雙弧形鋼阻尼器試驗(yàn)研究

張銀喜 陳彥北 郝紅肖

(中國(guó)南車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

雙弧形鋼阻尼器試驗(yàn)研究

張銀喜 陳彥北 郝紅肖

(中國(guó)南車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

利用壓剪試驗(yàn)機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)的一種雙弧形鋼阻尼器樣品進(jìn)行了多種工況下的耗能性能試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)所獲得的力—位移滯回曲線可知，該阻尼器通過(guò)自身的彈塑性變形能夠耗散外界輸入的部分能量，具備一定的橫向耗能能力且性能較為穩(wěn)定，從而使被保護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全的環(huán)境中。

壓剪試驗(yàn)機(jī)，雙弧形鋼阻尼器，彈塑性變形，橋梁安全

1 概述

自1972年Kelly等人[1]首先研制出一種金屬阻尼器以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者經(jīng)過(guò)幾十年的研究，已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種不同形狀的金屬阻尼器[2-8]。近年來(lái)，在實(shí)際橋梁工程中，我國(guó)工程技術(shù)人員成功開發(fā)并使用了E型、C型和非線性輻阻尼器[9-11]等形式的鋼阻尼器，取得了非常好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

本文利用低合金高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)了一種雙弧形橋梁防落梁鋼阻尼器，為了研究該型阻尼器對(duì)橋梁橫向位移的影響，本文通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的方式對(duì)該裝置的水平耗能性能進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)裝置與測(cè)試原理

本文雙弧形鋼阻尼器樣品試驗(yàn)在株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司ZYDL-YJ10000壓剪試驗(yàn)機(jī)上完成(見(jiàn)圖1)，該試驗(yàn)機(jī)具備豎向和水平雙向加載功能。

在雙弧形鋼阻尼器的試驗(yàn)過(guò)程中，上加載頭(1)根據(jù)整套試驗(yàn)裝置的實(shí)際高度進(jìn)行鎖定，液壓加載系統(tǒng)(8)通過(guò)水平推力桿(7)以伸縮的方式推拉下滑動(dòng)板(5)使雙弧形V形架下端產(chǎn)生水平位移以模擬裝置在地震等強(qiáng)烈作用下產(chǎn)生的水平位移，其中下滑動(dòng)板(5)通過(guò)滾輪(6)在下機(jī)架上滾動(dòng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，金屬材料在低周疲勞變形時(shí)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線形成的滯回環(huán)只有在經(jīng)歷一定的循環(huán)圈數(shù)后才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定，這一點(diǎn)也反映于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13]中，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彈塑性鋼耗能元件的試驗(yàn)規(guī)定了多級(jí)遞進(jìn)加載的方式，所以對(duì)于雙弧形防落梁裝置這種同樣是利用材料的彈塑性變形來(lái)耗散外界輸入能量的阻尼裝置，也需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)位移加載之前對(duì)裝置進(jìn)行位移量小于標(biāo)準(zhǔn)位移的多級(jí)遞進(jìn)加載試驗(yàn)。

作為對(duì)雙弧形鋼阻尼器構(gòu)型的初步探討，同時(shí)考慮到試驗(yàn)機(jī)的具體性能，本文設(shè)計(jì)了一種標(biāo)準(zhǔn)最大位移為40 mm的小位移試驗(yàn)樣品。按照多級(jí)加載的要求，在進(jìn)行位移幅值為40 mm的標(biāo)準(zhǔn)位移試驗(yàn)前分別進(jìn)行了幅值為10 mm和20 mm的預(yù)加載。試驗(yàn)中水平位移采用三角波形式施加，下滑板運(yùn)動(dòng)速度均為1 mm/s，每級(jí)10個(gè)循環(huán)，標(biāo)準(zhǔn)位移變形加載時(shí)位移變化曲線如圖2所示。

多級(jí)遞進(jìn)加載獲得的滯回曲線如圖3所示，可以看出，各級(jí)加載所獲得的滯回曲線均保持了較好的重合性，表明在各位移下裝置的性能是穩(wěn)定的；隨著裝置水平位移的不斷增大，滯回曲線逐漸飽滿起來(lái)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵谖灰戚^小時(shí)，裝置中的材料只在較小的區(qū)域發(fā)生了塑性變形，于是所能消耗的能量有限，形成滯回曲線呈狹長(zhǎng)狀；隨著位移的增大，防落梁V形架的弧形下支發(fā)生塑性變形的區(qū)域得到發(fā)展[13]，材料在變形過(guò)程中所產(chǎn)生的塑性功能增多，對(duì)輸入能量的耗散能力增強(qiáng)。

考慮到在使用過(guò)程中該型阻尼器受到強(qiáng)烈地震等因素可能造成的實(shí)際位移大于設(shè)計(jì)位移的情況，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[14]的要求進(jìn)行了1.2倍標(biāo)準(zhǔn)位移的超載試驗(yàn)。在此次試驗(yàn)中，不需要采用多級(jí)遞進(jìn)加載的方式，而是直接將幅值為48 mm，速度1 mm/s的位移三角波加在下滑板上，總循環(huán)次數(shù)仍然為10次。由圖4的滯回曲線可以看出，在此條件下，裝置仍然保有了較好的穩(wěn)定性和耗能效率。

為了研究在極端惡劣環(huán)境下裝置性能的穩(wěn)定性，我們對(duì)另兩組裝置進(jìn)行了20次標(biāo)準(zhǔn)位移的疲勞試驗(yàn)，在此過(guò)程中，加載速度也由原來(lái)的1 mm/s增加到8 mm/s，位移加載曲線如圖5a)所示。圖5b)給出了試驗(yàn)所獲得的滯回曲線，可見(jiàn)，在此速度下裝置仍保持了較好的穩(wěn)定性，但是各周期變形間的離散程度較低速時(shí)大，這主要源于在加載的過(guò)程中僅通過(guò)螺栓的固定造成裝置的上下底板組件間發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，其中編號(hào)為12號(hào)的阻尼器在試驗(yàn)前，在安裝螺栓后位于下滑動(dòng)板上可用的T型槽中插入了T型定位銷以增強(qiáng)對(duì)裝置的固定作用，而在進(jìn)行8號(hào)試驗(yàn)前，進(jìn)行了加固，結(jié)果8號(hào)試件數(shù)據(jù)中的離散較之12號(hào)減小。這也與在試驗(yàn)過(guò)程所觀察到的在相對(duì)高速加載下，下滑動(dòng)板運(yùn)動(dòng)到背離液壓加載系統(tǒng)的一側(cè)時(shí)會(huì)發(fā)生一定幅度的翹起有關(guān)，且此時(shí)下滑臺(tái)的移動(dòng)速度為8 mm/s，而此試驗(yàn)機(jī)最大加載速度為10 mm/s，試驗(yàn)機(jī)液壓加載系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性也受到了影響。

由于一般鋼材的力學(xué)性能均具有較強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性，為探究以上兩種加載速度下裝置耗能性能的差異，圖6給出了40 mm幅值下不同加載速度時(shí)裝置的滯回曲線，由圖可知，該裝置的滯回曲線不會(huì)隨著加載速度的變化產(chǎn)生顯著的變化，表明在上述兩種加載速度之間裝置耗能能力與加載速度無(wú)關(guān)，材料的應(yīng)變率相關(guān)性對(duì)裝置整體耗能的影響不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一種設(shè)計(jì)最大位移為40 mm的雙弧形鋼阻尼器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，獲得了裝置在不同工況下的滯回曲線，由獲取的曲線可知：

1)該型裝置具備一定的水平耗能作用，能對(duì)地震等作用下橋梁的落梁風(fēng)險(xiǎn)起到減小作用；

2)該裝置的耗能性能比較穩(wěn)定，在安裝該裝置后能對(duì)所要達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行定量控制。

[1] Kelly J M,Skinner R I,Heine AJ.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures[J].Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering,1972,5(3):63-88.

[2] Skinney R I,Kelly J M,Heine A J.Hysteresis Dampers for Earthquake Resistant Structures[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1975(3):287-296.

[3] Whittaker A S,Bertero V V,Thompson C L,et al.Seismic Testing of Steel Plate Energy Dissipation Devices[J].Earthquake Spectra,1991,7(4):563-604.

[4] Tsai K C,Hong C P.Steel Triangular Plate Energy Absorber for Earthquake Resistant Buildings[C].Proceedings of 1st World Congress on Constructional Steel Design.Mexico，1992.

[5] Tsai KC,Chen H W,Hong C P,et al.Design of Steel Triangular Plate Energy Absorbers for Seismic-Resistant Construction[J].Earthquake Spectra,1993,9(3):505-528.

[6] 高健章，葉瑞孝.含金屬消能片斜撐之研究[J].中國(guó)土木水利學(xué)刊，1995，7(1)：48.

[7] 歐進(jìn)萍，吳 斌.組合鋼板耗能器——一種新型耗能減震裝置[J].地震工程與工程振動(dòng)，1997(3):32-39.

[8] 邢書濤,郭 迅.一種新型軟鋼阻尼器力學(xué)性能和減震效果的研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2003(12):179-186.

[9] 李世珩.E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2012(1)：1-4.

[10] 潘 晉.E型鋼阻尼器數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28(7)：192-195.

[11] 劉 軍.彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2012(2)：22-24.

[12] 孫茂才.金屬力學(xué)性能[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[13] 張銀喜.防落梁裝置設(shè)計(jì)計(jì)算書[Z].株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，2011.

[14] JT/T 843—2012,公路橋梁彈塑性鋼減震支座技術(shù)條件[S].

Experimental study on double arc shape steel damper

Zhang Yinxi Chen Yanbei Hao Hongxiao

(ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.,LtdCSR，Zhuzhou412007，China)

In this paper， one kind steel dampers with double arc shape is studied under several displacement amplitude and two deformation rate by compression and shear testing machine. The force-displacement hysteretic curves obtained from experiment show that this damper can dissipate the energy steady in the horizontal direction by elastic-plastic deformation of steel, and keep the protected structure in safe environment.

compression and shear testing machine, double arc shape steel damper, elastic-plastic deformation, safety of bridge

1009-6825(2015)30-0159-02

2015-08-19

張銀喜(1985- )，男，碩士，工程師； 陳彥北(1980- )，男，博士，高級(jí)工程師； 郝紅肖(1981- )，女，碩士，工程師

TU352.1

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