U型金屬阻尼器力學性能研究及參數分析

趙 丹，許育文

（1.杭蕭鋼構有限公司海南分公司，海南 儋州 578101；2.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013）

隨著工程技術的發展，現代建筑工程對于抗震以及抗風的性能需求增加，提高建筑物的抗震性能減少地震帶來的損失是現在建筑工程的重點。提高建筑物的抗震性能可以通過直接提高結構的抗震能力來實現或者通過增加減震耗能構件來實現。其中，金屬阻尼器因性能穩定、制作方便等優點是目前廣泛應用的減震耗能構件之一。

鄧開來等研究分析了U型金屬阻尼器在面外橫向荷載作用下發生扭轉變形時的力學性能。種迅等收集了17個U型金屬阻尼器的試驗數據，對不同類型鋼材的U型金屬阻尼器的面內受力性能進行了分析和比較。Y.Jiao和Diana Ene針對隔震結構中的USD在雙向荷載作用的力學性能進行研究，明確其在雙向荷載作用下其耗能性能均有退化。

金屬阻尼器耗能時的變形特點不同可劃分為三類，分別為：軸向屈服型、剪切屈服型、彎曲屈服型。文章提到的U型金屬阻尼器為彎曲型的受力模式。通過ANSYS軟件建立多種尺寸模型，對平直段長度、寬度、厚度以及半徑四個參數進行研究，分析其參數對U型金屬阻尼器縱向力學性能的影響。

1 U型阻尼器構造

文章采用的為軟鋼彎曲制作的U型金屬阻尼器，U型金屬阻尼器主要是由三大部分組成，如圖1分別為上平直段、彎曲段、下平直段。通過固定一側平直段在另一側平直段上施加沿平直段長度方向的荷載，從而阻尼器受力變形。當U型金屬阻尼器由彈性狀態進入屈服狀態時，阻尼器開始發揮其耗能作用。在地震時，U型阻尼器必須先于梁柱等主體結構進入塑性階段吸收能量，從而保護主體結構不受破壞。

圖1 U型金屬阻尼器結構

U型金屬阻尼器的主要幾何參數平直段長度L、寬度w、厚度t以及圓弧段半徑r。在設計時為符合實際工程的需求，需要通過調整U型阻尼器的各個幾何參數來對比阻尼器的剛度及其耗能性能。因此，文章將對其主要幾何參數進行參數分析。

2 有限元分析

2.1 模型介紹

為研究單個阻尼器沿平直段長度方向受力的力學性能，采用ANSYS軟件對阻尼器建立精確的有限元模型。U型阻尼器選用彈塑性8節點Soild實體單元，材料的彈性模量為205 000 MPa，屈服強度為306 MPa，極限強度為450 MPa泊松比為0.3。材料模型選用服從Voin-mises屈服準則的多線性等強化模型首先以長度為30 mm，寬度90 mm，厚度為10 mm和半徑為40 mm的模型為初始模型，分析阻尼器在擬靜力循環荷載作用下的力學性能。圖2為其有限元模型圖。擬靜力循環加載采用位移控制，加載制度如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 加載制度

2.2 有限元結果分析

圖4為U型金屬阻尼器在循環荷載作用下得到的滯回曲線。由圖可知，有限元數值模擬得到的滯回曲線飽滿，呈紡錘形，結果表明U型金屬阻尼器具有良好的耗能性能。

圖4 滯回曲線

式中，EDS為滯回阻尼耗能，等于最大位移處曲線包圍的面積，ES為最大位移處割線剛度圍成的面積。且，等效粘滯阻尼系數越大，耗能性能越好。有限元模擬可得其等效粘滯阻尼系數為0.486 4，表明其耗能性能良好。

2.3 參數分析

幾何參數對U型金屬阻尼器的力學性能有重要影響。對此為對阻尼器的力學性能做進一步的分析，通過ANSYS有限元軟件對U型金屬阻尼器的主要幾何參數進行敏感性分析。對不同平直段長度、寬度、厚度以及圓弧段半徑這四個參數下的初始剛度進行對比分析。

圖5為平直段長度和初始剛度的關系曲線。平直段長度參數范圍為15～200 mm。其他參數與原模型保持一致。由圖可知，隨著U型阻尼器長度增大，其初始剛度逐漸增大。且在15～35 mm區間較為敏感。

圖5 平直段長度和初始剛度關系曲線

圖6為寬度與初始剛度的關系曲線，除寬度外其他參數均與原模型保持一致。寬度參數范圍為10～200 mm。由圖可知，隨著U型阻尼器寬度增大，其初始剛度增大，敏感度在全區間基本一致。

圖6 寬度和初始剛度關系曲線

圖7為厚度與初始剛度的關系曲線，除厚度外其他參數均與原模型保持一致。其厚度范圍為4～30 mm。隨著U型阻尼器的厚度增大，其初始剛度不斷增大，且厚度數值越大越敏感。

圖7 厚度和初始剛度關系曲線

圖8為半徑與初始剛度的關系曲線，除半徑外其他參數均與原模型保持一致。其半徑范圍為10～62 mm。半徑增大，其初始剛度減小。且在10～22 mm區間較為敏感。

圖8 半徑和初始剛度關系曲線

由此可知，U型阻尼器參數對其初始剛度影響較大，在設計應用中應合理考慮。

3 結論

以U型金屬阻尼器為研究對象，對其沿平直段受力進行滯回性能分析以及參數化分析。其結論如下：

（1）通過對U型阻尼器進行擬靜力循環加載模擬，結果所得滯回曲線飽滿，呈紡錘形，表明U型金屬阻尼器具有良好的耗能性能。

（2）通過對U形金屬阻尼器的平直段長度、寬度、厚度以及圓弧段半徑這些主要幾何參數進行參數化分析，圓弧段半徑的增大會導致其初始剛度的減小；平直段長度、寬度以及厚度的增大會導致其初始剛度的增大。且在各區段敏感程度不同，在實際工程應用中應合理考慮。