白潔BAI Jie；王強(qiáng)WANG Qiang；邱威威QIU Wei-wei；楊帆YANG Fan；劉蘊(yùn)文LIU Yun-wen；閆玉翟YAN Yu-di

（沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽 110168）

0 引言

阻尼器按照耗能變形方式主要分為剪切型阻尼器和彎曲型阻尼器。剪切型阻尼器具有構(gòu)造簡單、初始剛度大、耗能能力良好等特點(diǎn)，在消能減震結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。常見的剪切型阻尼器主要由軟鋼或者低碳鋼制作而成，其耗能原理是在水平荷載的作用下，鋼板阻尼器發(fā)生面內(nèi)剪切塑性變形進(jìn)而消耗地震產(chǎn)生的能量。

Seki[1]首先提出了剪切型鋼板阻尼器，其構(gòu)造由腹板、翼緣、端板組成，腹板為耗能板，利用腹板和翼緣鋼材的剪切塑性變形消耗能量。隨后，聶建國[2]對剪切型鋼板阻尼器的初始剛度、承載力、耗能性能以及延性展開研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼板角部面外屈曲顯著，且存在撕裂現(xiàn)象，滯回曲線捏縮現(xiàn)象嚴(yán)重。針對這一問題，孔子昂[3]等學(xué)者試圖在鋼板表面開設(shè)不同形式的孔洞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開孔可使鋼板應(yīng)力分布均勻，減小鋼板角部的應(yīng)力集中和面外屈曲，但是鋼板角部還存在嚴(yán)重的面外屈曲現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼板的耗能曲線產(chǎn)生捏縮。Tanaka[4]通過設(shè)置加勁肋來抑制內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法可在一定程度上抑制鋼板的面外屈曲，但是焊接處存在焊接殘余應(yīng)力，極易發(fā)生撕裂破壞。郭彥林[5]提出防屈曲鋼板剪力墻，在鋼板兩側(cè)設(shè)置約束混凝土板，混凝土板只承受內(nèi)嵌鋼板的擠壓作用，不承擔(dān)水平剪力作用。結(jié)果得出，防屈曲鋼板剪力墻相比于普通鋼板剪力墻可明顯改善其耗能能力，但是鋼板角部還存在較為嚴(yán)重的面外屈曲。金雙雙[6]對內(nèi)部鋼板開斜縫外部約束為混凝土板的組合形式的防屈曲鋼板剪力墻進(jìn)行研究，結(jié)果表明將二者進(jìn)行組合具有良好的耗能能力，但是該構(gòu)件鋼板角部還存在著一定的面外屈曲，同時(shí)開斜縫構(gòu)造復(fù)雜，不利于制作施工。

基于上述鋼板在承受水平荷載作用的過程中，在彎矩和剪力共同作用下，角部存在應(yīng)力集中產(chǎn)生的面外屈曲問題。本文將鋼板開孔與外部防屈曲相結(jié)合，提出一種開孔型防屈曲鋼板阻尼器，并通過有限元數(shù)值模擬研究鋼板開孔、面外約束對阻尼器內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲、應(yīng)力分布及耗能能力的影響。

1 開孔型防屈曲鋼板阻尼器的提出

本文提出的開孔型防屈曲鋼板阻尼器主要由內(nèi)嵌開孔鋼板、外部約束混凝土板以及螺栓組成，內(nèi)嵌鋼板通過角鋼和螺栓與結(jié)構(gòu)梁的上下翼緣板進(jìn)行連接。該阻尼器構(gòu)造簡單可適用于在工程現(xiàn)場進(jìn)行組裝，并便于后期的維護(hù)更換。翼緣板在承受水平荷載作用時(shí)，帶動(dòng)內(nèi)嵌鋼板發(fā)生剪切塑性變形，進(jìn)而消耗地震產(chǎn)生的能量。為提高阻尼器耗能能力，在內(nèi)嵌鋼板中部開設(shè)均勻圓孔，通過削弱鋼板中部的面積使應(yīng)力分布均勻，改善鋼板角部的面外屈曲。

2 有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證利用有限元軟件Abaqus 進(jìn)行有限元分析的正確性，基于文獻(xiàn)[7]對已有純鋼板剪力墻試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬分析。文獻(xiàn)中純鋼板剪力墻尺寸為1200×1100mm，厚度為2.75mm，鋼材為Q235 鋼，鋼板與框架上下梁通過高強(qiáng)螺栓和角鋼進(jìn)行連接，底梁通過錨固螺栓與地面進(jìn)行錨固。試驗(yàn)中采用電液伺服加載裝置對試件進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)。

2.1 有限元模型建立

有限元模型嚴(yán)格按照文獻(xiàn)中所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模分析。鋼板采用殼單元進(jìn)行建模。將鋼板與框架梁端之間的接觸認(rèn)為完全固結(jié)，忽略螺栓滑移對其耗能性能的影響，在內(nèi)嵌鋼板頂部和底部分別設(shè)定耦合其位移的參考點(diǎn)。按照試驗(yàn)的邊界條件約束鋼板底部參考點(diǎn)的平動(dòng)自由度與轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并按照試驗(yàn)加載制度在頂部參考點(diǎn)進(jìn)行水平位移往復(fù)加載。

2.2 鋼材本構(gòu)模型

對于鋼材國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的本構(gòu)模型，包括理想彈塑性模型、雙折線模型以及三折線模型等。其中，雙折線的隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以反映往復(fù)加載過程中材料的包辛格效應(yīng)，能夠較好地描述鋼材的力學(xué)性能。故本文中鋼材選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。按照試驗(yàn)材性測試，鋼材彈性模量為215083MPa、泊松比為0.31、屈服強(qiáng)度為294MPa以及極限強(qiáng)度為429MPa。

2.3 計(jì)算結(jié)果對比分析

將有限元模擬分析所得的鋼板頂部位移—荷載滯回曲線以及面外變形分布與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖1、圖2所示。可以看出模擬所得的阻尼器承載力、加卸載剛度、滯回曲線形狀與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且面外變形分布也基本相同，其中角部存在嚴(yán)重的面外屈曲變形。模擬結(jié)果能夠較好反映試件在加載過程角部面外屈曲造成滯回曲線的捏縮現(xiàn)象。有限元分析得出的滯回曲線相比于試驗(yàn)結(jié)果略微飽滿，因?yàn)橛邢拊治鍪窃诶硐霠顟B(tài)下進(jìn)行的，忽略了試驗(yàn)過程中螺栓滑移、人為干擾因素以及外部構(gòu)件加工等因素影響。根據(jù)有限元模擬結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對比，可以得出有限元數(shù)值模擬可以較好地反映真實(shí)試驗(yàn)的受力情況。

圖1 結(jié)果曲線對比

圖2 面外變形對比

3 開孔型防屈曲鋼板阻尼器有限元模擬

本節(jié)采用有限元軟件Abaqus 對開孔型防屈曲鋼板阻尼器在單調(diào)加載以及往復(fù)加載情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其應(yīng)力分布以及面外屈曲情況，并與純鋼板阻尼器以及開孔型鋼板阻尼器進(jìn)行對比分析。試件鋼板尺寸為1200×1500mm，厚度為8mm，鋼材取Q235，采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型，彈性模量為200000MPa、泊松比為0.3、屈服強(qiáng)度為235MPa 以及極限強(qiáng)度為360MPa?；炷涟搴穸葹?0mm，強(qiáng)度等級(jí)C30，混凝土本構(gòu)采用混凝土塑性損傷模型?？紤]到制作加工精度，外部約束混凝土板與內(nèi)嵌鋼板初始間隙取為3mm。

3.1 單調(diào)加載情況下應(yīng)力變形分析

在水平單調(diào)加載位移至30mm（試件高度/50）時(shí)，純鋼板阻尼器、開孔型鋼板阻尼器以及開孔型防屈曲鋼板阻尼器的Mises 應(yīng)力分布以及面外屈曲變形結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。

圖3 應(yīng)力分布對比

圖4 面外變形對比

由圖3 可知，純鋼板阻尼器的最大應(yīng)力達(dá)到了349.6MPa，高應(yīng)力區(qū)主要集中在鋼板角部，鋼板大部分沒有進(jìn)入屈服。開孔型鋼板最大應(yīng)力降低了12%，鋼板中部應(yīng)力有所提高，應(yīng)力分布較為均勻。開孔型防屈曲鋼板最大應(yīng)力降低了20%，高應(yīng)力區(qū)由角部擴(kuò)展至鋼板中部，鋼板面積約80%進(jìn)入屈服，應(yīng)力分布明顯均勻。開孔型防屈曲鋼板最大應(yīng)力的降低能夠提高阻尼器的抗疲勞性能，減輕內(nèi)嵌鋼板角部的撕裂破壞。

由圖4 可知，純鋼板阻尼器在角部區(qū)域發(fā)生較大面外變形，且最大變形為46.42mm。開孔型鋼板面外變形分布相對分散，最大變形為42.99mm。開孔型防屈曲鋼板在外部約束混凝土板的約束下，面外位移較小，最大面外位移僅為3.89mm，面外變形集中現(xiàn)象得到明顯改善。鋼板中部開孔減緩了鋼板角部的面外屈曲，有利于降低對約束混凝土板以及約束螺栓的剛度要求，而約束混凝土板可有效抑制內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲。

3.2 往復(fù)加載情況下滯回性能分析

在水平往復(fù)加載位移至30mm（試件高度/50）時(shí)，純鋼板阻尼器、開孔型鋼板阻尼器以及開孔型防屈曲鋼板阻尼器的滯回曲線結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，三種阻尼器具有相近的初始剛度、屈服位移和屈服荷載，且屈服位移較小，約為試件高度的1/500。加載位移較?。ㄐ∮?mm）階段，滯回曲線形狀基本一致，這表明開孔和約束板對阻尼器的小位移階段性能幾乎沒有影響。隨著加載位移的增加，純鋼板和開孔鋼板的承載力出現(xiàn)強(qiáng)度退化現(xiàn)象，滯回曲線存在明顯的捏縮，其中開孔型鋼板滯回曲線趨緩：而開孔型防屈曲鋼板承載力呈穩(wěn)定上升，滯回曲線呈飽滿的梭形，且卸載階段明顯大于其余二者。

圖5 滯回曲線對比

圖6為三種阻尼器加載位移幅值與單圈滯回面積的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲈诩虞d位移較?。ㄐ∮?mm）階段，三種阻尼器耗能能力基本一致，隨著加載位移的增大，純鋼板和開孔鋼板的耗能能力緩慢增加，而開孔型防屈曲鋼板的耗能能力增長明顯。當(dāng)加載位移達(dá)到30mm 時(shí)，開孔型防屈曲鋼板的耗能能力約為其余二者的2.6 倍。這是由于將開孔和防屈曲相結(jié)合，使得鋼板的應(yīng)力分布較為均勻、面外屈曲受到抑制，材料塑性耗能能力得以充分發(fā)揮。

圖6 單圈滯回面積對比

4 結(jié)論

本文提出一種開孔型防屈曲鋼板阻尼器，并通過有限元數(shù)值模擬研究鋼板開孔、面外約束對阻尼器內(nèi)嵌鋼板的面外屈曲、應(yīng)力分布及耗能能力的影響。得出如下結(jié)論：

①純鋼板阻尼器在承受水平荷載作用時(shí)，角部產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中和面外變形，滯回曲線產(chǎn)生明顯的捏縮現(xiàn)象。②通過在鋼板中部進(jìn)行開孔可降低鋼板角部的最大應(yīng)力，使鋼板中部應(yīng)力有所提高，且應(yīng)力分布均勻，同時(shí)減小了鋼板角部的面外變形，耗能能力有所提高。③在鋼板兩側(cè)添加約束混凝土板可有效抑制內(nèi)嵌鋼板面外屈曲，高應(yīng)力區(qū)由角部擴(kuò)展至鋼板中部，鋼板面積約80%進(jìn)入屈服，應(yīng)力分布明顯均勻，滯回曲線呈明顯梭形，耗能能力較好。