軟鋼阻尼器的研究綜述

馮廣志 張如玉 卓于清 李國東

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

地震作為眾多自然災害中的一種，由于其具有突然性和嚴重破壞性的特點，給人類帶來巨大的災難。中國的地震活動主要分布在臺灣省、西南地區、西部地區、華北地區及東南沿海地區。1976年中國唐山發生7.8級地震，2008年四川汶川發生“5·12”8級地震，2013年四川雅安發生7.0級地震。地震造成的直接災害就是房屋和構筑物的破壞，從而間接造成人畜的傷亡，在唐山地震中，70%～80%的建筑物破壞倒塌，造成嚴重的人員傷亡，因此越來越多的學者和專家投入到耗能減震技術在建筑結構中的研究。

1 耗能減震原理

普通結構的抗震性能是通過提高結構本身的強度、剛度、延性等性能來實現抵抗地震作用的功能，即由建筑結構本身來承擔地震傳來的能力，屬于消極被動的抗震方式[1]。由于地震到來的不確定性，人們常常不能確定地震的強度和特性，所以根據傳統抗震方法設計的結構可能無法滿足結構的安全要求，造成結構嚴重損壞甚至倒塌，從而造成重大經濟損失和大量人員傷亡。

結構耗能減震技術[2]是在建筑結構的節點、支撐、剪力墻、聯結縫和相鄰建筑物等部位設置阻尼器，通過結構相對變形帶動阻尼器產生摩擦、彎曲、剪切等彈塑性滯回變形來耗散地震傳入結構中的能量，減少主體結構地震反應，把破壞部位轉移到阻尼器上，從而避免主體結構產生破壞，達到減震控震的目的。

2 阻尼器的類型

目前應用于實際工程和研究的阻尼器種類很多，從阻尼器與速度和位移的相關性來劃分，可以分為速度相關型阻尼器、位移相關型阻尼器、復合型阻尼器；從受力狀態上可以分為彎曲型、剪切型、彎剪型和扭轉型阻尼器；從耗能機理來劃分可以分為摩擦阻尼器、彈塑性阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器和電磁感應式阻尼器；從制作阻尼器所需材料可以分為金屬阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器和新型材料阻尼器。

金屬的彈塑性變形是消耗地震作用最簡單、有效的方法之一，金屬阻尼器根據制作材料，可以分為鋼阻尼器、鉛阻尼器和記憶合金阻尼器，鋼阻尼器又包括軟鋼阻尼器和低屈服點鋼阻尼器。由于軟鋼在進入塑性后表現出優秀的延性和滯回特性，有較好的變形跟蹤能力，環境條件對其力學性能也沒有明顯的影響，因此被用來制作不同類型的軟鋼阻尼器應用于實際工程中。目前已知的軟鋼阻尼器主要包括加勁阻尼器、圓環阻尼器、剪切鋼板阻尼器、無粘結支撐、蜂窩狀阻尼器、Luara型阻尼器等類型。

3 典型的軟鋼阻尼器

3.1 加勁阻尼器

加勁阻尼器由相互平行的不同形狀的鋼板(X形、三角形、開孔板)通過固定裝置組成，如圖1所示，安裝在人字形支撐的頂部連接框架梁。在地震作用下，相對變形引起支撐產生剪切運動，帶動加勁阻尼器中的鋼板產生彎曲變形，通過鋼板的彈塑性滯回變形消散傳入結構的能量，達到耗能減震的目的。

Whittaker等[3]于1989年設計并研制出X形加勁阻尼器，并進行相關試驗研究。試驗結果表明X形加勁阻尼器具有較強的耗能能力和穩定的滯回性能，但存在不能消除豎向軸力影響的問題。1993年Tsai等[4]在Whittaker等人的基礎上進行了改進，設計并制作出三角形加勁阻尼器，進行低周反復荷載試驗。結果表明三角形加勁阻尼器消除了X形加勁阻尼器存在的豎向軸力對阻尼器影響的問題，是一種理想的阻尼器形式。近年來，陳清祥對Whittaker等人提出的加勁阻尼器的基礎上，設計并制作開孔式制震板阻尼器(HADAS)[5]，在矩形鋼板上開菱形孔，試驗結果表明在地震作用下鋼板的每個截面同時屈服，達到材料用量和耗能能力的良好優化設計。

1995年歐進萍等[6]對摩擦型和軟鋼屈服型(X鋼板和三角鋼板)阻尼器進行了大量試驗研究，包括靜力反復加載和低周疲勞試驗，詳細的對比了這些阻尼器的減震效果，建立了此類阻尼的恢復力模型和參數計算方法。隨后吳斌等[7]在此實驗的基礎上分析其耗能機理，并且進行了大量的疲勞驗算，得出相應的疲勞參數，建立了軟鋼阻尼器的彈塑性應力分析方法及疲勞設計準則。1997年吳斌等[8]發現薄膜效應是鋼板屈服阻尼中一個不可忽略的因素，結合之前的研究成果，提出薄膜應力的計算方法，建立疲勞驗算準則。2004年李冀龍、歐進萍[9,10]基于軟鋼的R-O本構關系和雙線性本構關系,分別推導并建立了三角形和X形鋼板阻尼器的阻尼力模型，將得到的阻尼力模型與試驗數據對比，驗證了阻尼力模型的正確性，在誤差允許范圍內可應用于實際工程。2015王桂萱等[11]分別采用理想彈塑性模型、雙線性隨動強化模型和混合模型分析菱形開孔阻尼器的滯回性能，采用ANASYS限元軟件模擬出滯回曲線，通過對比不同模型的滯回曲線，得出混合模型是比較準確的模型。

3.2 圓環阻尼器

最初的圓環阻尼器是由鋼棒卷成圓環后采用X形支撐放在支撐的中間，在地震作用下，結構變形導致支撐產生往復作用力使圓環產生塑性滯回變形而耗能。

1983年Tyler RG[12]設計并進行了圓環阻尼器(如圖2所示)性能試驗，對裝有圓環阻尼器的鋼框架頂部施加低周反復荷載試驗，結果表明圓環阻尼器具有良好的滯回性能。

1995年周云等[13]利用低碳鋼板卷成圓環制作了圓環阻尼器，如圖3所示，并對其進行了試驗研究。試驗結果表明：圓形阻尼器具有良好的滯回新功能，具有較強的耗能及變形能力，但卻存在初始剛度和承載能力低的不足問題。為了克服其缺點，在圓環阻尼器的基礎上又提出了“利用兩個或多個耗能元件協同工作”的設計思想[14]制作了：雙環軟鋼阻尼器、局部加強雙環軟鋼阻尼器、加蓋雙環軟鋼阻尼器。循環加載試驗表明：雙環阻尼器具有較高的承載能力，同時具有較好的延性，是一種有廣闊應用前景的阻尼器。

1999年，孫峰等[15]提出了多重耗能減震機制的思想，在圓環阻尼器的基礎上加勁肋，設計處加勁圓環阻尼器。試驗研究表明：加勁圓環阻尼器除了良好的工作性能外，還具有多重耗能減震防線的特性。

2012年，王濤等[16]提出局部削弱型圓環阻尼器，采用ABAQUS軟件對不同尺寸的阻尼器進行分析。有限元分析結果表明：局部削弱型阻尼器較不削弱型在節省材料的基礎上具有更好的耗能能力，并給出了合理的削弱范圍(20%～30%)。

3.3 剪切鋼板阻尼器

剪切鋼板阻尼器是由Seki等人利用軟鋼板的剪切變形耗能原理而研制的一種阻尼器[17]。主要是由上下連接板和中間剪切耗能鋼板通過焊接或螺栓連接組成，如圖4所示。其耗能原理：在水平荷載作用下，由于結構層間產生大的變形，帶動鋼板發生剪切變形，產生塑性屈服來消耗傳入的能量，從而達到耗能減震目的。

Yasumasa等人對剪切鋼板阻尼器進行了低周反復加載試驗[18]，剪切鋼板阻尼器的材料采用屈服強度為219 MPa日本標準鋼，在循環荷載作用下，該阻尼器的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力。

1997年日本學者田中清等[19]針對腹板寬厚比剪切鋼板阻尼器的影響，進行了往復水平荷載剪切試驗，發現隨著腹板寬厚比的增大，平面外失穩現象越明顯，最終給出了最佳腹板寬厚比范圍，保證了阻尼器的滯回能力。

2008年陳之毅等[20]利用ABAQUS軟件，對軟鋼剪切阻尼器進行低周反復加載有限元分析，研究阻尼器的尺寸等對耗能能力的影響，給出了設計參數的取值范圍(柔細比應在0.2～0.5之間)。

2011年杜德月等[21]通過對剪切鋼板阻尼器構造和滯回曲線描述，介紹了其工作原理。引入工程算例，利用有限元軟件模擬安裝剪切阻尼器前后結構的頂點位移和層間位移角等參數的對比情況，證明安裝剪切鋼板阻尼器能夠有效的起到耗能減震的作用，可應用于實際工程。

2012年張超鋒等[22]為研究不同的腹板形狀對集中應力現象的影響,對腹板進行中部變薄、條形壓槽、開多孔等削弱方式，通過實驗發現不同的腹板形狀對應力集中現象有明顯的影響。

2016年東南大學黃鎮等[23]為防止剪切鋼板阻尼器發生平面外屈曲現象，提出了肋板防屈曲、夾板防屈曲等改進方案。采用von Mises屈服準則建立力學模型，推導出阻尼器設計參數的計算公式。采用ABAQUS有限元軟件建立阻尼器的有限元模型，模擬低周反復加載作用下的變形情況，并進行試驗加載。通過對理論計算、模擬和試驗結果進行比較，證明對剪切鋼板阻尼器的防屈曲改進效果明顯，具有較強實際使用意義。

4 結語

軟鋼阻尼器具有可靠、穩定的工作性能，通過耗能有效的減少主體結構的地震反應；軟鋼阻尼器可用于各種結構形式的建筑，既可用于新建建筑，又可用于現有建筑的抗震加固，并且對遭受地震損傷的結構進行修復；即適用于混凝土結構，也可用于鋼結構，目前已經有學者將其應用于重型木結構中。軟鋼阻尼器具有許多優良性能，受到國內外學者和建筑工程界專家的廣泛關注，已應用于大量實際工程中。