一種面外彎曲阻尼器抗震性能分析

鄭澤煒，許立英，陸劍峰，吳應(yīng)雄，蘇文庭，蘇文旭

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108；2.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 四川 綿陽(yáng) 621010；3.福建泉大建設(shè)有限公司， 福建 廈門 360009；4.福建惠東南建設(shè)工程有限公司， 福建 廈門 361000)

金屬材料耗能阻尼器廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)中。考慮金屬材料的剪切和彎曲產(chǎn)生的塑性變形將這類阻尼器分為剪切耗能阻尼器和彎曲耗能阻尼器[1-3]。剪切耗能阻尼器最初的形狀為矩形剪切板，其具有明顯的塑性強(qiáng)化效應(yīng)[4]。在剪切板上開矩形縫，形成矩形條帶，可使阻尼器較早進(jìn)入耗能狀態(tài)[5]，合理長(zhǎng)細(xì)比的矩形條帶可避免阻尼器發(fā)生屈曲[6]。將矩形條帶的形狀優(yōu)化為變截面的啞鈴條帶、錐形條帶及沙漏條帶，阻尼器的應(yīng)變更加均勻，耗能性能和疲勞性能更好，尤其是拋物線形的沙漏條帶[7-10]。彎曲阻尼器的形狀包含三角形、X形、菱形、菱形孔形等[11-13]，都具有應(yīng)變均勻的特性。為了使金屬材料耗能阻尼器在兩個(gè)方向上的耗能性能相近，Basu等[14]設(shè)計(jì)出實(shí)體沙漏形阻尼器。

剪切和彎曲耗能阻尼器在結(jié)構(gòu)中的布置形式主要是墻式和人字支撐式。呂若石等[15]對(duì)裝有剪切耗能阻尼器的六層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析，結(jié)果表明剪切耗能阻尼器可有效提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，但墻式安裝阻尼器會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)梁產(chǎn)生不利影響，可見墻式與人字支撐式布置形式存在一定的缺陷。Iolanda等[16]提出變厚度剪切耗能阻尼器，在阻尼器的一端開長(zhǎng)槽孔，以便與螺栓之間形成間隙，防止阻尼器剪力傳遞給結(jié)構(gòu)梁。目前剪切和彎曲耗能阻尼器布置形式的輔助支撐易產(chǎn)生無(wú)效位移，輔助支撐傳遞給耗能元件的有效位移較少，進(jìn)而降低了阻尼器的耗能性能；阻尼器易對(duì)梁產(chǎn)生較大附加彎矩，對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力存在不利影響；輔助支撐相對(duì)耗能元件材料消耗量大，降低了材料利用率。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文改進(jìn)了彎曲耗能阻尼器布置形式，基于菱形孔鋼板，提出一種支撐式面外彎曲阻尼器(ADAS)。ADAS是一種將菱形孔鋼板嵌入到斜撐內(nèi)部形成的支撐型阻尼器，形狀和布置方式如圖1所示。為了研究提出的這種ADAS抗震性能，首先設(shè)計(jì)制作了試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)模型進(jìn)行了變幅和等幅加載的擬靜力試驗(yàn)，然后分析其破壞模式，并通過(guò)滯回曲線和應(yīng)變數(shù)據(jù)等分析抗震性能，為ADAS減震體系研究及應(yīng)用研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)[17]可得，菱形孔鋼板極限剪力Fp為：

圖1 菱形孔面外彎曲阻尼器(支撐型)

(1)

為了避免菱形孔鋼板頸部剪切破壞，截面應(yīng)力應(yīng)滿足[18]：

τmax≤fvy

(2)

式中：τmax為菱形孔鋼板受彎時(shí)頸部截面的峰值應(yīng)力；fvy為鋼材的抗剪強(qiáng)度，兩個(gè)頸部截面面積A=2B1t，B1為頸部寬度，得：

(3)

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2)得菱形孔鋼板頸部寬度B1應(yīng)滿足：

(5)

故取頸部寬度B1=10 mm，為了緩解頸部處截面應(yīng)力突變，頸部采用圓形倒角。菱形孔鋼板寬度邊的頸部寬度接近焊腳高度9 mm，為了便于焊接，取此處的頸部高度比焊腳高度多2 mm，即11 mm。菱形孔鋼板示意圖見圖2。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧庑慰卒摪宀捎肣235B制作。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图虞d裝置

將圖2菱形孔鋼板嵌入到斜撐內(nèi)部，設(shè)計(jì)的ADAS試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示，其中菱形孔鋼板焊縫探傷檢測(cè)結(jié)果符合規(guī)范的II級(jí)焊縫要求。試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d采用MTS244.31型250 kN作動(dòng)器，加載裝置見圖4。作動(dòng)器豎向上下往復(fù)加載，通過(guò)核心板使菱形孔鋼板產(chǎn)生面外往返變形，進(jìn)而模擬阻尼器在地震時(shí)的往復(fù)作用。

圖2 菱形孔鋼板示意圖(單位：mm)

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖4 加載裝置

1.2 加載制度和數(shù)據(jù)采集

(1) 加載制度。加載制度包括變幅加載和等幅加載。變幅加載見圖5，等幅加載為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谖灰品禐?8 mm下往復(fù)加載，直至菱形孔鋼板斷裂破壞，加載速率采用0.5 mm/s。

(2) 數(shù)據(jù)采集。阻尼器的恢復(fù)力和位移利用MTS加載系統(tǒng)直接讀取。阻尼器頂板對(duì)角布置2個(gè)YHD-200型位移計(jì)用于校核MTS讀取的位移。菱形孔鋼板應(yīng)變利用DH3816采集系統(tǒng)及其靜態(tài)應(yīng)變采集箱記錄。在阻尼器試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥钌厦鎯蓧K菱形孔鋼板上下表面單邊各粘貼6個(gè)單軸應(yīng)變片，應(yīng)變片編號(hào)及布置見圖6。

圖5 變幅加載制度

圖6 應(yīng)變片編號(hào)及布置(單位:mm)

2 試驗(yàn)破壞模式

2.1 變幅加載

ADAS試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌灰品迪碌淖冃我妶D7。

ADAS位移加載主要經(jīng)歷：①應(yīng)變片端子脫落(18 mm第一圈)→②菱形孔鋼板底面漆脫落(18 mm第三圈)→③菱形孔鋼板焊腳可視漆裂紋(24 mm第一圈)→④菱形孔鋼板焊腳可視鋼板裂縫(36 mm第三圈)。

大部分端子連續(xù)脫落或不脫落，菱形孔鋼板底面漆脫落較均勻，表明菱形孔鋼板面外彎曲變形均勻。ADAS位移幅值為24 mm第一圈時(shí)，菱形孔鋼板焊腳出現(xiàn)3處漆裂紋，長(zhǎng)約10 mm，寬約0.5 mm，如圖8(a)所示。ADAS位移幅值為36 mm第三圈時(shí)，焊腳出現(xiàn)5處鋼板裂縫，長(zhǎng)約5 mm～20 mm，寬約0.3 mm，深約0.3 mm，如圖8(b)所示。ADAS在充分彎曲變形耗能前不會(huì)提前失效，耗能穩(wěn)定性好。菱形孔鋼板變形不會(huì)集中于頸部或焊腳，焊腳處出現(xiàn)較少的裂縫，彎曲變形均勻。因此，ADAS具有更好的耗能性能。

圖7 ADAS在不同位移幅值下的變形

圖8 ADAS菱形孔鋼板裂紋

2.2 等幅加載

隨著加載圈數(shù)的增加，ADAS菱形孔鋼板焊腳附近裂縫延伸增多，ADAS位移幅值為30圈時(shí)，大部分菱形孔鋼板焊腳出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，焊縫深度約為1.5 mm，且靠近核心板的裂縫居多，如圖9(a)所示。ADAS位移幅值為60圈時(shí)，靠近核心板焊腳1條裂縫在厚度方向上貫通，如圖9(b)所示，其余焊腳裂縫深度約為0.0～4.0 mm，且靠近核心板的裂縫深度較大，同時(shí)頸部也出現(xiàn)明顯的可視鋼板裂縫，如圖9(c)所示。裂縫的出現(xiàn)規(guī)律也說(shuō)明核心板處的焊縫較容易破壞。

等幅加載至第86圈時(shí)，在ADAS同側(cè)三塊菱形孔鋼板頸部，間隔約1 s連續(xù)繃斷，如圖9(d)所示。斷裂截面粗糙，疲勞斷裂現(xiàn)象明顯，如圖9(e)所示。2/3焊腳裂縫在鋼板厚度上貫通，裂縫長(zhǎng)度10 mm～30 mm，裂縫寬度1 mm～2 mm，如圖9(f)所示。5/9未繃斷頸部產(chǎn)生約0.5 mm的鋼板裂縫。靠近內(nèi)板未貫通裂縫與靠近核心板未貫通裂縫數(shù)量之比為5∶3，表明核心板處的焊腳更易產(chǎn)生裂縫破壞，建議設(shè)計(jì)時(shí)宜提高核心板焊腳附近菱形孔鋼板的局部強(qiáng)度。

從裂縫發(fā)展的歷程來(lái)看，ADAS先在焊腳出現(xiàn)裂縫，然后在焊腳和頸部同時(shí)發(fā)展裂縫，最后在頸部發(fā)生疲勞斷裂。表明ADAS疲勞裂縫發(fā)展全面、變形耗能充分。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 滯回曲線

ADAS試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖兎禍厍€見圖10。

圖9 ADAS等幅加載試驗(yàn)現(xiàn)象

圖10 滯回曲線

(1) 阻尼器位移在0～3 mm左右范圍內(nèi)，滯回曲線基本為直線，說(shuō)明阻尼器處于彈性階段。當(dāng)阻尼器位移大于3 mm左右時(shí)，滯回曲線開始向位移軸彎曲，說(shuō)明阻尼器進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線變得越來(lái)越豐滿，滯回曲線包圍的面積越來(lái)越大，阻尼器消耗能量越來(lái)越多，因此ADAS阻尼器是一種可靠的耗能減震裝置。

(2) 阻尼器滯回環(huán)上下力不對(duì)稱。縱坐標(biāo)(力)的最大值和最小值的絕對(duì)值并不完全相等，總體上最大值的絕對(duì)值大于最小值的絕對(duì)值。這是可能由于：① 阻尼器水平連接板與底座水平連接板之間的滑移；② 阻尼器先豎向向下位移加載，當(dāng)菱形孔鋼板既有被拉伸也有被壓縮至塑性變形階段的部分后卸載至0 mm位移，再豎向向上位移加載，材料反向壓縮或拉伸屈服強(qiáng)度比原始狀態(tài)(即未經(jīng)預(yù)先拉伸塑性變形而直接進(jìn)行壓縮)的屈服極限明顯要低(絕對(duì)值)。

(3) 阻尼器破壞前可產(chǎn)生較大的變形量，且產(chǎn)生較大的應(yīng)變硬化。

(4) 位移幅值大于24 mm的滯回環(huán)開始呈現(xiàn)捏攏效應(yīng)，“捏攏”現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致阻尼器耗能不穩(wěn)定。分析其原因，這是由于內(nèi)鋼板約束了菱形孔鋼板，使菱形孔鋼板沿高度方向產(chǎn)生拉力。

3.2 耗能性能

ADAS試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃纳⒛芰亢偷刃ё枘嵯禂?shù)見圖11和圖12。

圖11 耗散能量

圖12 等效阻尼系數(shù)

(1) 阻尼器位移幅值大于屈服位移2倍以上時(shí)，耗散能量和等效阻尼系數(shù)呈線性增長(zhǎng)，表明阻尼器可快速進(jìn)入耗能狀態(tài)。

(2) 阻尼器等效阻尼系數(shù)隨著位移幅值的增大而先增大后減小。位移幅值到達(dá)24 mm時(shí)，阻尼器等效阻尼系數(shù)達(dá)到0.3以上，且最佳等效阻尼系數(shù)附近保持較長(zhǎng)平穩(wěn)段，表明阻尼器具有可靠的耗能能力和良好的耗能性能。

3.3 強(qiáng)化放大系數(shù)

從試驗(yàn)所獲得的變幅值滯回曲線可看出，阻尼器出現(xiàn)較強(qiáng)的強(qiáng)化過(guò)程，這是由于：(1) 阻尼器由加載前期的受剪控制轉(zhuǎn)變成加載后期的受拉控制(主要原因)；(2) 材料應(yīng)變硬化與循環(huán)硬化。強(qiáng)化放大系數(shù)的計(jì)算公式為：

α=Fmax/Fy

(6)

式中：Fmax為阻尼器設(shè)計(jì)最大阻尼力；Fy為阻尼器屈服荷載。據(jù)此計(jì)算阻尼器試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹?qiáng)化放大系數(shù)，并計(jì)算設(shè)計(jì)最大位移36 mm耗散能量與18 mm耗散能量比值λ，如表1所示。

表1 阻尼器強(qiáng)化放大效應(yīng)

阻尼器具有較大的強(qiáng)化系數(shù)。一方面，強(qiáng)化系數(shù)越大，阻尼器的恢復(fù)力越大，對(duì)主體結(jié)構(gòu)不利。另一方面，由于強(qiáng)化作用，雖然位移幅值僅增大一倍，但耗散能量增大3倍以上，有利于結(jié)構(gòu)的耗能減震。

3.4 骨架曲線

ADAS模型的骨架曲線見圖13，骨架曲線呈現(xiàn)典型的雙線型，因此ADAS恢復(fù)力模型可簡(jiǎn)化為雙線性模型。

圖13 骨架曲線

3.5 剛度退化

等效割線剛度ki為：

(7)

剛度退化系數(shù)βi為：

(8)

式中:βi為剛度退化系數(shù)，i=1,2,3…，k0為對(duì)應(yīng)本試驗(yàn)位移幅值為2 mm時(shí)阻尼器等效割線剛度。ADAS試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡刃Ц罹€剛度和剛度退化系數(shù)見圖14和圖15。

圖14 等效割線剛度

圖15 剛度退化系數(shù)

阻尼器呈現(xiàn)較大剛度退化現(xiàn)象，隨著位移幅值的增大，阻尼器等效割線剛度先快速降低后趨于平穩(wěn)；阻尼器進(jìn)入彈塑性耗能階段后，剛度退化系數(shù)呈線性下降，阻尼器剛度很快降低為原來(lái)的1/2以下(位移幅值大于12 mm時(shí))，較小的剛度退化系數(shù)有利于保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

3.6 菱形孔鋼板應(yīng)變

(1) 菱形孔鋼板單邊應(yīng)變和頸部應(yīng)變。菱形孔鋼板單邊應(yīng)變一致性較好，表明菱形孔鋼板可較好地符合同時(shí)屈服耗能的特性。阻尼器屈服前，菱形孔鋼板發(fā)生純彎曲變形，頸部應(yīng)變較小。菱形孔鋼板屈服后，頸部產(chǎn)生薄膜效應(yīng)，頸部應(yīng)變開始加大，但未溢出，因此頸部參與耗能的同時(shí)不存在明顯應(yīng)變集中。

(2) 菱形孔鋼板上下前后應(yīng)變和核心板兩側(cè)應(yīng)變。在阻尼器位移小于6 mm時(shí)，菱形孔鋼板沿厚度上下對(duì)應(yīng)位置和沿高度前后對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變片的時(shí)間-應(yīng)變曲線呈反對(duì)稱關(guān)系，核心板兩邊的菱形孔鋼板對(duì)稱位置的應(yīng)變片時(shí)間-應(yīng)變曲線基本重合，且兩條重合曲線呈反對(duì)稱關(guān)系。表明ADAS的構(gòu)造設(shè)計(jì)，菱形孔鋼板在彈性階段可產(chǎn)生較為理想的外彎曲受力狀態(tài)，保證了阻尼器耗能性能。

4 結(jié) 論

本文提出了一種支撐式面外彎曲阻尼器(ADAS)，并通過(guò)試驗(yàn)研究其抗震性能，經(jīng)過(guò)分析得到如下結(jié)論：

(1) ADAS菱形孔鋼板裂縫發(fā)展和變形耗能充分。變幅加載時(shí)菱形孔鋼板變形不會(huì)集中于頸部或焊腳，焊腳處出現(xiàn)較少的裂縫，ADAS在充分彎曲變形耗能前不會(huì)提前失效。等幅加載時(shí)先在焊腳出現(xiàn)裂縫，然后在焊腳和頸部同時(shí)發(fā)展裂縫，最后在頸部發(fā)生疲勞斷裂。

(2) ADAS較大的強(qiáng)化系數(shù)有利于提高耗散能量。阻尼器具有較大的強(qiáng)化系數(shù)，滯回環(huán)呈現(xiàn)一定的捏攏效應(yīng)。雖然強(qiáng)化系數(shù)越大，阻尼器的恢復(fù)力越大，對(duì)主體結(jié)構(gòu)不利。但由于強(qiáng)化作用，阻尼器耗散能量顯著增大，有利于結(jié)構(gòu)的耗能減震。

(3) ADAS具有良好的抗震性能。阻尼器滯回曲線豐滿，耗散能量和等效阻尼系數(shù)呈線性增長(zhǎng)，且最佳等效阻尼系數(shù)附近保持較長(zhǎng)平穩(wěn)段，阻尼器等效割線剛度先快速降低后趨于平穩(wěn)，剛度退化系數(shù)呈線性下降，較小的剛度退化系數(shù)有利于保護(hù)結(jié)構(gòu)主體。

(4) ADAS的構(gòu)造保證了菱形孔鋼板實(shí)現(xiàn)全截面同時(shí)屈服耗能狀態(tài)。菱形孔鋼板單邊應(yīng)變一致性較好，菱形孔鋼板沿厚度上下對(duì)應(yīng)位置、沿高度前后對(duì)應(yīng)位置及核心板兩側(cè)的菱形孔鋼板對(duì)稱位置的應(yīng)變片的時(shí)間-應(yīng)變曲線呈反對(duì)稱關(guān)系，且兩條重合曲線呈反對(duì)稱關(guān)系。