波浪形彈塑性鋼阻尼器性能試驗研究

摘 要：通過對不同尺寸及結構形態的波浪形彈塑性鋼阻尼器滯回試驗研究，重點考察了彈塑性鋼阻尼器水平力-位移的滯回耗能特性。試驗表明，波浪形彈塑性鋼阻尼器滯回曲線飽滿，整體呈“梭形”狀，具有良好的雙線性特征及滯回穩定性；結構平滑、受力均勻，表現出優異的低周疲勞性能，可很好地應用于橋梁、建筑等減隔震工程。

關鍵詞：波浪形；鋼阻尼；滯回性能；低周疲勞

中圖分類號：TU352.1 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2022）10-0047-03

0 引言

鋼阻尼器是結構被動控制中耗能減震裝置的一種。在地震或風振中，通過鋼材料發生塑性屈服滯回變形而耗散輸入結構中的能量，達到減震的目的。各國學者不斷地對鋼阻尼器進行理論和試驗研究，并提出各種構造的鋼阻尼器。在結構中使用獨立金屬滯回阻尼器耗散地震能量開始于Kelly等所做的概念性和實驗性的工作，其中包括扭轉梁、彎曲梁、“U”型鋼等形式。目前，鋼阻尼器的構造主要有“X”型、三角形、鐘型、啞鈴型、組合鋼板型、中空菱形矩形板、“H”型、雙環軟鋼、加筋圓環型等[1～3]。

1 波浪形鋼阻尼器結構特點

彎曲型鋼阻尼器的滯回特性穩定、變形能力強等優點，在眾多工程中得到應用，廣泛應用于橋梁工程中有“E”型、“C”型、短鋼臂及非線性阻尼輻等[4]。

本文依據彎曲型弧線梁，采用兩跨三區間曲線梁結構，提出了波浪形鋼阻尼器結構（如圖1）。其具有結構緊湊、安裝簡單、結構尺寸小等特點，這對安裝空間寶貴的橋梁支座尤其重要。應用中，波浪形鋼阻尼器安裝在具有相當運動關系的兩個物體之間，其中間孔用銷軸固定在物體上，外側兩個孔固定在另一物體上。在兩物體相對運動的過程中，中間鉸點兩側曲梁受彎矩作用，產生彈塑性變形吸收地震能。

2 波浪形鋼阻尼器滯回性能試驗研究

2.1 試驗方案

為全面反應波浪形鋼阻尼器滯回特性，本文對不同尺寸、形態的波浪形鋼阻尼器進行了試驗研究。表1分別給出了不同結構尺寸的鋼阻尼主要尺寸。

試驗加載采用MTS Landmark電液伺服加載系統，采用多級循環加載，每級循環10次，位移加載速率為2 mm/s，利用Testar Ⅱs數字控制軟件實現預定的要求完成實驗過程。試驗1#、2#、3#分5級加載，試驗4#分6級加載。位移載荷為±4.5 mm、±7.5 mm、±15 mm、±30 mm、±50 mm、±65 mm。如圖2所示。

2.2 試驗結果分析

圖3中給出了各組鋼阻尼器滯回性能曲線，各組阻尼器滯回曲線飽滿，整體呈“梭形”狀，具有良好的雙線性特征及滯回穩定性。各組鋼阻尼器滯回曲線具有相似性。表2給出各組阻尼器滯回性能參數對比表?？梢钥闯觯孩賹τ谠嚇?#、2#及4#，三種試樣初始剛度及屈后剛度近似相同，其等效屈服強度及初始剛度隨縮放比增大而線性增加。同等結構形態的鋼阻尼器，隨著尺寸的放大，阻尼器的水平力-位移滯回曲線相似，其變形能力增強；② 3#試樣相對2#試樣，阻尼器的水平力-位移滯回曲線更加飽滿，初始剛度、屈后剛度具有一定程度的提高，其屈后剛度比略有增加。即通過降低鋼阻尼器寬度與長度的比值，有效提高了阻尼器剛度且等效阻尼比有所提高，這對我們在抗震設計中有效地控制抗震位移是有利的；各組鋼阻尼器屈后剛度比值約為5%，其等效阻尼比均在35%以上，具有很強的能量耗散能力。

3 波浪形鋼阻尼器疲勞性能測試

選擇1#試樣作為實驗對象，采用伺服位移控制模式對試樣實施加載，±50 mm循環加載直至破壞（阻尼元件開裂長度大于開裂處斷面尺寸的1/5，或開裂寬度大于3 mm），位移加載速率為2 mm/s。在循環加載過程中，滯回曲線具有良好的重復性（如圖4），即波浪形鋼阻尼器具有良好的滯回穩定性；隨著循環周次的增加，載荷峰值先緩慢提高后逐漸降低。循環周次n∈[1，11]時，阻尼器結構表現為微弱的強化特性，峰值載荷由44.6 kN增加到46.72 kN，循環周次n∈[12，46]時，載荷峰值不斷降低，在第46周次出現疲勞破壞，其阻尼力峰值由46.72 kN降低到43.57 kN，降低了6.7%。疲勞裂紋首先出現在主弧線段內側，并出現6～8道宏觀裂紋，說明應力在弧線段分布較均勻，隨著循環周次的增加，裂紋不斷延伸并在主弧線段中部形成宏觀斷裂面。

4 結語

通過對不同尺寸及結構形態的波浪形彈塑性鋼阻尼器滯回試驗研究，重點考察了彈塑性鋼阻尼器水平力-位移的滯回耗能特性。結論有如下幾點。

第一，波浪形彈塑性鋼阻尼器具有結構緊湊、安裝簡單、結構尺寸小等特點，其滯回曲線飽滿，整體呈“梭形”狀，具有良好的雙線性特征及滯回穩定性，屈后剛度比值約為5%，等效阻尼比均在35%以上，可很好地應用于橋梁、建筑等減隔震工程。

第二，相同結構形態，不同尺寸的波浪形鋼阻尼器，其初始剛度及屈后剛度近似相同，其尺寸越大變形能力越強；

第三，波浪形彈塑性鋼阻尼器、受力均勻，表現出優異的低周疲勞性能。

參考文獻

[1] 李鋼.新型金屬阻尼器減震結構的試驗及理論研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[2] 莊軍生.橋梁減震、隔震支座和裝置[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[3] 朱文星，王玉山，周力強.阻尼器布置偏心距對阻尼器耗能的影響研究[J].應用力學學報，2021，38（5）：2117-2125.

[4] 周云.金屬耗能減震結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社， 2006．