間隙對橫向鋼阻尼裝置性能的影響

張銀喜，郝紅肖，曹志峰

(中國中車株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

間隙對橫向鋼阻尼裝置性能的影響

張銀喜，郝紅肖，曹志峰

(中國中車株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

為研究生產裝配以及施工過程中橫向鋼阻尼裝置設計間隙大小對阻尼性能的影響，利用非線性有限元分析軟件Abaqus對橫向鋼阻尼裝置不同間隙值下豎、橫向的阻尼性能進行了模擬計算。計算結果表明:在計算間隙范圍內，橫向鋼阻尼裝置的橫向阻尼性能受豎向和橫向間隙變化影響較小，等效阻尼比約減小6.5%;豎向阻尼性能受豎向間隙影響較橫向阻尼性能更為顯著，約減小12.1%，在裝配和安裝的過程中要重點控制豎向間隙值。

鋼阻尼器;間隙;阻尼性能;數值模擬

目前，鋼阻尼裝置已作為一類重要部件廣泛應用于建筑與橋梁減隔震領域，如目前應用較多的E型鋼阻尼器［1］、C型鋼阻尼器［2］、ε型鋼阻尼器［3］等。現有阻尼器大多數采用了整體裝配的方式形成穩定、可靠的連接，裝置間只存在由于機械加工的需要而產生的必要間隙。橫向鋼阻尼裝置［4］根據橋梁變形的特點——日常使用時，溫度變化等引起的縱向位移，在縱橋向設計了可以滑動并具有導向作用的導軌，導軌與橫向鋼阻尼元件間通過間隙配合的方式保證在正常使用時不對梁體產生附加力。當地震來臨時，橫向鋼阻尼裝置可以為梁體提供附加阻尼力，耗散地震能量，維持橋梁體系的安全。由于上述間隙的存在，在生產裝配以及現場安裝過程中，實際間隙大小均會與設計值產生一定的誤差，有必要對間隙變化對阻尼性能的影響進行研究?？紤]到采用實際裝置試驗探究間隙對裝置阻尼性能影響成本較高，且部分因素在試驗過程中不易嚴格控制，本文借助非線性有限元數值分析技術，對某型橫向鋼阻尼裝置的阻尼性能進行了數值模擬分析。

1 計算模型與工況

本文設計了1套橫向鋼阻尼裝置如圖1所示，含有橫向鋼阻尼元件1件。對于鋼阻尼裝置而言，其阻尼性能主要由鋼阻尼元件決定，為簡化計算，本文忽略了耳板及下底板的變形，橫向鋼阻尼元件下端所用銷軸以剛體代替。在本裝置中，主要的間隙有豎向間隙和橫向間隙，相應的設計值分別為5 mm及2 mm。

根據文獻［5］試驗結果可知，在正常使用條件下，鋼阻尼裝置阻尼性能對速度變化不敏感。為進一步簡化計算，本文利用靜態分析方法(Static)對上述裝置進行了模擬。計算過程中固定橫向鋼阻尼元件下端的剛體銷軸，位移邊界條件加載在上底板上。其中水平向(橫向)和豎向最大位移分別為48 mm及20 mm，幅值曲線如圖2所示。

圖1 計算模型及間隙位置示意

圖2 有限元分析加載幅值曲線

本文計算了下列3種工況下的橫向鋼阻尼裝置的阻尼性能:

工況1——橫向間隙對裝置橫向阻尼性能的影響;

工況2——豎向間隙對裝置橫向阻尼性能的影響;

工況3——豎向間隙對裝置豎向阻尼性能的影響。

2 數值模擬結果分析

本文利用非線性有限元分析軟件Abaqus，在不同間隙數值條件下，計算得到模型的應變云圖，如圖3和圖4所示，不同的變形方向下，裝置中的主要變形部位不同。該裝置的不同方向的典型滯回曲線如圖5所示，可見對于不同變形方向，其耗能特性存在明顯差別，在豎向位移作用下，由于裝置中存在較大的豎向間隙，滯回曲線呈雙旗形［6］，整體耗能效率明顯低于橫向變形。

圖3 豎向位移變形后的應變云圖

圖4 水平位移變形后的應變云圖

鋼阻尼裝置的重要作用是為橋梁體系提供額外的阻尼來耗散輸入能量，其耗能效率可以用等效阻尼比ξ來進行評判。

等效阻尼比ξ按下式進行計算［7］

式中:ED為相應滯回曲線所包絡的面積，可由Origin軟件通過求取滯回曲線面積的方式獲得［8］;F0為最大位移u0時對應的力，可在滯回曲線中直接獲得。

圖5 裝置耗能滯回曲線

不同間隙條件下的等效阻尼比如表1所示。

表1 不同間隙條件下的等效阻尼比

由表1可知:當間隙由3 mm增加到7 mm時，工況1下，裝置等效阻尼比逐漸減小，ξ約減少6.5%;工況2下，豎向間隙的增大幾乎對橫向變形等效阻尼比不產生影響;工況3下，由于直接增大了裝置的豎向間隙，變形過程中裝置的空行程增大，等效阻尼比減小較為明顯，由0.212 90減小到0.187 04，約減小12.1%。上述等效阻尼比的變化滿足文獻［9］所定義的允許變化范圍。

表1各工況下的等效阻尼比數據表明:該裝置的橫向變形等效阻尼比滿足相關標準［9］規定的0.20～0.35，數值變化幅度較小，裝配和安裝過程中的微小誤差不會對裝置的阻尼性能產生顯著影響。當豎向間隙＞5 mm時，豎向變形等效阻尼比小于上述標準所規定的0.20，裝配和安裝過程中要特別注意對豎向間隙進行控制。

3 結論

本文利用有限元仿真分析軟件Abaqus就間隙對橫向鋼阻尼裝置阻尼性能的影響進行了研究。結果表明:在生產裝配和實際安裝過程中，即使裝置中的橫向間隙或豎向間隙出現小幅度的誤差也不會顯著影響裝置整體橫向耗能能力;但豎向間隙對豎向阻尼性能影響較大，需要對此進行嚴格控制，且該裝置豎向阻尼性能不如橫向顯著。

［1］潘晉，吳成亮，仝強．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．

［2］吳成亮，仝強．兩種弧形鋼阻尼器設計與性能研究［J］．地震工程與工程振動，2009，29(5):158-163．

［3］劉軍，律偉，張小鋒，等．ε形鋼阻尼器設計仿真分析及試驗研究［J］．鐵道建筑，2015(2):21-24．

［4］陳彥北，李鵬，郝紅肖，等．防落梁裝置:CN102444085A［P］．2012-05-09．

［5］張銀喜，陳彥北，郝紅肖．雙弧形鋼阻尼器試驗研究［J］．山西建筑，2015，41(30):159-160．

［6］張紀剛，盧愛貞，歐進萍．PFD-SMA支撐體系滯回性能［J］．北京工業大學學報，2011(11):1713-1719．

［7］ANIL K C．結構動力學［M］．謝禮立，呂大剛，譯．北京:高等教育出版社，2010．

［8］方安平，葉衛平．Origin8.0實用指南［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［9］中華人民共和國交通運輸部．JT/T 843—2012公路橋梁彈塑性鋼減震支座技術條件［S］．北京:人民交通出版社，2013．

Influence of Clearance on Performance of Transverse Steel Damper Device

ZHANG Yinxi，HAO Hongxiao，CAO Zhifeng
(Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China)

T he objective of this research is to study the influence of the design clearance on the performance of transverse steel damper device(T SDD)during production，assembly and construction．T he damper performance of T SDD was simulative calculated with non-linear finite element software Abaqus，with consideration of different clearances．T he results show that the longitudinal and transverse clearances changes have little effect on transverse damping performance，and the equivalent damping ratio decreases about 6.5%，while the clearance is within the calculated clearance．T he longitudinal damping performance is more significantly affected by the longitudinal clearance than the transverse damping performance and the decrease of the former is about 12.1%．T hus，the longitudinal clearance shall be controlled during assembly and installation．

Steel damper device;Clearance;Damping performance;Numerical simulation

U443．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．09

1003-1995(2016)12-0030-03

(責任審編孟慶伶)

2016-08-19;

2016-09-28

張銀喜(1985—)，男，工程師，碩士。