新型蜂窩形軟鋼阻尼器的滯回分析及性能設計★

祁 燁，張 宇

(1.湖南城建職業技術學院,湖南 湘潭 411101; 2.廣西大學土木建筑工程學院/廣西大學工程防災與結構安全教育部重點試驗室/廣西防災減災與工程安全重點試驗室,廣西 南寧 530004)

1 概述

目前工程抗震的主流思想之一是消能減震原理[1]，即在結構關鍵部位設置阻尼器，通過阻尼器的剪切、彎曲等不同程度的屈服作用，使結構產生耗散振動能量的往復應變，從而形成一個對大小地震不敏感的新的結構體系。阻尼器從材料角度大致可分為鋼阻尼器、鉛阻尼器、油阻尼器、SMA(智能材料)阻尼器等[2]。其中，用普通Q235鋼制成的阻尼器由于其成本低廉、構造簡單、易于施工、耐久性良好等優點而為人們所接受。

本文依據鋼阻尼器的研究現狀、優缺點，結合框架結構在地震作用下的效應，設計并改進了一種受力結構為正六邊形的鋼阻尼器，以變截面的方式迫使阻尼器的應力集中分布在預定的四個區域，且四個區域同時屈服以形成四邊形幾何可變體系。該阻尼器同時具備初始剛度大、初始屈服位移小、塑性區域分布均勻、塑性變形大、屈服后較穩定的特性和良好的耗能能力，為阻尼器的設計提供了新的思路。

2 結構設計

2.1 幾種常見的軟鋼阻尼器

X形、三角形阻尼器由單個原型片并排組合至所需要的屈服剛度，如圖1所示。該阻尼器采用剪切變形為主的方式迫使鋼板屈服，從而耗散能量，優勢在于等厚度處的鋼板產生的塑性區域較均勻，便于充分利用材料和保證工作時的穩定性，但其初始剛度較小，無法承受結構產生的巨大水平力，在小震情況下便開始屈服。

單圓孔形、雙X形阻尼器(如圖2所示)的設計原理是通過地震作用循環往復改變幾何形狀迫使阻尼器在多點同時屈服。李鋼等[3]研究表明，該阻尼器兼具初始剛度、塑性變形大及受力性能良好等優勢。另外，采用擬靜力往復加載的分析法，驗證了該阻尼器的耗能性能，證明了該研究方法及加載方式的可靠性。本文便是采用擬靜力往復加載的原型及模型進行數值分析。

剪切鋼板阻尼器[4-5](SSPD)如圖3所示，中間腹板為主要耗能構件，為防止面外失穩可在腹板設置加勁肋板[6]，其余部位主要提供約束和輔助耗能作用。這種阻尼器的滯回性能與腹板寬厚比關系密切，若加勁肋板布置不當也會導致該阻尼器性能不穩定。這種在幾何形狀上沒有明顯的過渡區域或者削弱的阻尼器，對腹板所有鋼的型號也有一定要求。

周云等研究了一種圓環阻尼器(見圖4)，這種阻尼器可以根據其獨特的形狀和輕巧的外形布置在X形、K形支撐上。在低周往復加載試驗后表明，該阻尼器具有較強的變形能力，較好的耗能性和穩定性。但是，初始剛度低，承載能力不足成為了該阻尼器的重大缺點。在圓環中加入加勁弧板提高其剛度的同時，防止應力集中現象，王濤等[7]提出了局部削弱的圓環阻尼器，對阻尼器的初始剛度、屈服力和耗能性能均有較大提高。

2.2 新型阻尼器的設計

2.2.1 設計思路

軟鋼阻尼器的設計主要考慮：1)平面形狀的簡潔與合理性，其直接決定了塑性變形后的應力分布區域與均勻程度，合理地開洞將有利于人為控制屈服區域；2)方便制作、安裝與更換[8]，阻尼器作為保護結構的犧牲品，過于煩瑣將會導致成本的累加，不利于工程中的普遍應用。

需要設計一種低屈服點、耐用、耗能性能優異、便于大規模使用的阻尼器。通過分析框架結構在剪力下的破壞模式[9](見圖5)，得出由平面內四個點位構成的單榀框架梁柱結構受到水平力后，由于中間沒有任何支撐，將其能量轉移到了框架梁的彎曲、剪切變形和節點處的屈曲變形。而對框架結構布置阻尼器的方式是在框架中加入支撐和阻尼器的組合，提高框架的初始剛度和抗震性能。

因此，受到梁柱結構抗水平力較差等特點的啟發，將阻尼器布置為四個屈服區域，由這四個區域整體構成一個矩形形狀，使其承擔彎曲、剪切變形且同時屈服，另一方面還可提高阻尼器的有效屈服區域，從而提高耗能性。

在正六邊形鋼中心開圓形洞口形成四個主要屈服區域，如圖6所示。圓弧形狀本身便是一個均勻變化的過渡區域，有利于應力的均勻分布，可提高耗能性能和穩定性。另外，該阻尼器形狀簡潔明了，具有普遍應用的潛力。

2.2.2 設計原型

該阻尼器的原型設計主要考慮洞口大小、鋼板厚度、若干個原型的組合(不同的約束情況)等方面，見圖7。

2.2.3 阻尼器適用場景

布置形式根據阻尼器的屈服機理進行分類，剪切屈服阻尼器[10]主要產生平面內剪切變形并屈服，如剪切連接型、墻型、中間柱型等[11](見圖8)。由于阻尼器與框架結構不等高，剪切連接型、中間柱型結構隨著框架的剪切變形會產生Y向應力。

2.3 結構設計創新點

1)正六邊形與圓形的巧妙組合既形成了四個屈服區域，而且內部逐漸過渡，有利于應力的均勻分布和耗能穩定性的提高。

2)阻尼器原型整體結構簡潔，易于加工、安裝，具有工程普遍應用的潛力。

3)該阻尼器的設計結合金屬阻尼器局部開洞、局部削弱的原則，且打破了以開洞形態、尺寸優化等的研究范疇。

3 有限元分析

采用有限元軟件ABAQUS對該阻尼器進行分析。加載梁設為剛體，阻尼器與加載梁接觸設置為捆綁，與大地接觸設置為固定端，往復位移荷載加于梁端參考點上。材料屬性考慮幾何非線性，并簡化材料應力-應變曲線，如圖9所示。

其中，鋼材的彈性模量為2.1×105N/mm2，屈服強度為345 MPa，極限承載強度為450 MPa。大量震后研究分析，得出變形能力不足導致構件內部應力集中或出現塑性鉸是建筑結構抗震性能較差的主要原因。因此，本文采用基于位移的滯回消能目標設計手段，以預期位移反應為基本設計要求，以阻尼器屈服區域的應力應變反應為數據分析指標，同時基于位移的方法也是性能設計的推廣。位移加載幅值及頻率如圖9所示。

阻尼器原型以開洞大小和鋼板厚度分為三組，如表1所示。其中，“x”為正六邊形邊長，“b”為圓形洞口直徑，“f”為阻尼器鋼板厚度。

表1 阻尼器原型尺寸表 mm

3.1 不同形狀阻尼器原型的結果分析

3.1.1 第1組鋼阻尼器

阻尼器原型第1組如圖10所示，對其施加擬靜力往復荷載進行滯回分析。結果表明，在初始剛度較大的情況下，阻尼器原型塑性變形較大、塑性區域呈現出均勻分布的趨勢，圓形洞口隨著位移的增加變為橢圓形狀，整體形成以四個塑性鉸為主的幾何可變體系。該原型滯回曲線飽滿且無明顯捏縮現象，在往復位移為±50 mm的大變形下表現出較好的阻尼性質，符合預期設計目標。

3.1.2 第2組鋼阻尼器

阻尼器原型第2組如圖11所示。結果表明，其塑性變形較大但塑性屈服區域分布不均勻，且隨著位移的增加并未出現四個明顯的屈服區。滯回曲線仍比較飽滿，原因是結構整體彎曲，表現形式為加載梁的相對轉角。隨著洞口減小，阻尼器呈現出不穩定性，需增加限制轉角的約束或采用較大的洞口等方式分配剛度，從而減輕阻尼器對加載梁的負荷，有效地將應力集中在屈服區域。

3.1.3 第3組鋼阻尼器

阻尼器原型第3組如圖12所示。數值結果表明，在第1組基礎上增加鋼板厚度將提高阻尼器初始剛度，塑性區域較第1組更加集中、均勻。滯回曲線基本無捏縮現象，在大變形下表現出較好的阻尼性質。因此，提高鋼板厚度且將洞口保持在一定尺寸有利于阻尼器初始剛度和工作穩定性。

3.2 不同原型組合阻尼器的結果分析

3.2.1 組合1(限制加載梁相對轉動)

加載時加載梁會產生Y向相對位移和XY平面內相對轉動。組合1將限制加載梁XY平面內相對轉動，具體做法是將兩片相同的原型在X方向上并排組合，以加載梁作為連接媒介和約束支座。阻尼器組合1加載情況如圖13所示。結果表明，在初始剛度較大的情況下，阻尼器塑性變形較大且塑性屈服區域呈現出較均勻分布的變化趨勢，原型2組合有少許應力傳遞至加載梁。該組合滯回曲線飽滿且無明顯的捏縮現象，在往復位移為±50 mm 的大變形屈服下表現出較好的阻尼性質，所以原型3阻尼器具有較好的耗能性能。

3.2.2 組合2(限制加載梁相對轉動和Y向位移)

阻尼器組合2限制加載梁XY平面內相對轉動和Y向相對位移，具體做法是將兩片相同的原型在Y方向上并排組合，以加載圈梁和單根加載梁作為連接媒介和約束支座，連接方式如圖14所示。

結果表明，初始剛度相對屈服后剛度小，部分應力傳遞至加載梁處，滯回曲線出現明顯捏縮現象，在大變形下應力隨位移增大而增大，原因是該原型組合方式限制了加載梁的Y向相對位移，隨著水平往復位移的增加，對鋼阻尼器產生了Y方向的拉伸應力，此應力一方面阻礙其變形的發展，另一方面阻礙屈服區域的均勻發展，且隨著水平位移增加的同時阻尼應力也在增長，不具備鋼阻尼器的黏滯阻尼性質，布置阻尼器時也應盡量避免對阻尼器產生同類型的約束狀態。

3.2.3 組合3(限制加載梁相對轉動和施加預應力)

阻尼器組合3限制加載梁XY平面內相對轉動，在組合1基礎上施加Y向預應力(分為三組，預應力分別為0.002 MPa,1 MPa,2 MPa)，具體做法是參照組合1下較大洞口的組合方式，同時在加載梁施加Y向預應力(在整個加載過程中)。阻尼器組合3如圖15～圖17所示。結果表明：1)施加0.002 MPa阻尼器應力應變與組合1數值基本一致，表明較小的預應力對阻尼器滯回性能沒有太大影響；2)施加1 MPa阻尼器應力應變與組合1相比，應力分布仍均勻且滯回曲線更加飽滿，整體形狀沒有彎曲變形且初始剛度大，幾乎沒有捏縮現象，表明適當預應力對阻尼器滯回性能有一定加強作用；3)施加2 MPa阻尼器應力應變與組合1數值相比，應力分布仍然均勻且滯回曲線更加飽滿，初始屈服后更加容易進入滯回周期，對阻尼器工作的穩定性及提高初始剛度有利，曲線無捏縮現象且每個周期應力峰值呈線性，表明施加一定預應力對阻尼器滯回性能有一定加強。

4 試驗討論

新型蜂窩型軟鋼阻尼器及3種不同組合，在常規、受位移限制、受初始應力等影響條件下均具備良好的滯回模態：第3組阻尼器原型較前兩種初始剛度更高且滯回面廣(塑性耗能性能強)，因其在前兩組基礎上優選開孔徑距、增大橫向延伸長度，因而提高了阻尼器本身的面外屈曲失穩；對于組合1型增大橫向延伸長度反而降低了耗能，這可能與限制阻尼器頂端轉角位移有關；組合2主要針對工程中此類約束方式提供借鑒，盡量降低同時限制轉交與平移的頻率，或可于中間端板處配置縱向形變的彈簧鉸以釋放約束；組合3更加貼近于實際工況，因建筑框架的形變導致阻尼器縱向的壓縮與拉伸效應，通過觀察滯回曲線可以看出，新型蜂窩型阻尼器的適當組合仍具有較高的抗震效果，小震作用下為框架結構提供較高的初始剛度，大震作用下大幅進入屈服階段，平面內的受力形式可增強阻尼器的穩定性與可靠度。以上，說明按屈服位置設計的阻尼器具有優異的耗能減震效果。

5 結語

1)蜂窩形軟鋼阻尼器采用正六邊形與圓形洞口的組合結構簡潔、易加工、體積小巧容易滿足關鍵構件作用于整體結構的要求。2)該阻尼器具有初始剛度大、初始屈服位移小、滯回曲線飽滿、耗能能力強、塑性區分布均勻、塑性變形穩定等諸多優異的特性。3)對阻尼器施加不同的約束條件對其滯回性能有較大影響。阻尼器原型與加載梁的組合方式有利于阻尼器穩定性。預應力的施加宜考慮阻尼器的布置形式，剪切連接型、中間柱型結構隨著框架的剪切變形會產生Y向應力，宜加以利用。