橢圓形鋼鉛耗能器性能及振動臺試驗

顏學淵，祁 皚，陳 宏

(1.福州大學 土木工程學院，福州 350116；2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱150090)

橢圓形鋼鉛耗能器性能及振動臺試驗

顏學淵1,2，祁 皚1，陳 宏1

(1.福州大學 土木工程學院，福州 350116；2.哈爾濱工業大學 土木工程學院，哈爾濱150090)

針對工字型鋼鉛組合耗能器直角區域容易應力集中、過早屈服斷裂退出工作的問題，提出一種由鋼和鉛兩種材料組成的橢圓形鋼鉛耗能器，這種耗能器加工簡便且水平兩個方向都具有良好耗能性能.首先，對橢圓形鋼鉛耗能器中鋼板的平面應力進行分析.其次，對橢圓形鋼鉛耗能器進行力學性能試驗；利用有限元分析軟件ANSYS建立橢圓形鋼鉛耗能器的非線性計算模型進行數值分析并與性能試驗結果進行對比.最后，對一個安裝和不安裝橢圓形鋼鉛耗能器的六層鋼框架結構模型進行振動臺對比試驗.研究結果表明:數值分析結果與性能試驗結果吻合良好，本文建立橢圓形鋼鉛耗能器數值計算模型的方法正確；橢圓形鋼鉛耗能器滯回曲線飽滿，具有良好耗能能力；橢圓形鋼鉛耗能器對多層結構的地震反應具有較好減震效果.

耗能減震結構；橢圓形鋼鉛耗能器；力學性能；有限元模擬；滯回曲線；振動臺試驗

在建筑結構的適當部位安裝耗能減震元件以減小地震或風振作用越來越常見.耗能器可分為位移型和速度型兩種.位移型耗能器設置于結構中，既可以是抗側力構件的組成部分，也可以在大震下屈服耗能，耗散部分輸入上部結構的地震能量，主體結構儲存和耗散的地震能量相應減小從而更安全.近些年，各種用于結構減振的性能優良的位移型耗能器被開發出來[1-6].Chan等[1]開發了一種帶切口的鋼板阻尼器，對其進行了性能試驗，研究了其幾何參數的影響；Vargas等[2]對一安裝有金屬阻尼器和粘滯阻尼器的單自由度體系進行了減震參數研究；Li等[3]對不同開口形狀的鋼板阻尼器進行了縮尺和足尺性能試驗，建立多層結構三維有限元模型，利用該阻尼器進行減震動力反應分析；王鐵英等[4]設計了一種鋼鉛組合耗能器用于具有豎向耗能能力的抗傾覆裝置中，通過試驗及理論分析給出了耗能器的力學性能和恢復力模型；辛亞軍等[5-6]對一種低屈服極限新型鋼鉛組合耗能器進行了性能試驗及減震體系仿真分析，盧德輝等[7-8]對一種中部削弱鋼管鉛芯阻尼器進行了幾何參數影響分析和單層單榀偏心支撐框架的有限元擬靜力位移加載分析.

由于地震動的多維特性，結構可能在任何方向產生變形，因此要求設置在結構中的耗能器也能具有多向耗能能力.顏學淵等[9-11]和程樹良等[12]對一種具有水平雙向耗能能力的工字型新型鋼鉛組合耗能器(CSLD)的力學性能進行了試驗和數值模擬，并對其進行參數優化，將其安裝在單層鋼框架結構模型層間進行地震模擬振動臺試驗，研究了其耗能減震效果.但是，這種鋼鉛組合耗能器也因設計成工字型，外部激勵作用下，在直角區域的不銹鋼和鉛芯容易應力集中，容易過早屈服斷裂退出工作(特別是翼緣部分的不銹鋼)，從而構件性能降低.針對這個問題，本文提出一種加工簡便，水平兩個方向都具有良好耗能性能的橢圓形截面鋼鉛耗能器，該耗能器已申請國家專利[13].本文將對這種耗能器進行平面應力分析；對不同尺寸的耗能器進行力學性能試驗，應用ANSYS軟件對耗能器進行精細化建模分析并與性能試驗結果進行對比；通過振動臺試驗探討其對多層鋼框架結構的振動控制效果.

1 橢圓形鋼鉛耗能器簡介

如圖1所示，橢圓形鋼鉛耗能器包括上底板、下底板、橢圓形不銹鋼管和鉛芯，上底板設有灌鉛孔和排氣孔，不銹鋼管由不銹鋼板卷曲焊接而成，再用氬弧焊焊接在上下底板上.橢圓形鋼鉛耗能器具有較大的水平初始剛度和較低的水平屈服力，但其豎向承載力也較小，可以安裝在有發生相對變形的結構或橋梁等上面，在受到剪力作用時，利用上底板和下底板之間的相對剪切變形耗散能量，達到消能減震的目的.橢圓形鋼鉛耗能器水平兩個方向都具有耗能能力，可根據實際需要設計耗能器的長短軸長度、鋼管壁厚及耗能器高度.

圖1 橢圓形鋼鉛耗能器構造示意

2 耗能器平面應力分析

橢圓形鋼鉛耗能器鉛芯與鋼板的相互作用可按平面應力來考慮，橢圓的長軸長為2a，短軸長為2b，取單位高度的試件進行分析.

根據圖2左圖所取的半截面橢圓形隔離體，由Y軸靜力平衡有：

∑Fy=0 ? 2N2-fy(0)2a=0.

(1)

取圖2右圖所示橢圓形鋼鉛耗能器隔離體，由靜力平衡有：

(a-x)fy(0)+N(x)sinθ-N2=0.

(2)

式中：fy(0)為鉛芯受到的在縱坐標為0時候的豎向壓力，N(x)為薄鋼板受到的在橫坐標為x(縱坐標y)處的環向拉力，N2為不銹鋼管受到的在x=a處的環向拉力，θ為N(x)與水平方向的夾角.

圖2 橢圓形鋼鉛耗能器隔離體

對橢圓方程在(x,y)點處求導可得

(3)

聯立式(1)～(3)及橢圓方程可解得

(4)

假定橢圓長軸半徑a=100，短軸半徑b=50，則可以得到薄鋼板所受到拉應力的分布圖，見圖3.從圖3可看出，橢圓形鋼鉛耗能器中薄鋼板拉應力沿X軸呈拋物線分布，在橢圓薄鋼板短軸處拉應力值最大，在橢圓薄鋼板長軸兩端的拉應力值最小；因此在實際制作耗能器時，橢圓薄鋼板的焊接部位應遠離軸線位置.

圖3 薄鋼板拉應力沿X軸分布

3 橢圓形鋼鉛耗能器力學性能

3.1 力學性能試驗

為了分析橢圓形鋼鉛耗能器的力學性能，加工如表1所示的4個試件.

試驗的加載裝置采用MTS試驗機，為了便于加載，所制作的試件都加工成雙剪切的形式[4]，見圖4(a).橢圓形鋼鉛耗能器是一種位移相關型耗能器，加載的速率對于耗能器性能影響小，因此結合現有的加載裝置，對耗能器采取了加載頻率為0.5 Hz的往復加載試驗.試驗采用位移控制，對試件施加長軸方向的正弦波往復荷載，分4個加載等級進行加載，加載位移±1 mm、±3 mm、±5 mm、±10 mm循環3周，主控計算機自動記錄試驗的數據.

表1 試件尺寸

圖4 耗能器破壞模式

觀察試驗可發現，橢圓形鋼鉛耗能器的破壞大體可分為3個階段：初始加載階段，耗能器外觀基本沒有變化，力與變形關系處于彈性階段；隨著位移進一步增大，加載荷載超過耗能器的屈服荷載，耗能器進入塑性變形階段，可以看到外包薄鋼板出現屈曲(圖4(b))，雖然鋼板和內部鉛屈服，但是試件的承載力還有一定的增長，因為薄鋼板屈曲產生微小平面位移會在薄鋼板上產生薄膜拉應力[14]；對耗能器進行大位移破壞性試驗時，在靠近底板焊接部位的薄鋼管出現剪切破壞(圖4(c))，試件1薄鋼管在加載位移為22.6 mm時出現剪切破壞.

在所制作的4個試件中，試件3薄鋼管焊接成型的位置在軸線處，在對試件3進行破壞性試驗時，薄鋼管未被剪斷的時候就已經在焊接的部位出現開口裂縫(圖4(d))；而試件1的焊接部位遠離橢圓柱短軸線(也不位于長軸線處)，進行破壞試驗時，耗能器的薄鋼管被剪斷時，薄鋼管焊接成型的部位未出現裂縫.這一現象進一步驗證了上一節的平面內應力分析結果，橢圓薄鋼管在加工焊接時，其焊接的部位應該遠離橢圓柱軸線.在實際工程應用橢圓形鋼鉛耗能器進行減震時，制作橢圓薄鋼管應該盡量采用一體化成型，從而避免橢圓薄鋼管因焊接而出現薄弱位置.

4個橢圓形鋼鉛耗能器的力與變形關系曲線見圖5，滯回曲線飽滿，表明橢圓形鋼鉛耗能器具有較強的耗能能力；曲線形狀接近平行四邊形，因此可以將其力學模型簡化為雙線性.此外，還另加工了8個尺寸相同的橢圓形鋼鉛耗能器，其鋼板厚度為1.0 mm，短軸長20 mm，長軸長30 mm，高度為200 mm.取其中的兩個試件分別進行長軸向和短軸向的力學性能試驗，其力與位移關系曲線見圖6，其余6個試件用于后文的振動臺試驗.將圖6中的曲線簡化為雙線性，可得到其長軸向的力學參數：屈服強度Fy為13.6 kN,彈性剛度K1為9.6 kN/mm和屈服后剛度比K2/K1為9.1%；短軸向的力學參數：屈服強度Fy為10.2 kN,彈性剛度K1為5.7 kN/mm和屈服后剛度比K2/K1為10.5%.

圖5 有限元分析與試驗結果對比

3.2 有限元數值模擬

利用有限元分析軟件ANSYS建立橢圓形鋼鉛耗能器的實體模型，外部不銹鋼薄鋼管用殼單元SHELL181模擬；內部鉛芯用三維實體單元SOLID45模擬；鉛與不銹鋼的接觸為面面接觸，不銹鋼管單元面指定為目標面，用目標單元TARGE170模擬，鉛單元面指定為接觸面，用接觸單元CONTA173模擬.選定單元后，定義材料參數，建立模型并進行網格劃分，圖7為橢圓形鋼鉛耗能器的有限元模型.根據不銹鋼與鉛的材料特性，二者的力學模型均采用雙線性隨動強化模型(BKIN).主要材料參數如下：不銹鋼的彈性模量為118.4 GPa，屈服強度為225 MPa，泊松比取0.3；鉛的彈性模量為16.5 GPa，屈服強度為7.5 MPa，泊松比取0.44.在加載分析時，固定耗能器的下底板，而給上底板X向(長軸方向)施加往復位移荷載步，施加的位移與試驗一致，數值分析結果見圖5.從圖5可看出，試驗和ANSYS數值分析的力與位移關系曲線吻合很好，所建立的有限元模型可以較好模擬橢圓形鋼鉛耗能器.

圖6 橢圓形鋼鉛耗能器力與位移關系曲線

4 結構振動臺試驗

在理論分析與性能試驗研究的基礎上，為實際檢驗橢圓形鋼鉛耗能器對多層建筑結構水平雙向地震反應的控制效果，設計制作一個6層鋼框架結構模型，將前述橢圓形鋼鉛耗能器安裝在模型每一層上，形成耗能結構體系.對耗能結構體系進行地震模擬振動臺試驗，并與同一模型的不安裝橢圓形鋼鉛耗能器的結構體系進行試驗對比,見圖8.結構模型平面尺寸為1.6 m×0.8 m，層高0.8 m.模型結構主梁采用80×43×5槽鋼，次梁采用50×37×4.5槽鋼，柱子采用L80×7等肢角鋼，梁柱節點為剛性連接.包括支撐在內的結構模型自重為1.57 t，模型每層加人工配重1.3 t，結構模型的總重量為10.67 t.橢圓形鋼鉛耗能器安裝于層間，長軸向與模型結構長跨方向(Y向)重合.

在結構模型的各層及振動臺臺面均布置了加速度和位移傳感器以量測結構的地震反應.分別對有安裝耗能器(有控結構)和不安裝耗能器(無控結構)的兩個結構模型輸入峰值為220 gal的天津波(NS分量)和上海人工波，分長跨方向和短跨方向輸入.白噪聲掃頻工況獲得無控結構的X向和Y向基本周期為0.403 s和0.471 s，有控結構為0.370 s和0.264 s.

圖7 耗能器有限元模型 圖8 結構模型

布置在臺面的加速度傳感器顯示其數值與預期的220 gal輸入有差別，但相差較小，為反映減震效果，定義橢圓形鋼鉛耗能器對結構模型的地震反應控制效果為

(5)

式中：C為控制效果，Ru為結構無控反應，Rc為結構有控反應，Iu為無控臺面實際輸入，Ic為有控臺面實際輸入.

表2、3所示為在兩條不同地震動作用下，結構各樓層不同方向的層間位移和加速度反應及控制效果.圖9、10分別為部分結構底層層間位移反應時程曲線和頂層加速度反應時程曲線.

從表2、3和圖9、10可看出，模型結構安裝橢圓形鋼鉛耗能器可以較好控制結構的地震反應.大震作用下，耗能器進入屈服，消耗部分地震能量，有控結構各層的位移和加速度反應大部分比無控結構來的小，特別是層間位移控制效果較明顯；但是由于耗能器也附加給結構一定的剛度，在一些樓層及某些時刻，結構的加速度反應仍較大，有時甚至會有略微放大.橢圓形鋼鉛耗能器具有水平雙向的耗能減震功能，對結構不同方向的地震反應都有減震控制效果；對本模型結構而言，Y向(長跨)的減震效果要好于X向，主要是由于阻尼器參數設置不夠優化.不同特性地震動作用下，不同樓層的地震響應減震效果有差異，天津波作用下的減震效果一般要好于上海人工波.陳宏[15]研究表明當屈服比(橢圓形鋼鉛耗能器屈服力與框架結構樓層的屈服力比值)為6.3%的時候，地震動作用下橢圓形鋼鉛耗能器對結構位移和加速度的控制效果都會比較好；而本文X向和Y向的屈服比為10.3%和13.8%，比較大，因此，其對結構地震反應的控制效果略差一些，但可通過耗能結構的優化設計達到更理想的減震效果.

表2 結構層間位移反應及控制效果

表3 結構加速度反應及控制效果

圖9 結構底層層間位移反應時程曲線

圖10 結構頂層加速度反應時程曲線

5 結 論

本文提出一種橢圓形鋼鉛耗能器，對其進行了數值分析和性能試驗；將其安裝于一個6層鋼框架結構模型上，進行了振動臺減震試驗.得到如下結論：

1)橢圓形鋼鉛耗能器的力與變形關系曲線形狀接近平行四邊形，可以將其力學模型簡化為雙線性；其滯回曲線飽滿，表明橢圓形鋼鉛耗能器具有較強的耗能能力.

2)理論分析與性能試驗表明，制作橢圓薄鋼管應該盡量采用一體化成型或者避開軸線位置進行焊接，以避免焊縫率先開裂.

3)性能試驗和ANSYS數值分析的力與位移關系曲線吻合很好，所建立的有限元模型可以較好模擬橢圓形鋼鉛耗能器.

4)振動臺試驗結果表明橢圓形鋼鉛耗能器對多層結構的地震響應有較好控制效果.

[1] CHAN R W K, ALBERMANI F. Experimental study of steel slit damper for passive energy dissipation [J]. Engineering Structures, 2008, 30(4): 1058-1066. DOI: 10.1016/j.engstruct.2007.07.005.

[2] VARGAS R, BRUNEAU M. Effect of supplemental viscous damping on the seismic response of structural systems with metallic dampers [J]. Journal of Structural Engineering, 2007, 133(10): 1434-1444. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(2007)133:10(1434).

[3] LI G, LI H N. Experimental study and application in steel structure of ‘dual functions’ metallic damper [J]. Advanced Steel Construction, 2013, 9(3): 247-258. DOI: 10.18057/ijasc.2013.9.3.6.

[4] 王鐵英, 王艷武, 王煥定, 等. 鋼鉛組合耗能器力學性能試驗研究[J]. 工程力學, 2005, 22(2): 149-154. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4750.2005.02.027. WANG Tieying, WANG Yanwu, WANG Huanding, et al. Experimental study of mechanical properties of steel-lead mixed dampers [J]. Engineering Mechanics, 2005, 22(2): 149-154. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4750.2005.02.027.

[5] 辛亞軍, 王煥定, 程樹良. 新型鋼鉛組合耗能器試驗研究[J]. 工程力學, 2007, 24(3): 126-130. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4750.2007.03.021. XIN Yajun, WANG Huanding, CHENG Shuliang. Experimental study on new combined steel-lead damper [J]. Engineering Mechanics, 2007, 24(3): 126-130. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4750.2007.03.021.

[6] 辛亞軍, 程樹良, 王煥定. 一種鋼鉛組合耗能器的滯回模型和減震效果研究[J]. 工程力學, 2010, 27(10): 74-80. XIN Yajun, CHENG Shuliang, WANG Huanding. Hysteretic model and control effect of a combined steel-lead damper [J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(10): 74-80.

[7] 何志明, 周云, 盧德輝, 等. 可更換鋼管鉛芯阻尼器偏心支撐框架分析[J]. 工程抗震與加固改造, 2016, 38(1): 79-88. DOI: 10.16226/j.issn.1002-8412.2016.01.012. HE Zhiming, ZHOU Yun, LU Dehui, et al. Structure analysis of replaceable shear link eccentrically brace with lead-filled steel tube damper [J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2016, 38(1): 79-88. DOI: 10.16226/j.issn.1002-8412.2016.01.012.

[8] 盧德輝, 周云, 鄧雪松. 鋼管鉛芯阻尼器性能分析研究[J]. 地震工程與工程振動, 2013, 33(6): 215-221. DOI: 10.13197/j.eeev.2013.06.215.ludh.030. LU Dehui, ZHOU Yun, DENG Xuesong. Research on performance of lead-filled steel tube damper [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2013, 33(6): 215-221. DOI: 10.13197/j.eeev.2013.06.215.ludh.030.

[9] YAN X Y, ZHANG Y S, WANG H D, et al. Research on seismic performance and design method of combined steel lead energy dissipation structure (Ⅰ) [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2010, 17(3): 376-382.

[10]顏學淵, 王煥定, 張永山, 等. 鋼鉛組合耗能器參數優選及減震效果[J]. 工程力學, 2009, 26(2): 234-241. YAN Xueyuan, WANG Huanding, ZHANG Yongshan, et al. Parameter optimizing and cushioning effect of combined steel lead damper [J]. Engineering Mechanics, 2009, 26(2): 234-241.

[11]顏學淵, 王煥定, 張永山, 等. 新型鋼鉛組合耗能器性能試驗及參數優選[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2009, 40(12): 20-24. YAN Xueyuan, WANG Huanding, ZHANG Yongshan, et al. Performance test and parameter optimization of new-style combined steel lead damper [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2009, 40(12): 20-24.

[12]程樹良, 劉心潔, 辛亞軍, 等. 工字型鋼鉛組合耗能器減震體系的優化設計研究[J]. 工程力學, 2013, 30(9): 166-170, 176. CHENG Shuliang, LIU Xinjie, XIN Yajun, et al. Study on optimization of structural system with I-section combined steel-lead dampers [J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(9): 166-170, 176.

[13]顏學淵, 祁皚, 陳宏. 橢圓形鋼鉛耗能器: ZL201420277853.5[P]. 2014-10-15. YAN Xueyuan, QI Ai, CHEN Hong. The oval steel-lead damper：ZL201420277853.5[P]. 2014-10-15.

[14]陳紹蕃. 鋼結構設計原理[M]. 北京: 科學出版社, 2005: 151-210. CHEN Shaofan. Principles of steel structure design [M]. Beijing: Science Press, 2005: 151-210.

[15]陳宏. 橢圓形鋼鉛耗能器的試驗研究與理論分析[D]. 福州: 福州大學, 2014. CHEN Hong. Experimental study and theoretical analysis of oval steel-lead damper [D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2014.

Mechanical property and shaking table test of oval steel-lead damper

YAN Xueyuan1,2, QI Ai1, CHEN Hong1

(1.School of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China； 2.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

To deal with the problem of stress concentration and component failure at the right-angle area of I-shaped combined steel lead damper, an oval steel-lead damper (OSLD) composed of steel and lead was presented, which had advantage of simple manufacture process and good energy dissipation capacity in the two horizontal directions. Plane stress analysis of the steel plate of OSLD was performed. The mechanical property tests of OSLD were carried out, and the nonlinear analysis model was established by ANSYS, of which results were compared to the test results. The shaking table tests of a six-storey steel frame structure model with and without OSLDs were performed and compared. Research results show that the numerical simulation results are in agreement with the test results, which indicate that the method of establishing numerical model is correct. The OSLD has full hysteresis curves and good energy dissipation capacity, and the OSLD has well vibration control effect of seismic responses on multi-storey structure.

energy dissipation structure; oval steel-lead damper; mechanical property; finite element analysis; hysteresis curve; shaking table test

(編輯 趙麗瑩)

10.11918/j.issn.0367-6234.201605112

2016-05-27

國家自然科學基金(51578160); 福建省教育廳科技項目(JA15050); 福建省高校杰出青年科研人才計劃(810104)

顏學淵(1982—)，男，副教授，碩士生導師

顏學淵，yxy820910@sina.com

TU352.1

A

0367-6234(2017)06-0136-06