金屬橡膠耗能減震阻尼器參數確定方法

閆旭雯，趙亞哥白，丁甫政，于 鑫，邱宇欣，王志強

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引 言

金屬橡膠是由相互交錯的空間網狀結構的金屬絲纏繞而成的一種彈性多孔材料。目前在工程機械、航天航空等領域，金屬橡膠用作耗能隔震部位的材料比較廣泛。在高低溫、腐蝕環境等特種工況下，由金屬橡膠制成的隔震器具有良好的隔震性能，所以目前在工程機械、海洋船舶等領域均有應用，但是作為耗能減震裝置，在土木工程領域很少被使用，因此開發金屬橡膠材料，制成具有自復位能力的新型金屬橡膠材料耗能減震裝置是有一定得工程前景的。

基于此材料的耗能減震裝置的存在會對耗能減震結構的動力特性和動力反應產生較大影響，地震反應的控制效果由耗能裝置出力的大小和能量的耗散而決定。為使金屬橡膠阻尼器在連梁剪力墻結構中的耗能作用最大程度的發揮，使其既最大程度降低結構的地震反應，又避免附加給結構過大剛度而導致結構損傷。故需要對金屬橡膠阻尼器進行合理的參數設計。本文主要初步設計金屬橡膠阻尼器基本參數，為地震響應分析中，安裝該阻尼器的耗能減震結構提供分析依據。

2 阻尼器基本參數初步確定

根據建立金屬橡膠本構模型的方法，金屬橡膠試驗曲線按照0.27為相對密度，30%的應變幅值建立擬合的本構模型如圖1所示。基于金屬橡膠材料的阻尼器置于連續梁中時，當金屬橡膠進入應力加強段時，本構模型的割線剛度增大，MR阻尼器的出力增加，隨著連接梁附加剛度的增大，結構整體剛度增大，這使得加速度地震響應增大。因此，需要采用阻尼器的最大應變達到本構折線的拐點時(即未進入應力強化段)的應力和應變設計阻尼器長度和面積，以避免控制效果不佳。下面金屬橡膠試驗曲線按照相對密度0.27，應變幅值30%建立擬合的本構模型如圖1所示，假設應變為24.3%即第一拐點時，為阻尼器達到最大出力。

圖1 能力譜曲線和彈塑性需求譜曲線

3 阻尼器出力與橫截面積設計

目前國際廣泛采用的評價抗震能力的方法主要是靜力彈塑性分析方法(Pushover方法)，這種方法是實現基于性能-位移抗震設計方法的關鍵之一。在12階振型模式中，本文采用的是第一階振型即倒三角形力加載模式，逐步施加靜力荷載。應用ABAUQS有限元軟件建立12層剪力墻連梁結構模型，對其進行靜力荷載分析，進過數據的提取，得出基底剪力-頂層位移的Pushover曲線，如圖2所示。然后再采用MATLAB軟件折線擬合計算，得到的結果是：當Pushover整體結構屈服時，屈服點處對應基底剪力FS=2.02×106N，此時刻第3層右側為連梁端部剪力最大值，用ABAQUS軟件程序中的freebodycut命令提取數據，得到基底剪力值為456 KN，如圖3、圖4所示。

圖2 倒三角形荷載pushover曲線

圖3 整體結構屈服時刻連梁兩側剪力

圖4 第3層連梁兩端剪力

阻尼器的出力近似可認為是此剪力值，即阻尼器的出力為45.6噸。阻尼器橫截面積A：

(1)

4 阻尼器長度L設計

圖5 整體結構屈服時刻層間位移

應用靜力彈塑性分析方法施加靜力荷載推覆分析時，當結構到達屈服點時，通過ABAQUS軟件處理數據，得到模型所有12層的層間位移，如圖5所示，由圖中可以看出，最大位移值為第8層層間位移，即Δfy=3.31 mm。圖6表達的是連梁端部相對變形與層間位移之間的幾何關系，由圖中可以分析得出，連梁端部相對位移與層間位移有一定的關系.

圖6 層間位移與連梁端部位移的關系

(2)

式中：lc—連梁長度；H—連梁高度；Δfy—層間位移

按照上述位移設計阻尼器的長度

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5 結 論

本文應用靜力彈塑性方法(pushover)，在12階振型中選取第一階振型即倒三角形荷載加載模式，對ABAQUS建立的12層有限元模型進行推覆分析，繪制出剪力墻結構的基底剪力-頂層位移pushover曲線，根據上述曲線確定整體結構屈服點時刻的連梁端部剪力與屈服位移，初步設計出金屬橡膠阻尼器的基本參數。得到如下結論：

將整體結構屈服時刻對應連梁端部的剪力作為阻尼器的出力的方法是可行而有依據的，按照此方法計算出該阻尼器的出力為45.6 t，再由阻尼器出力進而確定阻尼器橫截面A=0.316 m2。

當整體結構推覆至屈服時刻，根據12層中最大的層間位移計算得到的連梁端部相對位移作，根據幾何關系得出阻尼器變形，進而確定阻尼器長度L=34 mm。

在后續研究工作中可按照上述參數作為基準參數，設計不同的阻尼器參數組合，分析金屬橡膠阻尼器的特征參數對結構地震反應及損傷的影響規律，根據上述規律，設計出最佳的阻尼器參數組合，為最終達到金屬橡膠阻尼器作為土木工程結構減震用阻尼器的應用奠定研究基礎。