新型開孔連梁金屬阻尼器抗震性能研究★

韓松霖，宋 奇

(大連交通大學，遼寧 大連 116028)

近年來高層建筑得到了廣泛發展，但其一旦發生破壞將造成巨大的經濟財產損失，且高層建筑的震后修復時間及成本極大影響其震后功能恢復能力。為此，學者們提出了可更換耗能構件，將其應用于結構的主要耗能部位，通過其屈服變形進行能量的吸收，進而避免主體結構發生破壞帶來的巨大經濟財產損失。連梁作為剪力墻結構的主要耗能構件，其可設計為可更換耗能構件。國內外學者在可更換耗能連梁的抗震性能方面已進行了大量研究。Fortney等[1]最早提出了可更換耗能連梁，其提出的連梁由消能梁段和兩端的固定梁段組成。滕軍等[2-3]提出了一種帶縫金屬連梁阻尼器，并通過擬靜力加載試驗研究了其抗震性能。李冬晗等[4-6]提出了一種X型鋼板金屬連梁阻尼器，并對其抗震性能進行了數值分析。陳云等[7]提出了一種菱形開孔連梁阻尼器，并對其力學性能和破壞過程進行了分析。本文在設有附加面外約束的圓形鋼板上進行開孔，提出了具有不同開孔形式的新型連梁阻尼器，并對其開孔形式進行了分析，研究了不同開孔形式新型連梁阻尼器的抗震性能。

1 連梁阻尼器設計

本文提出的阻尼器通過內部設有孔洞的鋼板進行剪切屈服耗能，外部鋼管式約束板可約束內部耗能鋼板，防止其發生平面外屈曲而導致阻尼器過早發生破壞，連梁阻尼器具體見圖1。采用3種開孔形式，分別為開單孔、三孔和五孔，內部剪切耗能鋼板厚度為30 mm，外部約束鋼管內徑、外徑尺寸分別為150 mm和180 mm，寬度為200 mm。各開孔形式下其開孔面積均保持一致，均為31.4×103mm2。針對不同開孔形式，研究各工況下連梁阻尼器的力學性能。

通過上下加載板和約束板分別對連梁阻尼器進行加載和固定，上部加載板施加低周往復位移荷載，內部耗能開孔板通過剪切屈服進行耗能，同時外部約束板發生彎曲變形進行屈服耗能，并對內部耗能鋼板起到約束作用。本文連梁阻尼器選用Q235級鋼，其屈服強度為235 MPa，彈性模量為210×103MPa,泊松比為0.3。

2 有限元模型建立

基于ABAQUS軟件建立連梁阻尼器的有限元模型，上下加載和固定鋼板、外部約束鋼管和內部剪切鋼板均采用八節點三維實體減縮積分單元C3D8R，各組部件之間的焊接關系并未在建模過程中加以考慮，采用整體式建模方式進行建模，通過切割完成各工況的設置。上部加載板通過參考點進行剛體連接，位移荷載施加于參考點之上，下部約束板則進行完全固結，其有限元模型如圖2所示。阻尼器各組件材料均采用雙線性隨動強化本構模型。

3 力學性能分析

3.1 滯回性能

采用前述建立的有限元模型，加載板剛體耦合參考點上施加低周往復位移荷載，模擬地震過程中產生的外部循環往復荷載。計算得到各工況下連梁阻尼器的荷載-位移滯回曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，同等開孔面積條件下，耗能剪切板開設五孔的阻尼器承載力顯著高于單孔阻尼器，其最大承載力值提高87.5%；三孔阻尼器承載力值同樣高于單孔阻尼器，其提高幅度為28.7%。通過觀察滯回環可以看出，開設無控的阻尼器滯回曲線更加飽滿。

3.2 耗能能力

耗能能力是連梁裝置彈塑性變形過程中重要的力學性能指標。可用累計滯回耗能及等效黏滯阻尼比ξeq加以描述，其具體表達式見式(1)。

(1)

其中，ED為每周滯回環包含的能量；ES為最大位移處割線剛度包含的面積，本文取不同工況下節點累計滯回耗能E和最大位移幅值對應的等效黏滯阻尼系數ξeq進行對比，具體見表1。

表1 各工況下的耗能性能

從表1可以看出，開設三孔的阻尼器累計滯回耗能低于單孔和五孔阻尼器，耗能能力最差，而設有五孔的阻尼器耗能能力最強。同時，三種開孔形式下等效黏滯阻尼系數均在30%～40%之間，差異不大。可見，開孔數量并不是本文連梁阻尼器的唯一決定性影響因素，應綜合考慮開孔形式、位置和數量對連梁阻尼器耗能能力的影響，以此對連梁阻尼器進行性能設計和優化。

3.3 應力-應變分析

完成位移加載后，阻尼器von-mises等效應力云圖見圖4。

從圖4可以看出，開設五孔的阻尼器應力、應變分布更加均勻，屈服區域更大；外部屈曲約束板隨著開孔數量的增加其屈服區域也更加分散，而開設單孔的連梁阻尼器其應力、應變分布較為集中，進入屈服的區域更加有限，耗能效果也隨之下降。可以看出，隨著阻尼器開孔數量的增加，阻尼器進入屈服區域的面積顯著增大，阻尼器減震耗能能力顯著提高。

4 結語

本文基于金屬阻尼器的減震耗能特點提出了一種新型開孔軟鋼連梁阻尼器，通過數值模擬獲得了以下結論：

1)該新型連梁阻尼器能夠通過外部約束板避免剪切耗能鋼板過早進入屈曲狀態，其剪切耗能板能夠提供較好的減震耗能能力。2)針對不同開孔形式發現，開設五孔的連梁阻尼器的抗震性能最佳，其承載力也顯著增強，耗能能力最佳。3)隨著開孔數量的增加，耗能金屬板的屈服區域更加分散，應力、應變分布更加均勻，阻尼器的耗能能力也隨之增強。