軟鋼阻尼器發(fā)展及應(yīng)用綜述

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510000)

引言

地震和風(fēng)振作用相當(dāng)于能量的輸入，因此在強震和大風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)物應(yīng)有足夠的耗能能力，才能夠避免發(fā)生破壞。結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)是一種新的主動的抗震防災(zāi)技術(shù)，在采用消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系中，結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件被設(shè)計成具有較大耗能能力的特殊元件——阻尼器，小風(fēng)小震時，結(jié)構(gòu)本身具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)；大震大風(fēng)時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，阻尼器率先進入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，集中地耗散結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量，迅速衰減結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)，從而避免或減小主體結(jié)構(gòu)的損傷。而消能減震結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)主要依賴于研制出簡便實用的消能減震裝置——阻尼器，目前國內(nèi)外已研制出大量的阻尼器，其中軟鋼阻尼器具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點，使其在實際工程中的應(yīng)用前景極為廣闊。

一、軟鋼阻尼器的研究和應(yīng)用

軟鋼阻尼器是結(jié)構(gòu)被動控制中耗能減震裝置的一種，在地震或風(fēng)振時，通過軟鋼發(fā)生塑性屈服滯回變形而耗散輸入結(jié)構(gòu)中的能量，從而達到減震的目的。由于軟鋼阻尼器構(gòu)造簡捷，力學(xué)概念明確，技術(shù)性能可靠且易實現(xiàn)，自1972年美國學(xué)者J·T·P·Yao提出結(jié)構(gòu)振動控制概念以來，各國學(xué)者不斷地對軟鋼阻尼器進行理論和試驗研究，并開發(fā)出各種構(gòu)造形式的軟鋼阻尼器。

1972年，新西蘭的Keiiy等人首先提出金屬屈服耗能器，并進行了軟鋼阻尼器的研究和試驗，該阻尼器由數(shù)塊矩形鋼板疊加組成。1975年，新西蘭的Skinney等人提出U形鋼板阻尼器，并于1980年最早將鋼阻尼器應(yīng)用于新西蘭政府辦公樓這一實際工程中。1978年新西蘭的Tyier提出的錐形軟鋼阻尼器在意大利NapieS的一幢29層的鋼結(jié)構(gòu)建筑中采用。1981年美國的Stiemer等人提出的鋼管阻尼器在新西蘭的一幢6層政府辦公樓中應(yīng)用。目前較具特色的軟鋼阻尼器是三角形軟鋼阻尼器(TADAS)和X形軟鋼阻尼器(XADAS)兩種，分別是Whittaker等人和TSai等人研究開發(fā)的，是目前應(yīng)用較多的軟鋼阻尼器。美國舊金山的兩幢和墨西哥的三幢結(jié)構(gòu)成功地采用了XADAS進行抗震加固。值得提出的是：日本和美國新近出現(xiàn)的抑制屈曲支撐軟鋼阻尼器，在其內(nèi)核鋼支撐和外包層(鋼管、鋼筋混凝土或鋼管混凝土)之間形成無粘結(jié)滑移界面，防止內(nèi)核鋼支撐在壓力作用下屈曲，從而獲得豐滿的滯回曲線。該阻尼器具有方便耐用、滯回耗能性能良好的特點，逐漸得到工程界的廣泛認可。至今為止，國外采用軟鋼阻尼器建筑已超過百幢，以結(jié)構(gòu)控制技術(shù)應(yīng)用發(fā)展較快的國家如美國、日本、加拿大、新西蘭、墨西哥為主，意大利、法國、俄羅斯、新加坡等國家也在實際工程中積極地應(yīng)用。

我國自1980年王光遠院士提出了高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制開始，已有越來越多的學(xué)者投入到軟鋼阻尼器的研究和開發(fā)中，1995年臺灣學(xué)者高健章和葉瑞孝考慮到加勁阻尼裝置的X形和三角形鋼板排列過于緊密，提出改進型加勁阻尼裝置。1997年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的周云、劉季研制出了軟鋼圓環(huán)耗能器，隨后為避免耗能器初始剛度和屈服力低、耗能量有限的缺點，又加以改進提出雙環(huán)軟鋼耗能器和加勁圓環(huán)耗能器，并分別進行了試驗研究。2003年中國地震局力學(xué)所的邢書濤等人將矩形鋼板阻尼器改進為中空菱形鋼板阻尼器，使阻尼器鋼板沿高度方向在相同厚度處各點同時達到屈服，從而大大提高了耗能能力。2004年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李玉順等人提出了極低屈服點軟鋼阻尼器，并進行了室外足尺擬動力試驗。但我國軟鋼阻尼器實際應(yīng)用較少。

二、軟鋼阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計方法

軟鋼阻尼器通常安裝在主體結(jié)構(gòu)的交叉支撐、人字型支撐或單斜支撐上組成耗能減震體系。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計采用的是“二階段”的設(shè)計方法，消能減震結(jié)構(gòu)也采用“二階段”的設(shè)計方法：第一階段，在小震或風(fēng)載作用下，主體結(jié)構(gòu)及耗能減震裝置處于彈性狀態(tài)，可以提供足夠的附加剛度使耗能減震體系滿足第一和第二水準(zhǔn)要求；第二階段，在強烈地震下，耗能裝置通過往復(fù)滯回變形消耗輸入結(jié)構(gòu)體系的能量，使主體結(jié)構(gòu)避免進入明顯的非彈性狀態(tài)從而實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的要求。

耗能減震結(jié)構(gòu)體系的運動方程為：

(1)

三、軟鋼阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)存在的問題和發(fā)展方向

雖然軟鋼阻尼器耗能減震技術(shù)的研究和應(yīng)用已取得較大的進展，但還有許多問題有待研究和解決。

1.目前國內(nèi)外開發(fā)的軟鋼阻尼器形式和構(gòu)造均較復(fù)雜，故研究較多，實際應(yīng)用較少。開發(fā)方便耐用、耗能能力強、便于大規(guī)模應(yīng)用于實際工程的軟鋼阻尼器成為當(dāng)務(wù)之急。

2.低屈服點的軟鋼阻尼器在較強的地震和風(fēng)振下才會起作用，且需裝設(shè)相當(dāng)數(shù)量，需尋找極低屈服點材料的阻尼器，使其更有效。

3.軟鋼阻尼器在工作時整體屈曲和局部屈曲以及鋼板的薄膜效應(yīng)都會對阻尼力-位移滯回模型產(chǎn)生影響，需進一步探討更準(zhǔn)確的本構(gòu)關(guān)系。

4.尚無消能減震體系的有關(guān)設(shè)計、施工等定量定性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還需編制相應(yīng)的計算分析軟件。無論如何，軟鋼阻尼器耗能減震結(jié)構(gòu)體系比傳統(tǒng)的抗震體系能更加有效地減震，并具有技術(shù)簡明、穩(wěn)定可靠、適用性廣等優(yōu)點，必將成為一種在實際工程中廣泛應(yīng)用的耗能減震體系。