金屬圓管阻尼器抗震性能分析與數(shù)值模擬

摘""要：提出一種由金屬圓管結(jié)合H型鋼組成的阻尼器，建立了阻尼器的有限元模型，在循環(huán)荷載作用下采用非線性靜力分析方法進(jìn)行分析。通過有限元方法進(jìn)行了參數(shù)研究，包括研究金屬圓管的厚度、長度和直徑對金屬圓管阻尼器抗震性能的影響。結(jié)果表明：隨著圓管徑厚比的增加，阻尼器的剛度、屈服承載力和耗能能力會增大；圓管長度的增加，阻尼器的剛度和承載力有所提升，對耗能能力沒有影響。

關(guān)鍵詞：圓管阻尼器"""滯回性能"""數(shù)值模擬"""力學(xué)性能

中圖分類號：TH13

Analysis"and"Numerical"Simulation"of"Seismic"Performance"of"Metal"Round"Tube"Damper

HUA"Xinyi1""YANG"Xiuying1""MENGeng"Fantao2

1.School"of"Architecture"and"Civil"Engineering，"Liaocheng"University，"Liaocheng，"Shandong"Province，"252000"China；2.Shandong"Huake"Planning"Architectural"Design"Co.，"Ltd.，"Liaocheng，"Shandong"Province，"252000"China

Abstract："A"damper"composed"of"metal"round"tube"combined"with"H-beam"was"proposed，"and"a"finite"element"model"ofnbsp;the"damper"was"established，"which"was"analyzed"by"nonlinear"static"analysis"method"under"cyclic"load."The"finite"element"method"was"used"to"study"the"parameters，"including"the"influence"of"the"thickness，"length"and"diameter"of"the"metal"round"tube"on"the"seismic"performance"of"the"metal"round"tube"damper."The"results"show"that"with"the"increase"of"the"diameter-thickness"ratio"of"the"round"tube，"the"stiffness，"yield"bearing"capacity"and"energy"dissipation"capacity"of"the"damper"will"increase."The"increase"in"the"length"of"the"round"tube"increases"the"stiffness"and"bearing"capacity"of"the"damper，"which"has"no"effect"on"the"energy"dissipation"capacity.

Key"Words："Round"tube"damper;"Hysteretic"behaviorhysteresis"performance;"Nnumerical"simulation;"Mmechanical"properties

金屬阻尼器屬于一種被動消能減震裝置，具有能夠直接利用自身變形耗能等優(yōu)點(diǎn)[1]。Azandariani等人[2]對圓環(huán)阻尼器的抗震性能進(jìn)行了參數(shù)化分析，采用鋼環(huán)作為阻尼器既能夠控制位移和延性，又能夠顯著地耗能。本文在研究過程中，發(fā)現(xiàn)這種阻尼器的適用范圍并不廣泛，該阻尼器隨著圓環(huán)直徑的增大，其承載能力會受到限制，如果同時(shí)增大圓環(huán)厚度，會導(dǎo)致該阻尼器的板單元在受力過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞，極大影響該阻尼器的性能。

• "金屬圓管阻尼器的設(shè)計(jì)構(gòu)造

1.1""設(shè)計(jì)構(gòu)造和有限元模型

圓環(huán)阻尼器的性能主要是由圓管的幾何尺寸決定的，通過增減圓的直徑、厚度和長度即可改變圓環(huán)阻尼器的變形能力。然而，圓環(huán)阻尼器容易失穩(wěn)破壞并容易受到圓環(huán)的直徑、厚度和長度的限制。本研究在圓環(huán)阻尼器的基礎(chǔ)上，提出了圓管加H型鋼的組合。將圓環(huán)換成圓管是為了可以提高阻尼器的初始剛度，用H型鋼代替鋼板是為了可以提高阻尼器的整體穩(wěn)定性，在實(shí)際工程中比用鋼板更加具有實(shí)用性和安全性。

金屬圓管阻尼器主要由兩部分焊接而成，分別是金屬圓管和H型鋼，金屬圓管由Q235鋼制成，低屈服點(diǎn)鋼由于屈服強(qiáng)度較低，性能穩(wěn)定，屈服后具有良好的滯回性[3]。H型鋼選用Q355鋼。阻尼器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有圓管的外徑D、厚度t、長度L。

模型分為圓管和H型鋼兩個(gè)部位，都采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。圓管和H型鋼的連接假定為剛接[4]，接觸面之間采用綁定（tie）約束。一側(cè)H型鋼完全固定，另一側(cè)耦合點(diǎn)處加載至6.25mm、8.33mm、16.67mm、25mm、33.33mm和50mm的振幅，每個(gè)振幅循環(huán)3次。

• "參數(shù)分析
  • "參數(shù)分析設(shè)計(jì)與結(jié)果

在參數(shù)分析中，選用了不同外徑和厚度的圓管搭配H型鋼，來分析對金屬圓管阻尼器力學(xué)性能、耗能能力的影響。本文考慮了共7個(gè)模型，模型代號為ST-D-t-L，其中D為圓管外徑、t為圓管厚度、L為圓管長度。

模型參數(shù)及結(jié)果如表1所示，表1給出了有限元模型的循環(huán)分析結(jié)果。包括了剛度K0、屈服位移?y、等效阻尼比ξeq、屈服力Py。

• ""參數(shù)影響

2.2.1""剛度

耗能部件的尺寸對金屬圓管阻尼器的力學(xué)性能有著很大的影響。根據(jù)對不同的圓管外徑、厚度以及長度的模擬，可以表明圓管的徑厚對阻尼器性能的影響最大。

由表1可知，當(dāng)其他尺寸不變，僅改變圓管厚度時(shí)，中性軸會向圓心移動，截面慣性矩也會增大，剛度也會隨之增大。當(dāng)僅改變圓管的外徑時(shí)，隨著外徑的增大，剛度會隨著減小。由表1可知，當(dāng)僅改變圓管長度時(shí)，隨著圓管長度的增加，剛度也隨之增加，對阻尼器的剛度性能影響并沒有圓管外徑和厚度的影響大。

2.2.1""屈服承載力

同樣由表1可知，由模型ST-500-20-250、ST-500-30-250、ST-500-40-250為例，屈服承載力隨著厚度的增加而增大，圓管厚度對屈服承載力的影響較大。當(dāng)僅改變圓管的外徑時(shí)，隨著外徑的增大，屈服承載力會隨著減小。當(dāng)僅改變圓管長度時(shí)，隨著圓管長度的增加，屈服承載力隨之增大，由模型ST-500-30-250和模型ST-500-20-300相比，提高21.59%。

2.2.2""耗能能力

等效阻尼比是阻尼器的一個(gè)重要非線性特征，它能表現(xiàn)出阻尼器的耗能能力[5]。如表1所示，等效阻尼比取決于阻尼器的塑性變形能力，金屬圓管阻尼器的等效阻尼比在41%～49%之間波動，表明金屬圓管阻尼器在控制圓管外徑和厚度的情況下，可以具備良好的耗能能力。

2.2.3""拉壓不對稱

所有有限元模型都具有良好的循環(huán)性能，滯回曲線穩(wěn)定，基本成對稱的梭形，沒有出現(xiàn)明顯的承載力的降低和剛度的退化，滯回曲線無捏攏現(xiàn)象。通過公式計(jì)算，可以得到各模型的拉壓非對稱系數(shù)[6]。從表1中可以看出，除了直徑為500mm、厚度為20mm圓管的拉壓非對稱系數(shù)超過規(guī)定的1.3，其他模型都不大于1.3，均滿足規(guī)范要求。

• "結(jié)論

本文提出的金屬圓管阻尼器，并通過有限元模擬的方法針對阻尼器的力學(xué)性能和耗能能力開展了數(shù)值研究。主要研究成果和結(jié)論如下。

（1）金屬圓管阻尼器的性能主要由耗能構(gòu)件的幾何尺寸決定，圓管的直徑和厚度對阻尼器的變形能力有很大的影響。通過增減圓管長度同樣可以控制阻尼器的力學(xué)性能和耗能能力。但圓管長度并不是影響力學(xué)性能的主要因素，對阻尼器的耗能能力的影響也較小。

（2）金屬圓管阻尼器的性能主要由圓管的厚度和直徑控制。當(dāng)其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變時(shí)，圓管直徑的增加對阻尼器的耗能能力和力學(xué)性能具有負(fù)影響作用；圓管厚度的增加對阻尼器的耗能能力和力學(xué)性能具有正影響作用。

（3）金屬圓管阻尼器的拉壓特性不對稱，但通過改變圓管直徑和厚度可以滿足規(guī)范要求。在同一參數(shù)條件下，圓管的直徑和厚度的增大都可以減小拉壓不對稱性。

參"考"文"獻(xiàn)

1. 邱燦星，錢慧娟，王苑佐.具有T形截面的U形鋼板阻尼器滯回性能理論分析與數(shù)值模擬[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2024，26（1）：30-40.
2. Azandariani"M"G，Abdolmaleki"H，Azandariani"A"G.Numerical"and"analytical"investigation"of"cyclic"behavior"of"steel"ring"dampers"（SRDs）[J].Thin-Walled"Structures，2020，151：106751.
3. 石文龍，陶正華，張福壽.低屈服點(diǎn)鋼研究進(jìn)展與力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析[J].地震工程與工程振動，2021，41（1）：175-183.
4. 靳杰.彎剪復(fù)合分級屈服阻尼器的力學(xué)與減震性能分析[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2022.
5. 王斌，張燁，史慶軒，等.自復(fù)位阻尼器及其連接下的開縫RC剪力墻抗震性能研究[J/OL].工程力學(xué)：1-13[2024-09-19].http：//cnki.699wx.cn/kcms/detail/11.2595.O3.20240801.1003.002.html.
6. 中國建筑技術(shù)研究院.高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ"99?2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.