徐榮榮，陶忠*，戴必輝,2，戴金沙，趙聰，楊林

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.西南林業(yè)大學土木工程學院，云南 昆明 650224)

我國農(nóng)村地區(qū)依舊存在大量的傳統(tǒng)木結(jié)構建筑房屋，這些具有鮮明特色的地域建筑形態(tài)多樣、文化豐富[1]，是鄉(xiāng)村建設行動中需要重點保護和發(fā)展的對象。前期研究表明，這類房屋在長期使用后常常因為榫卯節(jié)點松動、糟朽或蟲蛀而導致房屋抗震性能欠佳[2]，歷次地震中往往受損嚴重。因此，在提升既有木結(jié)構建筑整體抗震性能方面，圍繞榫卯節(jié)點加固的研究取得了一定進展，開發(fā)出了多種加固方法。

薛建陽等[3]對榫卯節(jié)點進行低周反復加載試驗，得到了榫卯節(jié)點的相關抗震性能指標，利用創(chuàng)建的有限元模型分析梁截面高度和栓子截面尺寸對榫卯節(jié)點的影響。熊海貝等[4]通過進行單調(diào)加載足尺穿斗式木結(jié)構模型的試驗，研究其榫卯節(jié)點、柱腳等相關性能。王博等[5]利用ANSYS進行數(shù)值模擬，分析穿斗木結(jié)構靜力反應、動力特性、不同強度地震下的響應特性，并提出在中柱間設置剪刀撐，在梁下設置枋等措施來提高穿斗木結(jié)構房屋的抗震性能。周云等[6]發(fā)明了一種梁柱節(jié)點加固扇形鉛黏彈性阻尼器，可直接安裝在框架結(jié)構梁與柱下腋或和上腋內(nèi)達到框架結(jié)構梁柱節(jié)點的抗震加固目的。陶忠等[7]在榫卯節(jié)點安裝黏彈性阻尼器，通過試驗表明其有助于改善結(jié)構的抗拔榫能力。

本課題組研究的穿斗木構架針對結(jié)構梁柱榫卯節(jié)點在地震下極易損壞的特點研制出適用于木結(jié)構的新型扇形黏彈性阻尼器，既能加強榫卯接點連接，還能節(jié)約建筑空間。

本文主要介紹2種形制的扇形黏彈性阻尼器的主要構造和工作機制，采用ABAQUS軟件建立阻尼器模型并對其數(shù)值進行比較分析，研究添加鋼板、橡膠塊后的SX-2阻尼器相比較于SX-1阻尼器耗能性能和阻尼特性的影響。

1 結(jié)構尺寸

扇形黏彈性阻尼器由橡膠層、約束鋼板、剪切鋼板組成，具體構造見圖3和圖4。

表1 試件設計尺寸及參數(shù)Tab.1 Test-piece design size and parameters

圖1 SX-1黏彈性橡膠阻尼器Fig.1 SX-1 viscoelastic elastomeric damper

圖2 SX-2黏彈性橡膠阻尼器Fig.2 SX-2 viscoelastic elastomeric damper

圖3 SX-1黏彈性橡膠阻尼器構造圖Fig.3 Structural diagram of SX-1 viscoelastic elastomeric damper

約束鋼板、剪切鋼板均采用Q235鋼，橡膠層采用高阻尼丁苯橡膠，橡膠層與各個鋼板間通過高溫高壓硫化而成，黏接緊密，具體材料特性見表2。本課題組研究的2種形制阻尼器均是以螺栓直接安裝于木結(jié)構梁或枋和柱相連的節(jié)點區(qū)，鋼板與梁、柱通過長螺桿螺栓固定。構造簡單、美觀，施工方便。試件采用位移控制加載法，電液伺服作動器控制工字鋼梁的梁端，由電液伺服作動器施加豎向循環(huán)反復荷載帶動工字鋼梁往復運動，如圖5所示。

圖4 SX-2黏彈性橡膠阻尼器構造圖Fig.4 Structural diagram of SX-2 viscoelastic elastomeric damper

表2 材料屬性Tab.2 Material properties

2 基本原理

周云等[8]設計的扇形鉛黏彈性阻尼器利用鉛(剪切擠壓滯回變形)和黏彈性復合材料(剪切滯回變形)進行耗能。本課題組研究的SX-1形制扇形黏彈性阻尼器的耗能機制是利用橡膠材料剪切或擠壓屈服后產(chǎn)生塑性變形，應用于震區(qū)的木結(jié)構房屋可減小震害，提供足夠的木結(jié)構側(cè)向剛度和恢復力[9]。SX-2形制扇形黏彈性阻尼器在地震作用下鋼板相對轉(zhuǎn)動使其間的黏彈性橡膠材料剪切變形，消耗地震能量。通過重點研究阻尼器的滯回曲線飽滿程度、耗能系數(shù)(ψ)以及等效黏滯阻尼比(ξ)3個指標，便可以在宏觀上觀測到不同阻尼器耗能能力的差別。

滯回曲線是在反復荷載作用下結(jié)構的應力-應變曲線，滯回環(huán)面積越大，耗散能量越多，耗能能力越強。橡膠阻尼器在一定范圍內(nèi)的循環(huán)荷載作用下，內(nèi)部橡膠材料保持超彈性變形[9-10]，扇形黏彈性阻尼器的力學行為可近似地取為雙線性滯回模型(圖6)。

耗能系數(shù)[11](ψ)是指一個加載周期內(nèi)所耗散的能量與加載位移最大處所具有彈性勢能的比值?？蓞⒄請D6和式(1)進行計算。

(1)

等效阻尼比[11](ξ)表示阻尼器減震耗能作用的一個重要指標,也是線性反應譜分析的重要參數(shù)?？蓞⒄請D6和式(2)進行計算。

(2)

圖5 加載裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of loading equipment

圖6 雙線性滯回模型圖Fig.6 Hyperolic hysteresis loop model

3 有限元模擬分析

3.1 分析模型

為了研究2種形制的扇形黏彈性阻尼器的滯回耗能性能差異，采用ABAQUS有限元軟件對2個阻尼器試件進行數(shù)值建模分析。參考文獻[11-12]進行計算假定、單元劃分和選取等。

“夫綴文者情動而辭發(fā)”不少課文蘊涵著豐富的情感，有強烈的感染力，能夠引起學生的共鳴。教師應深入細讀文本，引導學生熟讀體會，與文本產(chǎn)生共鳴，為情所動，讓心中涌動的情感不吐不快。如教學《地震中的父與子》時，教師結(jié)合洛杉磯地震、四川大地震的有關報道和影片，引出小練筆：此時，眼前是——（學生：無邊的黑暗），耳邊不停傳來——（學生：孩子的哭聲），一個7歲的孩子，他害怕嗎？他恐懼嗎？他在想什么？他能干什么？請你寫一寫。

根據(jù)阻尼器的構造和相應的設計參數(shù)，其有限元模型通過拉伸方式創(chuàng)建各個部件的三維實體模型。鋼板和橡膠層分別賦予對應的材料屬性；試件中的約束鋼板和中間剪切鋼板定義為解析剛體；最后將所有部件組裝成為一體，如圖4所示。所有的鋼板采用八節(jié)點六面體線性減縮積分單元(C3D8R)分析，橡膠層則采用三維八節(jié)點六面體雜交單元(C3D8H)進行模擬。2組試件的實體模型如圖7、圖8所示。

圖7 SX-1模型圖Fig.7 SX-1 model diagram

圖8 SX-2模型圖Fig.8 SX-2 model diagram

約束鋼板、剪切鋼板均采用Q235鋼，給出相應的材料屬性，處理為線彈性材料[11]；超彈性橡膠屬于近似不可以壓縮材料，力學模型可采用經(jīng)典的Mooney-Rivilin模型[12]，采用此模型建立橡膠的本構必須輸入C10和C01以及D1這3個參數(shù)，C10和C01為橡膠硬度，D1為體積模量，確定C10和C01數(shù)值后對應選取E∞，據(jù)公式D1=2/E∞確定D1。各材料屬性[12-14]按照表2的數(shù)值輸入。

黏彈性層(橡膠層)與鋼板之間采用面面接觸的綁接(Tie接觸)。阻尼器的所有約束鋼板的連接部位均采用固接形式。在剪切鋼板頂部設置耦合點并進行加載，通過剪切鋼板帶動復合黏彈性層對黏彈性橡膠阻尼器實施循環(huán)加載。加載方式均施加低周往復荷載，如圖9所示。

3.2 數(shù)值分析

3.2.1 滯回性能的分析

通過有限元模擬，得到在同一位移加載方式下的2組阻尼器彎矩-轉(zhuǎn)角位移(M-θ)滯回曲線，如圖10所示。

t/s圖9 幅值加載曲線Fig.9 Amplitude loading curve

θ/rad(a)SX-1試件

由圖10中2個試件的滯回曲線可以看出，黏彈性阻尼器的滯回曲線呈反向S形，SX-2阻尼器試件相較于SX-1阻尼器試件滯回曲線更加飽滿，耗能能力更強。在轉(zhuǎn)角位移作用下，剪切鋼板帶動橡膠層進行轉(zhuǎn)動，從滯回曲線總體來看，隨著變形的增大，阻尼力不斷增大，扇形黏彈性阻尼器充分利用了黏彈性材料的剪切滯回變形機制耗能，耗能性能好。通過對比SX-1和SX-2滯回曲線圖，同一個轉(zhuǎn)角位移加載下SX-2滯回環(huán)面積比SX-1增大了54.07%；SX-1和SX-2在最小轉(zhuǎn)角位移幅值作用下的耗能分別為0.10和0.20 kN·mm，SX-2為SX-1的2倍；最大轉(zhuǎn)角位移幅值作用下的耗能分別為24.00和45.36 kN·mm，后者為前者的1.89倍；SX-2滯回曲線將SX-1滯回曲線完全包絡，表明改良后的阻尼器耗能能力得到增強。

3.2.2 耗能系數(shù)分析

將2組阻尼器在同一加載方式作用下滯回曲線各峰值點連線得出阻尼器的骨架曲線，如圖11所示。從骨架曲線及滯回曲線面積計算出耗能系數(shù)和等效阻尼比，可知SX-2阻尼器相較于SX-1阻尼器具有更好的耗能能力；并且隨著剪切變形的增加，黏彈性橡膠阻尼器的最大阻尼力也會有所增加。

θ/rad圖11 SX-1、SX-2骨架曲線Fig.11 Skeleton curve of SX-1 and SX-2

圖12為SX-1和SX-2阻尼器的耗能系數(shù)隨加載幅值的變化曲線?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，在整個轉(zhuǎn)角位移幅值作用下，位移加載幅值較小時，SX-1和SX-2耗能系數(shù)的數(shù)值均較小，耗能系數(shù)隨著加載位移幅值的增大而逐漸增大，并且改良后的SX-2試件耗能系數(shù)要大于SX-1試件阻尼器。

θ/rad圖12 SX-1和SX-2耗能系數(shù)Fig.12 Energy dissipation coefficient of SX-1 and SX-2

如圖13所示，在轉(zhuǎn)角位移幅值較大的情況下，SX-2試件的耗能系數(shù)較SX-1試件的耗能系數(shù)分別高出6.82%，5.83%，2.64%，6.43%，16.75%，革新后的黏彈性阻尼器的耗能系數(shù)得到提高，并且在較大位移幅值加載情況下增幅更大，可見，SX-2阻尼器的耗能能力更好。

θ/rad圖13 SX-1、SX-2位移幅值為0.08～0.12 rad下的耗能系數(shù)Fig.13 Energy dissipation coefficient of SX-1 and SX-2 with displacement amplitude of 0.08-0.12 rad

3.2.3 等效阻尼比分析

SX-1和SX-2阻尼器的等效阻尼比隨加載幅值的變化曲線如圖14所示，在整個轉(zhuǎn)角位移幅值作用下，位移加載幅值較小時，SX-1和SX-2等效阻尼比均較小，等效阻尼比隨著加載的位移幅值增大而逐漸增大，并且改良后的SX-2試件等效阻尼比要大于SX-1試件阻尼器。

θ/rad圖14 SX-1、SX-2等效阻尼比Fig.14 Equivalent damping ratio of SX-1 and SX-2

如圖15所示，在轉(zhuǎn)角位移幅值較大的情況下，SX-2試件的等效阻尼比相較于SX-1試件增幅分別為1.12%，0.93%，0.18%，0.38%，1.50%，在最大位移幅值加載下，SX-2的等效阻尼比為11.33%，是SX-1的1.15倍，相比SX-1的等效阻尼比增加了1.50%。由此可以得出改良后黏彈性橡膠阻尼器等效阻尼比得到增大，耗能水平更加明顯。

θ/rad圖15 SX-1、SX-2位移幅值為0.08～0.12 rad下的等效阻尼比Fig.15 Equivalent damping ratio of SX-1 and SX-2 with displacement amplitude of 0.08-0.12 rad

5 結(jié)論

通過同一種轉(zhuǎn)角位移加載作用下模擬分析兩代扇形黏彈性阻尼器，可以初步得出以下結(jié)論:

(1)SX-2形制的扇形黏彈性阻尼器滯回曲線更飽滿，耗能能力強，具有較大的變形能力。

(2)在整個轉(zhuǎn)角位移幅值作用下，位移加載幅值較小時，耗能系數(shù)和等效阻尼比變化幅度很小，基本處于同一水平階段，說明在外力作用較小時，該扇形阻尼器基本不發(fā)揮作用。但整體上扇形黏彈性阻尼器耗能系數(shù)及等效阻尼比均隨著位移加載幅值的增加而增大。

(3)SX-2形制的黏彈性橡膠阻尼器的耗能系數(shù)及等效阻尼比相較于SX-1阻尼器均得到提高，阻尼器耗能能力得到提高。

扇形黏彈性阻尼器滯回性能穩(wěn)定、耗能能力強，利用耗能機制和耗能材料進行耗能，不僅可用于新建木結(jié)構，也可用于既有傳統(tǒng)木結(jié)構的加固。本文所論述的SX-2阻尼器相較于SX-1阻尼器，其耗能系數(shù)和等效阻尼比均有增強，說明SX-2阻尼器得到了較好的改良，能夠更好地提高傳統(tǒng)穿斗木構架的抗震能力。