上端截面發(fā)生破壞；繼續(xù)加載到70 mm，另一個(gè)阻尼器也會(huì)遭到破壞。

兩次試驗(yàn)的滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線和等效粘滯阻尼系數(shù)對(duì)比如圖9所示。

圖8 組合隔震裝置力學(xué)性能試驗(yàn)裝置圖

圖9 天然橡膠支座和組合隔震裝置的力學(xué)性能對(duì)比曲線圖

組合裝置的滯回曲線比天然橡膠支座更加飽滿，有明顯的耗能能力；天然橡膠支座的骨架曲線基本為直線，接近彈性，組合裝置的骨架曲線正負(fù)向基本對(duì)稱，有明顯的剛度退化現(xiàn)象；天然橡膠支座的剛度基本是常數(shù)，而組合裝置的剛度退化曲線有初始的急劇下降段和平緩下降段；組合裝置的粘滯阻尼系數(shù)比天然橡膠支座有所增加。

3 組合隔震裝置力學(xué)性能的數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 合金阻尼器的分析模型

運(yùn)用ABAQUS軟件，將Zn-22Al合金材料屬性簡(jiǎn)化為雙線性強(qiáng)化模型，棒形阻尼器選用三維實(shí)體模型，采用掃略方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8R)。下端截面設(shè)置為固定，上端面固定x、y向的平動(dòng)及3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，在z向設(shè)置彈簧和阻尼器，模擬天然橡膠支座，彈簧剛度和阻尼取試驗(yàn)得到的橡膠支座等效剛度(311 kN/mm)和阻尼(0.1)，沿z方向分步施加位移。

棒型合金阻尼器側(cè)向位移為30和45 mm的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示，彈塑性變形首先發(fā)生在上、下變截面處，隨著位移的增加，塑性變形區(qū)由變截面處向上、下兩側(cè)發(fā)展，直至在端截面發(fā)生頸縮。

圖10 棒型阻尼器等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

3.2 數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

數(shù)值分析方法計(jì)算Zn-22Al棒型合金阻尼器的骨架曲線、剛度退化曲線和等效粘滯阻尼系數(shù)，與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖11所示，數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

同樣的，數(shù)值分析方法求得組合隔震裝置的骨架曲線、剛度退化曲線和等效粘滯阻尼系數(shù)，與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖12所示，其結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。

圖11 3組合金阻尼器試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比曲線圖

圖12 組合隔震裝置力學(xué)性能數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線圖

3.3 組合隔震裝置的力學(xué)參數(shù)確定

組合隔震裝置是由Zn-22Al棒型合金阻尼器與天然橡膠支座組合而成，阻尼器不承擔(dān)豎向荷載。因此，組合裝置的豎向剛度就是天然橡膠支座的豎向剛度，其水平剛度等于阻尼器和天然橡膠支座水平的剛度之和，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線如圖13所示，組合裝置的剛度也隨位移的增加有明顯的退化現(xiàn)象。

根據(jù)滯回環(huán)計(jì)算的組合隔震裝置的等效粘滯阻尼系數(shù)略高于阻尼器和天然橡膠支座的阻尼系數(shù)之和，將兩組數(shù)據(jù)在MATLAB軟件中采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合方分析，得到組合裝置的阻尼系數(shù)由式(3)表示為

式中ζcb為組合隔震裝置的等效阻尼系數(shù)；ζa為Zn-22Al合金阻尼器等效阻尼系數(shù)；ζb為天然橡膠支座等效阻尼系數(shù)。

式(3)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比如圖14所示，二者較吻合，這說(shuō)明組合隔震裝置的等效粘滯阻尼系數(shù)與二者的阻尼系數(shù)之和成線性關(guān)系。由兩個(gè)直徑200 mm的天然橡膠支座和兩個(gè)高度為81 mm的直棒阻尼器組成的組合裝置，相應(yīng)于100%應(yīng)變的等效剛度為1.041 kN/mm，等效阻尼系數(shù)為0.078。實(shí)際工程中，可以通過(guò)調(diào)整尼器的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)組合隔震裝置的力學(xué)性能，以期獲得較好的隔震效果。

圖13 組合隔震裝置的剛度計(jì)算曲線圖

圖14 組合隔震裝置的等效粘滯阻尼系數(shù)圖

4 結(jié)論

針對(duì)Zn-22Al合金制成的棒形阻尼器，采用低周反復(fù)加載試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，研究了Zn-22Al棒型合金阻尼器以及與天然橡膠支座組成的組合隔震裝置的力學(xué)性能，計(jì)算了組合隔震裝置的剛度和等效阻尼系數(shù)，得出如下結(jié)論:

(1)Zn-22Al棒型合金阻尼器在水平往復(fù)荷載作用下，上、下兩端率先屈服，塑性變形區(qū)域集中在受彎矩和剪力共同作用的上下端部區(qū)域，而且Zn-22Al棒型合金阻尼器有一定的初始剛度，能夠抵抗風(fēng)荷載和微小地震作用的影響，滯回曲線飽滿，能量耗散系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)較大，有較好的耗能能力。

(2)Zn-22Al棒形合金阻尼器與天然橡膠支座組成的組合隔震裝置滯回曲線飽滿，剛度和等效效粘滯阻尼系數(shù)高于天然橡膠隔震支座；組合隔震裝置的剛度等于阻尼器與天然橡膠隔震支座的剛度之和，等效粘滯阻尼系數(shù)與二者粘滯阻尼系數(shù)之和成線性關(guān)系。