韓松霖，宋 奇

(大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

近年來高層建筑得到了廣泛發(fā)展，但其一旦發(fā)生破壞將造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，且高層建筑的震后修復(fù)時(shí)間及成本極大影響其震后功能恢復(fù)能力。為此，學(xué)者們提出了可更換耗能構(gòu)件，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的主要耗能部位，通過其屈服變形進(jìn)行能量的吸收，進(jìn)而避免主體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞帶來的巨大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)的主要耗能構(gòu)件，其可設(shè)計(jì)為可更換耗能構(gòu)件。國內(nèi)外學(xué)者在可更換耗能連梁的抗震性能方面已進(jìn)行了大量研究。Fortney等[1]最早提出了可更換耗能連梁，其提出的連梁由消能梁段和兩端的固定梁段組成。滕軍等[2-3]提出了一種帶縫金屬連梁阻尼器，并通過擬靜力加載試驗(yàn)研究了其抗震性能。李冬晗等[4-6]提出了一種X型鋼板金屬連梁阻尼器，并對其抗震性能進(jìn)行了數(shù)值分析。陳云等[7]提出了一種菱形開孔連梁阻尼器，并對其力學(xué)性能和破壞過程進(jìn)行了分析。本文在設(shè)有附加面外約束的圓形鋼板上進(jìn)行開孔，提出了具有不同開孔形式的新型連梁阻尼器，并對其開孔形式進(jìn)行了分析，研究了不同開孔形式新型連梁阻尼器的抗震性能。

1 連梁阻尼器設(shè)計(jì)

本文提出的阻尼器通過內(nèi)部設(shè)有孔洞的鋼板進(jìn)行剪切屈服耗能，外部鋼管式約束板可約束內(nèi)部耗能鋼板，防止其發(fā)生平面外屈曲而導(dǎo)致阻尼器過早發(fā)生破壞，連梁阻尼器具體見圖1。采用3種開孔形式，分別為開單孔、三孔和五孔，內(nèi)部剪切耗能鋼板厚度為30 mm，外部約束鋼管內(nèi)徑、外徑尺寸分別為150 mm和180 mm，寬度為200 mm。各開孔形式下其開孔面積均保持一致，均為31.4×103mm2。針對不同開孔形式，研究各工況下連梁阻尼器的力學(xué)性能。

通過上下加載板和約束板分別對連梁阻尼器進(jìn)行加載和固定，上部加載板施加低周往復(fù)位移荷載，內(nèi)部耗能開孔板通過剪切屈服進(jìn)行耗能，同時(shí)外部約束板發(fā)生彎曲變形進(jìn)行屈服耗能，并對內(nèi)部耗能鋼板起到約束作用。本文連梁阻尼器選用Q235級(jí)鋼，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為210×103MPa,泊松比為0.3。

2 有限元模型建立

基于ABAQUS軟件建立連梁阻尼器的有限元模型，上下加載和固定鋼板、外部約束鋼管和內(nèi)部剪切鋼板均采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體減縮積分單元C3D8R，各組部件之間的焊接關(guān)系并未在建模過程中加以考慮，采用整體式建模方式進(jìn)行建模，通過切割完成各工況的設(shè)置。上部加載板通過參考點(diǎn)進(jìn)行剛體連接，位移荷載施加于參考點(diǎn)之上，下部約束板則進(jìn)行完全固結(jié)，其有限元模型如圖2所示。阻尼器各組件材料均采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型。

3 力學(xué)性能分析

3.1 滯回性能

采用前述建立的有限元模型，加載板剛體耦合參考點(diǎn)上施加低周往復(fù)位移荷載，模擬地震過程中產(chǎn)生的外部循環(huán)往復(fù)荷載。計(jì)算得到各工況下連梁阻尼器的荷載-位移滯回曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，同等開孔面積條件下，耗能剪切板開設(shè)五孔的阻尼器承載力顯著高于單孔阻尼器，其最大承載力值提高87.5%；三孔阻尼器承載力值同樣高于單孔阻尼器，其提高幅度為28.7%。通過觀察滯回環(huán)可以看出，開設(shè)無控的阻尼器滯回曲線更加飽滿。

3.2 耗能能力

耗能能力是連梁裝置彈塑性變形過程中重要的力學(xué)性能指標(biāo)?？捎美塾?jì)滯回耗能及等效黏滯阻尼比ξeq加以描述，其具體表達(dá)式見式(1)。

(1)

其中，ED為每周滯回環(huán)包含的能量；ES為最大位移處割線剛度包含的面積，本文取不同工況下節(jié)點(diǎn)累計(jì)滯回耗能E和最大位移幅值對應(yīng)的等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq進(jìn)行對比，具體見表1。

表1 各工況下的耗能性能

從表1可以看出，開設(shè)三孔的阻尼器累計(jì)滯回耗能低于單孔和五孔阻尼器，耗能能力最差，而設(shè)有五孔的阻尼器耗能能力最強(qiáng)。同時(shí)，三種開孔形式下等效黏滯阻尼系數(shù)均在30%～40%之間，差異不大?？梢?，開孔數(shù)量并不是本文連梁阻尼器的唯一決定性影響因素，應(yīng)綜合考慮開孔形式、位置和數(shù)量對連梁阻尼器耗能能力的影響，以此對連梁阻尼器進(jìn)行性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

3.3 應(yīng)力-應(yīng)變分析

完成位移加載后，阻尼器von-mises等效應(yīng)力云圖見圖4。

從圖4可以看出，開設(shè)五孔的阻尼器應(yīng)力、應(yīng)變分布更加均勻，屈服區(qū)域更大；外部屈曲約束板隨著開孔數(shù)量的增加其屈服區(qū)域也更加分散，而開設(shè)單孔的連梁阻尼器其應(yīng)力、應(yīng)變分布較為集中，進(jìn)入屈服的區(qū)域更加有限，耗能效果也隨之下降?？梢钥闯?，隨著阻尼器開孔數(shù)量的增加，阻尼器進(jìn)入屈服區(qū)域的面積顯著增大，阻尼器減震耗能能力顯著提高。

4 結(jié)語

本文基于金屬阻尼器的減震耗能特點(diǎn)提出了一種新型開孔軟鋼連梁阻尼器，通過數(shù)值模擬獲得了以下結(jié)論：

1)該新型連梁阻尼器能夠通過外部約束板避免剪切耗能鋼板過早進(jìn)入屈曲狀態(tài)，其剪切耗能板能夠提供較好的減震耗能能力。2)針對不同開孔形式發(fā)現(xiàn)，開設(shè)五孔的連梁阻尼器的抗震性能最佳，其承載力也顯著增強(qiáng)，耗能能力最佳。3)隨著開孔數(shù)量的增加，耗能金屬板的屈服區(qū)域更加分散，應(yīng)力、應(yīng)變分布更加均勻，阻尼器的耗能能力也隨之增強(qiáng)。