JY-SS-I 型金屬軟鋼阻尼器試驗(yàn)研究

高 杰， 薛彥濤， 王 磊， 翟 彬

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

隨著人類科技水平不斷提高，結(jié)構(gòu)減震(振)控制技術(shù)作為抵御地震(強(qiáng)風(fēng))的一種有效方法得到了發(fā)展和應(yīng)用。金屬軟鋼阻尼器作為減震控制一種減震器的一種，因其構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉被廣泛應(yīng)用。

金屬的彈塑性變形是消耗地震輸入能量的最有效機(jī)制之一，金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器即利用金屬材料塑性變形及塑性累計(jì)耗散地震動能量輸入。日本在上世紀(jì)八九十年代開始試驗(yàn)研究，近些年來大量應(yīng)用于中低層住宅、高層及超高層建筑中。

金屬軟鋼阻尼器選用材料以軟剛、低屈服點(diǎn)鋼材、鉛及記憶合金為主，而鉛材料本身的缺陷和合金類材料價格相對昂貴等原因，使軟剛和低屈服點(diǎn)鋼材成為建筑行業(yè)金屬軟鋼阻尼器材料的首選。日本根據(jù)金屬軟鋼阻尼器需求專門研制了SS400、LY225和LY100型阻尼器，其中LY 100的鋼材延伸率可達(dá)50%以上，累計(jì)塑性變形能力出眾，但該材料無明顯屈服點(diǎn)，對金屬軟鋼阻尼器屈服承載力設(shè)計(jì)時需注意。

國內(nèi)較成熟的的軟剛即為Q225、Q235鋼材，其材料性能與日本產(chǎn)LY225相當(dāng)，上述鋼材材料性能對比詳見圖1。

圖1 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較

金屬軟鋼阻尼器相比黏滯或摩擦型阻尼器具有性能穩(wěn)定、耐久性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時維護(hù)費(fèi)用相對較低，并可應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)形式的建筑結(jié)構(gòu)。金屬軟鋼阻尼器的相對位移增大的同時其耗能能力也相應(yīng)增大，因此，該種阻尼器更適用于較柔的結(jié)構(gòu)體系。金屬軟鋼阻尼器既可用于既有建筑的抗震加固和震損結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，又可以用于新建建筑。研究及實(shí)踐表明，金屬軟鋼阻尼器用于抗震加固可比傳統(tǒng)加固方式節(jié)約造價縮短工期。

中國建筑科學(xué)研究院JY-SS系列金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器產(chǎn)品具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，經(jīng)過深入理論分析和試驗(yàn)研究，已經(jīng)形成了一整套完整成熟的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)，其形式如圖2。

截止目前，已經(jīng)針對傳統(tǒng)軟鋼(Q225、Q235)及低屈服點(diǎn)鋼材(Q160和Q100)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。傳統(tǒng)軟鋼具有價格低、產(chǎn)量大、易采購、易加工等多方面優(yōu)勢，但其自身力學(xué)性能確定其變形及疲勞性能比低屈服點(diǎn)鋼材有所不足，但通過工藝及構(gòu)造處理仍能達(dá)到較為理想狀態(tài)。

圖2 金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器模型及試件

1 計(jì)算分析

金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器恢復(fù)力分析模型可以采用理想彈塑性分析模型、雙線性模型和Ramberg-Osgood模型。其中雙折線型應(yīng)用較多(圖3)，剪切型金屬軟鋼阻尼器主要依靠剪切塑性累計(jì)耗散地震能量，其提供阻尼力計(jì)算方法主要如下:

式中，α為剛度修正系數(shù);G為剪切彈性模量(N/mm2);AS為金屬軟鋼阻尼器剪切面積(mm2);Hd為金屬軟鋼阻尼器高度(mm);τy、τB分別為鋼材剪切屈服力和最大剪應(yīng)力(N/mm2)。

圖3 金屬軟鋼阻尼器彈塑性分析模型

剪切型金屬軟鋼阻尼器理論分析宜采用有限元方法進(jìn)行，如采用ANASYS、ABAQUS、SAP2000、ETABS等通用有限元軟件。計(jì)算時金屬軟鋼阻尼器采用塑性單元，通過調(diào)整屈服力和彈性剛度等參數(shù)進(jìn)而參與到結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中。

2 試驗(yàn)研究

作為系列試驗(yàn)之一，首先進(jìn)行了以傳統(tǒng)軟鋼為基材的位移型金屬軟鋼阻尼器試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)三組試件(表1，表2)，其中構(gòu)件一高寬比1.25，芯材與加勁肋均為焊接連接;構(gòu)件二高寬比0.8，芯材與加勁肋及端版焊接連接;構(gòu)件三高寬比1.25，芯材與四周端板采用螺栓+摩擦材料連接。通過以上三組試驗(yàn)檢驗(yàn)傳統(tǒng)軟鋼金屬軟鋼阻尼器力學(xué)性能。

表1 構(gòu)件設(shè)計(jì)信息

表2 試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)

試驗(yàn)采用低周反復(fù)加載，上下端均為固結(jié)，小震位移循環(huán)30圈，中震位移循環(huán)3圈，大震位移循環(huán)3圈。試驗(yàn)在中國建筑科學(xué)研究院金屬軟鋼阻尼器試驗(yàn)臺架(圖4)上進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)架可完成金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器5000 kN及以下試驗(yàn)，試件長度最大高度可達(dá)1 m，試驗(yàn)滯回曲線如圖5～7。

圖4 金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器試驗(yàn)臺架及試件

圖5 構(gòu)件一試驗(yàn)滯回曲線(高寬比1.25)

圖6 構(gòu)件二試驗(yàn)滯回曲線(高寬比0.8)

圖7 構(gòu)件三試驗(yàn)滯回曲線(高寬比1.25)

圖8 構(gòu)件試驗(yàn)骨架曲線

圖8為構(gòu)件一～構(gòu)件三骨架曲線，試驗(yàn)表明，三個試驗(yàn)件均有明顯屈服點(diǎn)，構(gòu)件屈服后屈服后承載力均略有上升。

三組試驗(yàn)表明，采用傳統(tǒng)做法的構(gòu)件延性能力最低，極限變形為75倍屈服位移，而采用組合構(gòu)造方式的構(gòu)件三最大可以達(dá)138。構(gòu)件極限承載能力均可達(dá)屈服變形的2倍以上。

三組試驗(yàn)最終均表現(xiàn)為芯材撕裂破壞:

構(gòu)件一，在剪切變形大于11%時芯材發(fā)生局部屈曲，進(jìn)而在與端板連接處(焊接熱影響區(qū))形成撕裂破壞;

構(gòu)件二，剪切變形10%時中間加勁肋焊口處開裂，但實(shí)際承載力未降低，繼續(xù)加載，剪切變形大于12%時芯板發(fā)生屈曲，撕裂(焊接熱影響區(qū));

構(gòu)件三，端部翼緣板首先發(fā)生開焊，最終在螺栓蓋板與芯板加強(qiáng)處發(fā)生撕裂(局部焊接區(qū))。

3 構(gòu)件性能

(1)通過以上試驗(yàn)表明，利用傳統(tǒng)軟鋼材料制作的金屬剪切型金屬軟鋼阻尼器具有較好的變形和抗疲勞性能，同時通過合理的翼緣及加勁肋可大幅提高其極限承載能力。

(2)采用小高寬比(＜1)可在一定程度上優(yōu)化構(gòu)件性能，提高極限變形能力;

(3)相同高寬比時，焊接連接對普通軟鋼芯材力學(xué)性能影響較大，在焊接熱影響區(qū)內(nèi)最終發(fā)生破壞，采用螺栓等機(jī)械形式連接可有效改善這一不足。

(4)采用螺栓+摩擦材料連接可以提高金屬軟鋼阻尼器耗能能力，提高滯回曲線飽滿程度。

[1]GB 50009-2006，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]歐進(jìn)萍.結(jié)構(gòu)振動控制-主動、半主動和智能控制[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[4]周 云.摩擦耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2006.

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[6]社團(tuán)法人.被動減震結(jié)構(gòu):設(shè)計(jì)施工手冊[M]蔣通.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.