雙弧形鋼阻尼器試驗研究

張銀喜 陳彥北 郝紅肖

(中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

雙弧形鋼阻尼器試驗研究

張銀喜 陳彥北 郝紅肖

(中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

利用壓剪試驗機對所設計的一種雙弧形鋼阻尼器樣品進行了多種工況下的耗能性能試驗，通過試驗所獲得的力—位移滯回曲線可知，該阻尼器通過自身的彈塑性變形能夠耗散外界輸入的部分能量，具備一定的橫向耗能能力且性能較為穩定，從而使被保護結構處于安全的環境中。

壓剪試驗機，雙弧形鋼阻尼器，彈塑性變形，橋梁安全

1 概述

自1972年Kelly等人[1]首先研制出一種金屬阻尼器以來，國內外研究者經過幾十年的研究，已經設計出多種不同形狀的金屬阻尼器[2-8]。近年來，在實際橋梁工程中，我國工程技術人員成功開發并使用了E型、C型和非線性輻阻尼器[9-11]等形式的鋼阻尼器，取得了非常好的社會和經濟效益。

本文利用低合金高強度鋼設計了一種雙弧形橋梁防落梁鋼阻尼器，為了研究該型阻尼器對橋梁橫向位移的影響，本文通過試驗實測的方式對該裝置的水平耗能性能進行了研究。

2 試驗裝置與測試原理

本文雙弧形鋼阻尼器樣品試驗在株洲時代新材料科技股份有限公司ZYDL-YJ10000壓剪試驗機上完成(見圖1)，該試驗機具備豎向和水平雙向加載功能。

在雙弧形鋼阻尼器的試驗過程中，上加載頭(1)根據整套試驗裝置的實際高度進行鎖定，液壓加載系統(8)通過水平推力桿(7)以伸縮的方式推拉下滑動板(5)使雙弧形V形架下端產生水平位移以模擬裝置在地震等強烈作用下產生的水平位移，其中下滑動板(5)通過滾輪(6)在下機架上滾動。

3 試驗結果與分析

根據文獻[12]可知，金屬材料在低周疲勞變形時，其應力應變曲線形成的滯回環只有在經歷一定的循環圈數后才會達到穩定，這一點也反映于相關行業標準[13]中，該標準對彈塑性鋼耗能元件的試驗規定了多級遞進加載的方式，所以對于雙弧形防落梁裝置這種同樣是利用材料的彈塑性變形來耗散外界輸入能量的阻尼裝置，也需要對其進行標準位移加載之前對裝置進行位移量小于標準位移的多級遞進加載試驗。

作為對雙弧形鋼阻尼器構型的初步探討，同時考慮到試驗機的具體性能，本文設計了一種標準最大位移為40 mm的小位移試驗樣品。按照多級加載的要求，在進行位移幅值為40 mm的標準位移試驗前分別進行了幅值為10 mm和20 mm的預加載。試驗中水平位移采用三角波形式施加，下滑板運動速度均為1 mm/s，每級10個循環，標準位移變形加載時位移變化曲線如圖2所示。

多級遞進加載獲得的滯回曲線如圖3所示，可以看出，各級加載所獲得的滯回曲線均保持了較好的重合性，表明在各位移下裝置的性能是穩定的；隨著裝置水平位移的不斷增大，滯回曲線逐漸飽滿起來，產生這種現象的原因是因為在位移較小時，裝置中的材料只在較小的區域發生了塑性變形，于是所能消耗的能量有限，形成滯回曲線呈狹長狀；隨著位移的增大，防落梁V形架的弧形下支發生塑性變形的區域得到發展[13]，材料在變形過程中所產生的塑性功能增多，對輸入能量的耗散能力增強。

考慮到在使用過程中該型阻尼器受到強烈地震等因素可能造成的實際位移大于設計位移的情況，依據標準[14]的要求進行了1.2倍標準位移的超載試驗。在此次試驗中，不需要采用多級遞進加載的方式，而是直接將幅值為48 mm，速度1 mm/s的位移三角波加在下滑板上，總循環次數仍然為10次。由圖4的滯回曲線可以看出，在此條件下，裝置仍然保有了較好的穩定性和耗能效率。

為了研究在極端惡劣環境下裝置性能的穩定性，我們對另兩組裝置進行了20次標準位移的疲勞試驗，在此過程中，加載速度也由原來的1 mm/s增加到8 mm/s，位移加載曲線如圖5a)所示。圖5b)給出了試驗所獲得的滯回曲線，可見，在此速度下裝置仍保持了較好的穩定性，但是各周期變形間的離散程度較低速時大，這主要源于在加載的過程中僅通過螺栓的固定造成裝置的上下底板組件間發生了相對滑動，其中編號為12號的阻尼器在試驗前，在安裝螺栓后位于下滑動板上可用的T型槽中插入了T型定位銷以增強對裝置的固定作用，而在進行8號試驗前，進行了加固，結果8號試件數據中的離散較之12號減小。這也與在試驗過程所觀察到的在相對高速加載下，下滑動板運動到背離液壓加載系統的一側時會發生一定幅度的翹起有關，且此時下滑臺的移動速度為8 mm/s，而此試驗機最大加載速度為10 mm/s，試驗機液壓加載系統的工作穩定性也受到了影響。

由于一般鋼材的力學性能均具有較強的應變率相關性，為探究以上兩種加載速度下裝置耗能性能的差異，圖6給出了40 mm幅值下不同加載速度時裝置的滯回曲線，由圖可知，該裝置的滯回曲線不會隨著加載速度的變化產生顯著的變化，表明在上述兩種加載速度之間裝置耗能能力與加載速度無關，材料的應變率相關性對裝置整體耗能的影響不明顯。

4 結語

通過對一種設計最大位移為40 mm的雙弧形鋼阻尼器進行試驗測試，獲得了裝置在不同工況下的滯回曲線，由獲取的曲線可知：

1)該型裝置具備一定的水平耗能作用，能對地震等作用下橋梁的落梁風險起到減小作用；

2)該裝置的耗能性能比較穩定，在安裝該裝置后能對所要達到的目標進行定量控制。

[1] Kelly J M,Skinner R I,Heine AJ.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures[J].Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering,1972,5(3):63-88.

[2] Skinney R I,Kelly J M,Heine A J.Hysteresis Dampers for Earthquake Resistant Structures[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1975(3):287-296.

[3] Whittaker A S,Bertero V V,Thompson C L,et al.Seismic Testing of Steel Plate Energy Dissipation Devices[J].Earthquake Spectra,1991,7(4):563-604.

[4] Tsai K C,Hong C P.Steel Triangular Plate Energy Absorber for Earthquake Resistant Buildings[C].Proceedings of 1st World Congress on Constructional Steel Design.Mexico，1992.

[5] Tsai KC,Chen H W,Hong C P,et al.Design of Steel Triangular Plate Energy Absorbers for Seismic-Resistant Construction[J].Earthquake Spectra,1993,9(3):505-528.

[6] 高健章，葉瑞孝.含金屬消能片斜撐之研究[J].中國土木水利學刊，1995，7(1)：48.

[7] 歐進萍，吳 斌.組合鋼板耗能器——一種新型耗能減震裝置[J].地震工程與工程振動，1997(3):32-39.

[8] 邢書濤,郭 迅.一種新型軟鋼阻尼器力學性能和減震效果的研究[J].地震工程與工程振動，2003(12):179-186.

[9] 李世珩.E型鋼阻尼器及其在橋梁工程中的應用[J].鐵道建筑，2012(1)：1-4.

[10] 潘 晉.E型鋼阻尼器數值仿真及試驗研究[J].振動與沖擊，2009，28(7)：192-195.

[11] 劉 軍.彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應用[J].鐵道建筑，2012(2)：22-24.

[12] 孫茂才.金屬力學性能[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.

[13] 張銀喜.防落梁裝置設計計算書[Z].株洲時代新材料科技股份有限公司，2011.

[14] JT/T 843—2012,公路橋梁彈塑性鋼減震支座技術條件[S].

Experimental study on double arc shape steel damper

Zhang Yinxi Chen Yanbei Hao Hongxiao

(ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.,LtdCSR，Zhuzhou412007，China)

In this paper， one kind steel dampers with double arc shape is studied under several displacement amplitude and two deformation rate by compression and shear testing machine. The force-displacement hysteretic curves obtained from experiment show that this damper can dissipate the energy steady in the horizontal direction by elastic-plastic deformation of steel, and keep the protected structure in safe environment.

compression and shear testing machine, double arc shape steel damper, elastic-plastic deformation, safety of bridge

1009-6825(2015)30-0159-02

2015-08-19

張銀喜(1985- )，男，碩士，工程師； 陳彥北(1980- )，男，博士，高級工程師； 郝紅肖(1981- )，女，碩士，工程師

TU352.1

A