基于杠桿原理的新型阻尼器性能參數研究

葉 茂，章武亮，徐 麗，袁金秀，崔海龍，王 悅，謝秋林

(1.廣州大學-淡江大學工程結構災害與控制聯合研究中心，廣東廣州 510006；2.廣州大學工程抗震研究中心，廣東廣州 510006；3.河北交通職業技術學院土木工程系，河北石家莊 050091；4.河北建設集團股份有限公司，河北保定 071000)

阻尼器在減震控制中的效果顯著[1-2]，性能穩定，一直是近年結構抗震研究領域中的重要研究方向。考慮阻尼器的構造形式和耗能原理，栗素峰[3]推導出孔隙式和間隙式雙出桿類黏滯阻尼器的阻尼力計算公式，為阻尼器的應用奠定基礎；徐趙東[4]、施衛星等[5]充分結合鉛和黏彈性材料的特點，研發出了鉛黏彈性阻尼器，采用擬靜力試驗，就頻率、溫度、應變幅值等參數對鉛黏彈性阻尼器的影響開展研究；與此同時，冼巧玲等[6]針對鉛黏彈性阻尼器屈服剛度、初始剛度及等效阻尼比，共設計出4種鉛芯直徑開展擬靜力循環加載性能試驗，得到了這3個影響因素的變化規律。以上研究表明：鉛黏彈性阻尼器的耗能能力強、性能穩定。基于利用“兩種或兩種以上耗能材料同時工作”的思路，不同學者開發出鉛黏彈性阻尼器[7]、鉛-橡膠阻尼器[8]和鋼-鉛黏彈性阻尼器[9]，并證明了該思路的有效性；為克服小位移作用下不能有效發揮阻尼器耗能能力的缺陷，吳福健等[10]設計開發出新型位移放大型黏彈性阻尼器，并推導出阻尼力理論公式。LIM等[11]通過對磁流變液的性能進行改良，并研究了阻尼器參數與阻尼器性能的關系，研究成果對研發和優化阻尼器的影響參數及性能具有重要參考價值。

阻尼器要發揮應有作用，就需要阻尼器產生一定的位移，因此，當阻尼器安裝位置(如:梁柱節點)位移或轉角較小時，大多現有的阻尼器很難充分發揮其耗能能力[4,12-15]。為此，針對梁柱節點這個位置，筆者提出一種基于杠桿原理的新型阻尼器[16-17]，可有效解決梁柱節點相對位移較小影響阻尼器耗能能力不能有效發揮的問題，探討了新型阻尼器力學性能及其關鍵影響參數。

1 阻尼器原理和構造特點

基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器原理圖如圖1所示，梁與柱間產生相對轉角為αo，阻尼器外弧板位移為d=Rad×αo，Rad為外弧板半徑，基于杠桿的效果，剪切鋼板最遠處產生位移D=(R/r)×d，位移放大效果與R/r的比值有關。

圖1 放大原理示意圖Fig.1 Diagram of amplification principle

以上述原理和設想為基礎，設計基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器，如圖2所示，模型包括：耗能部分(鉛芯、黏彈性橡膠層、薄鋼板)、剪切鋼板、固定鋼板、外支撐鋼板、滑動套孔、連接鋼板、轉動軸1和轉動軸2。該阻尼器利用復合彈性體和鉛芯共同耗能，內部通過兩個軸實現杠桿機制，即：外支撐鋼板與剪切鋼板通過轉動軸1連接，固定鋼板與剪切鋼板通過轉動軸2連接，轉動軸是起杠桿作用的支點。該機制使得結構產生的較小角位移能在復合彈性體和鉛芯位置處放大，從而保證新型阻尼器的耗能能力得到最充分的發揮。設計完成后的阻尼器主要參數如圖3所示，占用半徑為1 m圓的約1/4面積。

圖2 基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器組成構造Fig.2 Structures of lead viscoelastic damper based on lever principle

圖3 構件尺寸Fig.3 Components sizes

新型阻尼器主要耗能部件是復合彈性體和鉛芯，其中復合彈性體中耗能的部分是黏彈性阻尼材料(橡膠)，是影響阻尼器耗能性能的關鍵部分，因此，本文取選黏彈性材料、鉛芯、薄鋼板布置(即黏彈性層的布置)作為關鍵參數，開展阻尼器性能參數研究。

2 有限元模型的建立

選取ABAQUS作為分析平臺，采用三維實體建立阻尼器模型，采用C3D8H單元模擬橡膠材料，分析中需考慮材料的不可壓縮性質；其余部分選用C3D8R單元模擬，分析中需充分考慮彈塑性和接觸性等影響。對于材料本構模型，鋼材采用雙線性隨動強化模型(bilinear kinematic,NKIN)，考慮了鋼材的包辛格效應。復合彈性體中薄鋼板采用Q235鋼，其他部位鋼材(連接板、固定鋼板、轉動剪切鋼板和外支撐鋼板)采的Q345鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，切線模量為彈性模量的2%。橡膠為天然橡膠，硬度為40度，本構模型為五常數 Mooney-Rivilin 模型，本構模型參數見表1。鉛芯本構模型為理想彈塑性材料，屈服應力為10.5 MPa，彈性模量為16.46 GPa，泊松比為0.42。

表1 橡膠Mooney-Rivlin本構常數Tab.1 Constitutive constants of rubber Mooney-Rivlin 單位：MPa

由于基于杠桿原理的鉛黏彈性阻尼器由多個構件組裝而成，存在大量的相互作用，因此，整個數值模型的關鍵是需要在ABAQUS中準確定義。復合黏彈性層與轉動剪切鋼板是采用工業硫化技術加工而成的，采用Tie約束模擬；固定鋼板、鉛芯與轉動剪切鋼板之間也采用Tie約束模擬；鉛芯與復合黏彈性層中的薄鋼板和橡膠面采用摩擦接觸，法向為硬接觸；阻尼器中兩處軸的位置，采用ABAQUS中的鉸連接器模擬。

第2連接板底部施加固端邊界條件，第1連接板底部耦合于一個約束控制點。采用位移加載法，荷載施加于約束控制點，位移加載曲線如圖4所示。劃分單元后的阻尼器有限元模型如圖5所示。

圖4 加載方式(位移加載)Fig.4 Loading mode(displacement loading)

圖5 阻尼器有限元模型Fig.5 Finite element model of damper

3 阻尼器構造參數影響分析

3.1 鉛芯個數影響

當橡膠剪切模量為0.4 MPa和薄鋼板數量設置為3塊時，鉛芯個數對阻尼器力-位移滯回曲線的影響如圖6所示，圖中LTPVD表示基于杠桿原理的新型阻尼器，LTPVD-1表示阻尼器有1個鉛芯，LTPVD-2表示阻尼器有2個鉛芯，LTPVD-3表示阻尼器中有3個鉛芯，由圖6可知：隨著阻尼器中鉛芯個數增加，滯回曲線變得越來越飽滿，增加鉛芯個數能夠顯著增加滯回曲線的面積。通過計算，當加載點的位移為4 mm時，LTPVD-3的耗能能力比LTPVD-1高23.3%；以上分析表明，鉛芯個數對阻尼器的耗能能力影響顯著。

圖6 鉛芯個數對滯回曲線影響Fig.6 Influence of lead number on hysteretic curves

3.2 橡膠剪切模量

當LTPVD配置3個鉛芯和3塊薄鋼板，橡膠剪切模量分別取0.3，0.4，0.5和0.6 MPa時，阻尼器的滯回曲線如圖7所示，由圖7可知：隨著剪切模量的增加，滯回曲線近似以圓點為中心發生逆時針轉動，但滯回曲線的面積并沒有增加，也就是說明其耗能能力沒有變化，只是增大了阻尼器的剛度。

圖7 橡膠剪切模量對滯回曲線影響Fig.7 Influence of rubber shear modulus on hysteretic curves

3.3 薄鋼板布置

當LTPVD配置3個鉛芯，橡膠剪切模量為0.4 MPa，復合彈性體中薄鋼板數量分別取1，2，3，4塊時，阻尼器滯回曲線如圖8所示，與橡膠剪切模量增加時阻尼器滯回曲線變化規律一致，隨著薄鋼板數量增多，滯回曲線近似以圓點為中心發生逆時針轉動，阻尼器滯回曲線呈現上揚趨勢。選取位移為4 mm時的滯回曲線開展對比，1塊薄鋼板時滯回面積為963.2 kN·mm，2塊時為966.4 kN·mm，3塊時為973.5 kN·mm，四塊時為982.4 kN·mm，當鋼板從1塊增加到4塊時，阻尼器耗能能力增加2%，結果表明薄鋼板數量對阻尼器耗能能力影響有限，同時會增加阻尼器的剛度。

圖8 薄鋼板數量對滯回曲線影響Fig.8 Influence of number of thin steel plates on hysteretic curves

當布置不同薄鋼板數量時，鉛芯屈服應力分布如圖9所示，鉛芯屈服區域位于與復合彈性體接觸位置，隨著薄鋼板數量的增加，屈服應力分布更為均勻，由圖9可知，采用4塊薄鋼板時，鉛芯屈服應力分布明顯比1塊鋼板時更為均勻。因此，綜合考慮加工工業復雜性和性能要求，建議選用3塊薄鋼板。

圖9 鉛芯應力分布Fig.9 Stress distributions of lead cores

4 結 語

筆者針對梁柱節點位移小，影響節點阻尼器耗能效率的問題，提出了基于杠桿原理的新型阻尼器，采用有限元數值模擬技術，明確了影響新型阻尼器性能的主要因素，結論如下：

1)基于杠桿原理的新型阻尼器滯回曲線整體呈現出包絡面積大、曲線飽滿的特點，具有良好的耗能性能；

2)鉛芯個數對阻尼器的耗能性能影響顯著，橡膠剪切模量和薄鋼板數量相同的條件下， 3個鉛芯阻尼器的耗能能力比1個鉛芯阻尼器增加23.3%，鉛芯個數是影響基于杠桿原理的新型阻尼器性能的關鍵構造參數；

3)橡膠剪切模量對新型阻尼器耗能能力的影響幾乎可以忽略，但是，隨著橡膠剪切模量和薄鋼板數量的增加，阻尼器的剛度也會增加；

4)布置1塊薄鋼板時阻尼器滯回面積為963.2 kN·mm，4塊薄鋼板時為982.4 kN·mm，研究表明雖然隨著薄鋼板數量的增加，屈服應力分布更為均勻，但是，薄鋼板數量對阻尼器的耗能能力影響有限。

研究為節點位移小情況下阻尼器耗能效率的研究提供了一種新思路。但由于數值模型中的連接是完美連接，而實際構件的加工存在精度問題，因此，還需要開展進一步的試驗研究，驗證數值模擬結果的正確性，從而確認影響阻尼器性能的關鍵構造參數，為基于杠桿原理的新型阻尼器工程應用提供理論依據和數據參考。