新型彎拉變形轉(zhuǎn)換金屬阻尼器抗震性能研究★

姜馭勛，孟文盛

(大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

1 概述

傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)主要靠結(jié)構(gòu)自身變形吸收地震能量的輸入，該行為將導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞，并造成重大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。阻尼器的設(shè)置可以有效耗散外部能量的輸入，進而避免主體結(jié)構(gòu)過早進入塑性變形狀態(tài)，從而降低甚至避免主體結(jié)構(gòu)的破壞。

典型的金屬阻尼器裝置往往通過其彎曲[1-2]、剪切[3-4]、拉伸壓縮[5-7]變形進行屈服耗能。金屬阻尼器通過其自身的塑性變形行為消耗外部能量，具有耗能能力強、力學(xué)性能穩(wěn)定、數(shù)值計算方便、易于實現(xiàn)不同強度和剛度、制造成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中[8]。已有阻尼器的屈服變形行為往往均為單一的變形形式，其受載值達到屈服荷載后變形及承載能力則顯著降低，無法再有效提升結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。本文提出一種新型彎-拉變形轉(zhuǎn)換金屬阻尼器，該阻尼器在低位移水平下發(fā)生彎曲變形進行屈服耗能，隨著外部荷載的增加其變形機制由彎曲變形轉(zhuǎn)換為拉伸變形，且承載力再次提高，進而使結(jié)構(gòu)的二次抗震能力顯著提升，研究該類金屬阻尼器的抗震性能，具有極大的實際工程意義。

2 阻尼器設(shè)計及工作機理

本文提出的彎-拉變形轉(zhuǎn)換阻尼器主要包括外部高強鋼管、十字形耗能鋼板和中心處加載軸構(gòu)成，見圖1，其中b為耗能鋼板寬度，取值分別為20.0 mm,22.5 mm和25.0 mm；t為耗能鋼板厚度，取值分別為10.0 mm,12.5 mm和15.0 mm。鑒于耗能鋼板的厚度和寬度對其抗震性能影響最為顯著，因此本文共設(shè)置3種鋼板厚度和3種鋼板寬度加載工況，以便對阻尼器的力學(xué)性能進行參數(shù)化研究。

加載過程中，荷載作用于加載軸端部，施加往復(fù)位移荷載，低位移水平下十字形耗能鋼板通過鋼板的彎曲變形進行屈服耗能，當(dāng)位移達到一定水平后，鋼板變形機制則由彎曲變形轉(zhuǎn)換為拉伸變形，并進行拉伸變形條件下的減震耗能。本文阻尼器加載軸和外部鋼管采用Q345級鋼，十字形耗能鋼板采用Q235級鋼，以此確保加載過程中僅阻尼器發(fā)生破壞，而非耗能構(gòu)件免于破壞。

3 有限元模型建立

基于ABAQUS軟件建立阻尼器的有限元模型，外部鋼管、加載軸和十字形耗能鋼板均采用八節(jié)點三維實體減縮積分單元C3D8R，鋼管與耗能鋼板焊接區(qū)域及加載軸與耗能鋼板焊接區(qū)域均采用Tie命令進行綁定，以此保證兩者間的變形協(xié)調(diào)，加載軸的受載端通過參考點進行剛體連接，其有限元模型如圖2所示。阻尼器各組件材料均選用雙線性隨動強化本構(gòu)模型。

4 力學(xué)性能分析

采用前述建立的有限元模型，加載軸端部施加低周往復(fù)荷載，本文采用位移控制的加載模式進行加載，計算得到各工況下阻尼器的荷載-位移滯回曲線如圖3所示。

從滯回曲線可以看出，低位移水平下阻尼器展現(xiàn)出明顯的彎曲變形屈服耗能，隨著位移的增加，阻尼器的剛度和承載能力顯著增強，其變形機制此時由彎曲變形向拉伸變形轉(zhuǎn)換。針對阻尼器的耗能鋼板厚度而言，隨著鋼板厚度的增加其承載能力不斷提高，厚度為12.5 mm和15.0 mm的阻尼器相較于厚度為10.0 mm的阻尼器其最大承載力分別提高28.7%和47.6%。同時，隨著鋼板厚度的增加，阻尼器的屈服后剛度也有明顯提升，滯回曲線更加飽滿，所包圍的面積更大，可見隨著耗能鋼板厚度的增加阻尼器的減震耗能能力逐漸增強。

針對十字形鋼板寬度的變化，從圖3中可以看出，隨著耗能鋼板寬度的增加，阻尼器的承載力也有顯著提高，寬度為25.0 mm和22.5 mm的阻尼器，其最大承載力相較于耗能鋼板寬度為20.0 mm的阻尼器分別提高23.3%和36.2%。通過耗能鋼板寬度和厚度對阻尼器承載能力的影響幅度可以看出，耗能鋼板厚度對阻尼器承載能力的影響更加顯著。同時，通過對比可以看出，隨著耗能鋼板寬度的增加，阻尼器的屈服后拉伸變形階段的加載剛度提升幅度明顯，卸載剛度受鋼板寬度的影響變化不大。從耗能角度出發(fā)，可以看出隨著鋼板寬度的增加，滯回曲線更加飽滿，其所包圍的面積更大，耗能能力有所增強。

圖4給出了寬度b=20 mm，厚度t=10 mm的阻尼器在位移為10 mm和位移為30 mm時的von-mises等效應(yīng)力云。從阻尼器在不同位移加載階段的等效應(yīng)力云圖可以看出，低位移水平線具有顯著的彎曲變形特點，屈服區(qū)域更加集中，隨著變形的進一步增加，達到拉伸變形階段其耗能鋼板的不同界面均發(fā)生塑性屈服，其屈服區(qū)域更加分散，耗能能力進一步增強。

5 結(jié)語

本文基于金屬阻尼器的減震耗能特點提出了一種新型彎-拉變形轉(zhuǎn)換金屬阻尼器，通過數(shù)值模擬獲得了以下結(jié)論：

1)該新型金屬阻尼器在低位移水平下為彎曲變形，高位移水平下則轉(zhuǎn)換為拉伸變形，其屈服后承載力、加載剛度在高位移水平下均顯著提高。

2)隨著耗能鋼板厚度、寬度的增加，阻尼器的承載能力不斷提高，其滯回性能顯著提高，其耗能能力及屈服后剛度均有不同程度提高。

3)低位移水平下阻尼器耗能鋼板的應(yīng)力、應(yīng)變分布更加集中，隨著位移的增加其應(yīng)力、應(yīng)變分布更加均勻，體現(xiàn)出良好的拉伸變形性能特點。