U型金屬阻尼器力學(xué)性能研究及參數(shù)分析

趙 丹，許育文

（1.杭蕭鋼構(gòu)有限公司海南分公司，海南 儋州 578101；2.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑工程對(duì)于抗震以及抗風(fēng)的性能需求增加，提高建筑物的抗震性能減少地震帶來的損失是現(xiàn)在建筑工程的重點(diǎn)。提高建筑物的抗震性能可以通過直接提高結(jié)構(gòu)的抗震能力來實(shí)現(xiàn)或者通過增加減震耗能構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)。其中，金屬阻尼器因性能穩(wěn)定、制作方便等優(yōu)點(diǎn)是目前廣泛應(yīng)用的減震耗能構(gòu)件之一。

鄧開來等研究分析了U型金屬阻尼器在面外橫向荷載作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的力學(xué)性能。種迅等收集了17個(gè)U型金屬阻尼器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同類型鋼材的U型金屬阻尼器的面內(nèi)受力性能進(jìn)行了分析和比較。Y.Jiao和Diana Ene針對(duì)隔震結(jié)構(gòu)中的USD在雙向荷載作用的力學(xué)性能進(jìn)行研究，明確其在雙向荷載作用下其耗能性能均有退化。

金屬阻尼器耗能時(shí)的變形特點(diǎn)不同可劃分為三類，分別為：軸向屈服型、剪切屈服型、彎曲屈服型。文章提到的U型金屬阻尼器為彎曲型的受力模式。通過ANSYS軟件建立多種尺寸模型，對(duì)平直段長(zhǎng)度、寬度、厚度以及半徑四個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究，分析其參數(shù)對(duì)U型金屬阻尼器縱向力學(xué)性能的影響。

1 U型阻尼器構(gòu)造

文章采用的為軟鋼彎曲制作的U型金屬阻尼器，U型金屬阻尼器主要是由三大部分組成，如圖1分別為上平直段、彎曲段、下平直段。通過固定一側(cè)平直段在另一側(cè)平直段上施加沿平直段長(zhǎng)度方向的荷載，從而阻尼器受力變形。當(dāng)U型金屬阻尼器由彈性狀態(tài)進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)，阻尼器開始發(fā)揮其耗能作用。在地震時(shí)，U型阻尼器必須先于梁柱等主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段吸收能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不受破壞。

圖1 U型金屬阻尼器結(jié)構(gòu)

U型金屬阻尼器的主要幾何參數(shù)平直段長(zhǎng)度L、寬度w、厚度t以及圓弧段半徑r。在設(shè)計(jì)時(shí)為符合實(shí)際工程的需求，需要通過調(diào)整U型阻尼器的各個(gè)幾何參數(shù)來對(duì)比阻尼器的剛度及其耗能性能。因此，文章將對(duì)其主要幾何參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析。

2 有限元分析

2.1 模型介紹

為研究單個(gè)阻尼器沿平直段長(zhǎng)度方向受力的力學(xué)性能，采用ANSYS軟件對(duì)阻尼器建立精確的有限元模型。U型阻尼器選用彈塑性8節(jié)點(diǎn)Soild實(shí)體單元，材料的彈性模量為205 000 MPa，屈服強(qiáng)度為306 MPa，極限強(qiáng)度為450 MPa泊松比為0.3。材料模型選用服從Voin-mises屈服準(zhǔn)則的多線性等強(qiáng)化模型首先以長(zhǎng)度為30 mm，寬度90 mm，厚度為10 mm和半徑為40 mm的模型為初始模型，分析阻尼器在擬靜力循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能。圖2為其有限元模型圖。擬靜力循環(huán)加載采用位移控制，加載制度如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 加載制度

2.2 有限元結(jié)果分析

圖4為U型金屬阻尼器在循環(huán)荷載作用下得到的滯回曲線。由圖可知，有限元數(shù)值模擬得到的滯回曲線飽滿，呈紡錘形，結(jié)果表明U型金屬阻尼器具有良好的耗能性能。

圖4 滯回曲線

式中，EDS為滯回阻尼耗能，等于最大位移處曲線包圍的面積，ES為最大位移處割線剛度圍成的面積。且，等效粘滯阻尼系數(shù)越大，耗能性能越好。有限元模擬可得其等效粘滯阻尼系數(shù)為0.486 4，表明其耗能性能良好。

2.3 參數(shù)分析

幾何參數(shù)對(duì)U型金屬阻尼器的力學(xué)性能有重要影響。對(duì)此為對(duì)阻尼器的力學(xué)性能做進(jìn)一步的分析，通過ANSYS有限元軟件對(duì)U型金屬阻尼器的主要幾何參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。對(duì)不同平直段長(zhǎng)度、寬度、厚度以及圓弧段半徑這四個(gè)參數(shù)下的初始剛度進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5為平直段長(zhǎng)度和初始剛度的關(guān)系曲線。平直段長(zhǎng)度參數(shù)范圍為15～200 mm。其他參數(shù)與原模型保持一致。由圖可知，隨著U型阻尼器長(zhǎng)度增大，其初始剛度逐漸增大。且在15～35 mm區(qū)間較為敏感。

圖5 平直段長(zhǎng)度和初始剛度關(guān)系曲線

圖6為寬度與初始剛度的關(guān)系曲線，除寬度外其他參數(shù)均與原模型保持一致。寬度參數(shù)范圍為10～200 mm。由圖可知，隨著U型阻尼器寬度增大，其初始剛度增大，敏感度在全區(qū)間基本一致。

圖6 寬度和初始剛度關(guān)系曲線

圖7為厚度與初始剛度的關(guān)系曲線，除厚度外其他參數(shù)均與原模型保持一致。其厚度范圍為4～30 mm。隨著U型阻尼器的厚度增大，其初始剛度不斷增大，且厚度數(shù)值越大越敏感。

圖7 厚度和初始剛度關(guān)系曲線

圖8為半徑與初始剛度的關(guān)系曲線，除半徑外其他參數(shù)均與原模型保持一致。其半徑范圍為10～62 mm。半徑增大，其初始剛度減小。且在10～22 mm區(qū)間較為敏感。

圖8 半徑和初始剛度關(guān)系曲線

由此可知，U型阻尼器參數(shù)對(duì)其初始剛度影響較大，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中應(yīng)合理考慮。

3 結(jié)論

以U型金屬阻尼器為研究對(duì)象，對(duì)其沿平直段受力進(jìn)行滯回性能分析以及參數(shù)化分析。其結(jié)論如下：

（1）通過對(duì)U型阻尼器進(jìn)行擬靜力循環(huán)加載模擬，結(jié)果所得滯回曲線飽滿，呈紡錘形，表明U型金屬阻尼器具有良好的耗能性能。

（2）通過對(duì)U形金屬阻尼器的平直段長(zhǎng)度、寬度、厚度以及圓弧段半徑這些主要幾何參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，圓弧段半徑的增大會(huì)導(dǎo)致其初始剛度的減小；平直段長(zhǎng)度、寬度以及厚度的增大會(huì)導(dǎo)致其初始剛度的增大。且在各區(qū)段敏感程度不同，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)合理考慮。