剪切金屬軟鋼阻尼器設計與試驗研究

徐瑞祥 張亞軍 李 炯

(1.豐澤智能裝備股份有限公司，河北 衡水 053000； 2.河北省減隔震技術及裝置工程技術研究中心，河北 衡水 053000)

0 引言

地震發生給人類社會帶來了巨大的災難，尤其是近期全球地震活動比較頻繁，在中國先后發生了汶川、玉樹較大級別的地震，小震更是多次發生。在此背景下，中國也提高了地區的抗震級別，這給建筑的抗震、減震設計帶來了挑戰，也帶來機遇。然而，在提高抗震等級的同時，工程設計人員將面臨在建建筑的抗震加固，一般工程設計人員在原有建筑的結構中增加消能減震措施，降低建筑層間位移角，實現建筑的地震設防。建筑消能減震技術有：

1)隔震技術，其代表產品是疊層橡膠支座，優點：明顯降低地震作用，對上部和下部的減震效果均比較明顯。缺點：這類產品需要在原有結構中單獨設置隔震層，在建建筑無法設置隔震層。

2)位移型阻尼器技術，代表產品是屈曲約束支撐，優點：屈曲約束支撐的剛度和屈服力都比較大，應用在框架結構中可以明顯降低結構的層間位移角，小震一般按彈性設計，產品在中大震下進入屈服狀態耗能。缺點：屈曲約束支撐布置方式為斜向布置，給建筑隔墻的砌筑帶來較大困難，住宅結構，影響更加明顯。

3)速度型阻尼器，代表產品是黏滯阻尼器，優點：黏滯阻尼器一般不考慮其對結構的附加剛度影響，對降低結構的地震力有一定的幫助。缺點：黏滯阻尼器一般需要定期維護和檢查，因此建筑方面比較難處理。對于住宅而言黏滯阻尼器的使用年限也有一定的限制。另外，黏滯阻尼器在大震階段的出力和耗能與金屬型阻尼器相比有一定的差距，大震的安全余量較低。

4)金屬阻尼器：代表產品是剪切型金屬阻尼器。優點：剪切型金屬阻尼器的初始剛度較大，耗能效果較好，既可以為上部結構提供一定剛度，又可以給整個結構提供一定的阻尼比。產品的體積小，放置在隔墻中可以不影響建筑功能。缺點：對建筑的隔墻有一定影響，可能會引起墻體的裂縫，需要采取措施控制產品與墻體之間的縫隙。

綜上所述，綜合考慮對在建建筑的加固，金屬剪切型阻尼器對原有結構影響最小。現在國內鋼材技術日益成熟，本次設計了剪切金屬軟鋼阻尼器，主要受力部分采用LY160軟鋼，加工了2組不同截面尺寸，每組3個試件，進行水平滯回試驗，研究其力—位移水平滯回曲線、疲勞性能及耗能性能，為剪切金屬阻尼器的工程應用提供參考。

1 剪切金屬軟鋼阻尼器的構成及各部件功能

剪切金屬軟鋼阻尼器主要由腹板、翼緣板、連接板構成，如圖1所示。腹板為阻尼器主要受剪切力的部件，當阻尼器承受大的水平載荷時，腹板將沿寬度方向發生剪切變形，腹板應力不超過鋼材的屈服應力階段變形為彈性變形，超過屈服應力后將發生塑性變形，兩側翼緣板同時發生彎曲變形，利用鋼材的彎曲實習耗能。為了保證腹板沿其寬度方向有較大的水平變位能力和足夠的穩定性，翼緣板與腹板焊接到一起，用翼緣板的剛度約束腹板的扭轉。

2 試驗

2.1 試驗用試件

表1 A，B組剪切金屬軟鋼阻尼器設計參數

試驗設計了2組不同截面尺寸，每組3個剪切金屬軟鋼阻尼器試件，2組試件編號分別為A1～A3，B1～B3。表1列出了2組試件的具體部件尺寸，L1為腹板寬度；L2為腹板高度；L3為腹板厚度；L4翼緣板寬度；L5為翼緣板厚度；2組試件的上、下連接板厚度均為20 mm。腹板采用LY160鋼材制作，鋼材拉伸曲線見圖2，拉伸數據見表2，鋼材力學性能穩定，三個試樣的伸長率均超過50%，其伸長率明顯大于普碳鋼Q235，說明試驗具有更好的塑性，能夠承受較大的沖擊載荷，試樣力學性能符合JG/J 209—2012建筑消能阻尼器[1]對金屬屈服型阻尼器的要求。

表2 LY160軟鋼拉伸數據

2.2 試驗設備及加載方式

試驗采用的加載設備如圖3所示，為長春機械科學研究院有限公司制造的橡膠支座壓剪試驗機(ZYDL-YJ10000)系統，試驗機水平三個推力油缸，最大水平力2 000 kN，單油缸水平推力700 kN，水平最大速度200 mm/s，試驗機液壓系統采用電液伺服控制，力和位移由相應的動態傳感器采集。

剪切金屬軟鋼阻尼器的試驗包括水平滯回試驗、極限位移幅值循環加載和等位移幅值疲勞加載試驗。進行水平滯回試驗和極限位移幅值循環加載試驗的試件為A1，A2，B1，B2，加載歷程如圖4所示。試件為A3，B3進行±20 mm，30個循環低周疲勞試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗過程與現象

試件A1，A2，B1，B2進行水平滯回性能試驗，位移幅值由0.4 mm逐步增加至22 mm，每個幅值進行3個循環后，試件保持完好，隨即進行極限位移幅值循環加載試驗，試件A1，A2，B1，B2極限位移幅值均達到42 mm后出現試件破壞。其中A1，A2試件連接板與翼緣板連接處發生破壞，B1，B2件破壞發生在腹板加強肋處。試件A3，B3進行低周疲勞試驗，位移幅值20 mm，循環30次，試件未發生破壞，且剛度穩定，符合相關標準規定。由表1數據所知，A型試件寬高比明顯小于B型試件，試驗現象表明阻尼器腹板的寬高比較小時，翼緣板與連接板處彎矩過大，翼緣板與連接板的連接焊縫開裂，引發連接板破壞；阻尼器腹板的寬高比較大時，腹板中間加強肋處焊縫引發腹板剪切開裂破壞；阻尼器破壞處都是在阻尼器加工焊縫處開始，說明阻尼器加工引起的應力集中現象明顯。

3.2 水平滯回加載及等位移幅值疲勞加載

圖5繪制了各個試件水平滯回加載曲線，隨著加載位移幅值的逐步增加，滯回曲線包絡面積越來越大，呈飽滿穩定的梭形，在其設計使用位移20 mm處，A1，A2，B1，B2試件均表現出穩定的力學性能，承載力沒有下降。A3，B3進行了位移幅值20 mm的30次低周疲勞，承載力下降不明顯，滯回曲線光滑，無異常，由此可見2組阻尼器具有穩定的滯回性能及良好的疲勞性能。

3.3 極限位移幅值循環加載

極限位移循環加載曲線如圖6所示，隨著位移幅值的增加，滯回曲線包絡面積也隨之增加，最終以試件發生破壞停止試驗，其中A2試件連接板與翼緣板連接處發生斷裂，導致承載力嚴重下降。

3.4 耗能能力

等效阻尼比是衡量構件吸收耗散外界能量的指標，圖7繪制了試件的等效阻尼比—位移關系曲線。根據圖7所示，在設計位移20 mm下，A型和B型試件最大等效阻尼比可達36.4%～39.5%。在位移2 mm工況下，A型試件等效阻尼比B型試件高56%，A型試件腹板的寬高比0.325，B型試件腹板寬高比0.5，腹板的寬高比對阻尼器的小位移的等效阻尼比影響較明顯。A型和B型試件在中等位移工況下，等效阻尼比均有明顯的臺階，可認為鋼材進入屈服后對等效阻尼比的影響。

4 結語

通過對2組不同截面尺寸的剪切金屬軟鋼阻尼器試件的不同位移幅值下水平滯回試驗研究，分析了剪切金屬軟鋼阻尼器的極限位移幅值下的破壞形式和截面尺寸對水平滯回性能的影響。

1)采用軟鋼制造剪切金屬阻尼器具有良好的水平位移變位及耗能能力，可滿足建筑標準對阻尼器的要求。

2)剪切金屬軟鋼阻尼器的極限位移是設計位移的2倍，提供了安全保障。

3)通過試驗現象分析，剪切金屬軟鋼阻尼器的破壞是發生在阻尼器加工時的焊縫處，所以剪切金屬阻尼器的加工引起的應力集中需加以重視。