U形金屬阻尼器沿開口方向的力學性能參數分析

趙丹，許育文

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

1 引言

地震作為一種常見的自然現象，對建筑結構的安全有著極大的威脅，其嚴重影響工程結構的安全性，造成大量的人員傷亡和巨大的財產損失，因此，減震成為建筑設計的重要研究課題[1-2]。目前，建筑中減震構件多為金屬阻尼器，其主要作用是對建筑所受的地震荷載以及強風荷載進行消能，從而減少災害對建筑的破壞。其中，U形金屬阻尼器是金屬阻尼器的典型代表，因其具有形式簡單、性能優良、取材方便等優點被廣泛應用在建筑工程結構中[3]。其中金屬阻尼器被國內外學者研究設計[4-9]，尤其是U形金屬阻尼器具有良好的耗能性能，因此，被大量學者進行研究，但多是對扭轉方向的性能進行研究，對沿開口方向的性能研究較少。

本文對U形阻尼器開口方向的性能進行研究，分別研究平直段長度、寬度、厚度以及圓弧段半徑4個參數對沿開口方向受力性能的影響。通過ANSYS軟件對構件進行數值模擬得到U形阻尼器的阻尼性能，對獲得的參數進行參數分析。

2 U形金屬阻尼器的構造

本文采用的阻尼器為軟鋼彎曲制作的U形金屬阻尼器，U形金屬阻尼器主要是由三大部分組成，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開口方向的荷載，此時彎曲段會受壓彎或者受到拉彎，U形金屬阻尼器會由開始的彈性變形慢慢轉為塑性變形進而開始耗能。

如圖1所示，U形金屬阻尼器主要幾何參數有平直段長度L、寬度W、厚度t、半徑r。

圖1 阻尼器構造

3 有限元分析

3.1 模型介紹

為研究單個阻尼器沿開口方向拉壓的力學性能，通過ANSYS軟件建立精確的有限元模型。U形阻尼器選用8節點solid185進行建模，材料的彈性模量為205 000 MPa，泊松比為0.3，屈服強度為306 MPa，極限強度為450 MPa。材料模型選用服從Von-mises屈服準則的多線性等強化模型，首先以長度為40 mm，寬度為100 mm，厚度為10 mm和半徑為40 mm的模型為初始模型,研究其在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

3.2 有限元結果分析

U形金屬阻尼器在循環荷載F作用下得到的滯回曲線如圖4所示。由有限元分析得到的滯回曲線飽滿，呈紡錘形，說明U形金屬阻尼器具有良好的耗能性能。

等效黏滯阻尼系數ξe是判別結構或構件在抗震中的耗能能力的一個重要指標，計算公式為：

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。

圖4 滯回曲線

等效黏滯阻尼系數越大，耗能性能越好。有限元模擬可得其等效黏滯阻尼系數為0.4176，表明其耗能性能良好。

3.3 參數分析

幾何參數對U形金屬阻尼器的力學性能有重要影響。通過ANSYS有限元軟件對U形金屬阻尼器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4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形阻尼器長度的增大，其初始剛度逐漸減小。且在15~55 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6可知，隨著U形阻尼器寬度增大，其初始剛度增大，且在10~40 mm區間其靈敏度較大。

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形阻尼器的厚度增大，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11~63 mm。半徑增大，其初始剛度減小。且在11~23 mm區間較為敏感。

由此可知，U形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。

4 結論

以U形金屬阻尼器為研究對象，通過有限元軟件對其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形阻尼器進行擬靜力循環加載模擬，所得滯回曲線飽滿，呈紡錘形，表明U形金屬阻尼器具有良好的耗能性能。

圖8 半徑和初始剛度關系曲線

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進行參數化分析，平直段長度以及圓弧段半徑的增大會導致其初始剛度的減小；寬度以及厚度的增大會導致其初始剛度增大，且在各區段敏感程度不同，應合理考慮。