開孔型防屈曲鋼板阻尼器抗震性能研究

白潔BAI Jie；王強WANG Qiang；邱威威QIU Wei-wei；楊帆YANG Fan；劉蘊文LIU Yun-wen；閆玉翟YAN Yu-di

（沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168）

0 引言

阻尼器按照耗能變形方式主要分為剪切型阻尼器和彎曲型阻尼器。剪切型阻尼器具有構造簡單、初始剛度大、耗能能力良好等特點，在消能減震結構中得到廣泛應用。常見的剪切型阻尼器主要由軟鋼或者低碳鋼制作而成，其耗能原理是在水平荷載的作用下，鋼板阻尼器發生面內剪切塑性變形進而消耗地震產生的能量。

Seki[1]首先提出了剪切型鋼板阻尼器，其構造由腹板、翼緣、端板組成，腹板為耗能板，利用腹板和翼緣鋼材的剪切塑性變形消耗能量。隨后，聶建國[2]對剪切型鋼板阻尼器的初始剛度、承載力、耗能性能以及延性展開研究，結果發現，鋼板角部面外屈曲顯著，且存在撕裂現象，滯回曲線捏縮現象嚴重。針對這一問題，孔子昂[3]等學者試圖在鋼板表面開設不同形式的孔洞，結果發現，開孔可使鋼板應力分布均勻，減小鋼板角部的應力集中和面外屈曲，但是鋼板角部還存在嚴重的面外屈曲現象，導致鋼板的耗能曲線產生捏縮。Tanaka[4]通過設置加勁肋來抑制內嵌鋼板的面外屈曲，結果發現，該方法可在一定程度上抑制鋼板的面外屈曲，但是焊接處存在焊接殘余應力，極易發生撕裂破壞。郭彥林[5]提出防屈曲鋼板剪力墻，在鋼板兩側設置約束混凝土板，混凝土板只承受內嵌鋼板的擠壓作用，不承擔水平剪力作用。結果得出，防屈曲鋼板剪力墻相比于普通鋼板剪力墻可明顯改善其耗能能力，但是鋼板角部還存在較為嚴重的面外屈曲。金雙雙[6]對內部鋼板開斜縫外部約束為混凝土板的組合形式的防屈曲鋼板剪力墻進行研究，結果表明將二者進行組合具有良好的耗能能力，但是該構件鋼板角部還存在著一定的面外屈曲，同時開斜縫構造復雜，不利于制作施工。

基于上述鋼板在承受水平荷載作用的過程中，在彎矩和剪力共同作用下，角部存在應力集中產生的面外屈曲問題。本文將鋼板開孔與外部防屈曲相結合，提出一種開孔型防屈曲鋼板阻尼器，并通過有限元數值模擬研究鋼板開孔、面外約束對阻尼器內嵌鋼板的面外屈曲、應力分布及耗能能力的影響。

1 開孔型防屈曲鋼板阻尼器的提出

本文提出的開孔型防屈曲鋼板阻尼器主要由內嵌開孔鋼板、外部約束混凝土板以及螺栓組成，內嵌鋼板通過角鋼和螺栓與結構梁的上下翼緣板進行連接。該阻尼器構造簡單可適用于在工程現場進行組裝，并便于后期的維護更換。翼緣板在承受水平荷載作用時，帶動內嵌鋼板發生剪切塑性變形，進而消耗地震產生的能量。為提高阻尼器耗能能力，在內嵌鋼板中部開設均勻圓孔，通過削弱鋼板中部的面積使應力分布均勻，改善鋼板角部的面外屈曲。

2 有限元模型驗證

為驗證利用有限元軟件Abaqus 進行有限元分析的正確性，基于文獻[7]對已有純鋼板剪力墻試驗進行有限元模擬分析。文獻中純鋼板剪力墻尺寸為1200×1100mm，厚度為2.75mm，鋼材為Q235 鋼，鋼板與框架上下梁通過高強螺栓和角鋼進行連接，底梁通過錨固螺栓與地面進行錨固。試驗中采用電液伺服加載裝置對試件進行低周往復加載試驗。

2.1 有限元模型建立

有限元模型嚴格按照文獻中所述試驗模型進行建模分析。鋼板采用殼單元進行建模。將鋼板與框架梁端之間的接觸認為完全固結，忽略螺栓滑移對其耗能性能的影響，在內嵌鋼板頂部和底部分別設定耦合其位移的參考點。按照試驗的邊界條件約束鋼板底部參考點的平動自由度與轉動自由度，并按照試驗加載制度在頂部參考點進行水平位移往復加載。

2.2 鋼材本構模型

對于鋼材國內外學者提出了不同的本構模型，包括理想彈塑性模型、雙折線模型以及三折線模型等。其中，雙折線的隨動強化模型可以反映往復加載過程中材料的包辛格效應，能夠較好地描述鋼材的力學性能。故本文中鋼材選用雙線性隨動強化模型。按照試驗材性測試，鋼材彈性模量為215083MPa、泊松比為0.31、屈服強度為294MPa以及極限強度為429MPa。

2.3 計算結果對比分析

將有限元模擬分析所得的鋼板頂部位移—荷載滯回曲線以及面外變形分布與試驗結果進行對比，如圖1、圖2所示。可以看出模擬所得的阻尼器承載力、加卸載剛度、滯回曲線形狀與試驗結果基本一致，且面外變形分布也基本相同，其中角部存在嚴重的面外屈曲變形。模擬結果能夠較好反映試件在加載過程角部面外屈曲造成滯回曲線的捏縮現象。有限元分析得出的滯回曲線相比于試驗結果略微飽滿，因為有限元分析是在理想狀態下進行的，忽略了試驗過程中螺栓滑移、人為干擾因素以及外部構件加工等因素影響。根據有限元模擬結果和實際試驗結果的對比，可以得出有限元數值模擬可以較好地反映真實試驗的受力情況。

圖1 結果曲線對比

圖2 面外變形對比

3 開孔型防屈曲鋼板阻尼器有限元模擬

本節采用有限元軟件Abaqus 對開孔型防屈曲鋼板阻尼器在單調加載以及往復加載情況下進行數值模擬，研究其應力分布以及面外屈曲情況，并與純鋼板阻尼器以及開孔型鋼板阻尼器進行對比分析。試件鋼板尺寸為1200×1500mm，厚度為8mm，鋼材取Q235，采用雙折線隨動強化模型，彈性模量為200000MPa、泊松比為0.3、屈服強度為235MPa 以及極限強度為360MPa。混凝土板厚度為40mm，強度等級C30，混凝土本構采用混凝土塑性損傷模型。考慮到制作加工精度，外部約束混凝土板與內嵌鋼板初始間隙取為3mm。

3.1 單調加載情況下應力變形分析

在水平單調加載位移至30mm（試件高度/50）時，純鋼板阻尼器、開孔型鋼板阻尼器以及開孔型防屈曲鋼板阻尼器的Mises 應力分布以及面外屈曲變形結果分別如圖3、圖4 所示。

圖3 應力分布對比

圖4 面外變形對比

由圖3 可知，純鋼板阻尼器的最大應力達到了349.6MPa，高應力區主要集中在鋼板角部，鋼板大部分沒有進入屈服。開孔型鋼板最大應力降低了12%，鋼板中部應力有所提高，應力分布較為均勻。開孔型防屈曲鋼板最大應力降低了20%，高應力區由角部擴展至鋼板中部，鋼板面積約80%進入屈服，應力分布明顯均勻。開孔型防屈曲鋼板最大應力的降低能夠提高阻尼器的抗疲勞性能，減輕內嵌鋼板角部的撕裂破壞。

由圖4 可知，純鋼板阻尼器在角部區域發生較大面外變形，且最大變形為46.42mm。開孔型鋼板面外變形分布相對分散，最大變形為42.99mm。開孔型防屈曲鋼板在外部約束混凝土板的約束下，面外位移較小，最大面外位移僅為3.89mm，面外變形集中現象得到明顯改善。鋼板中部開孔減緩了鋼板角部的面外屈曲，有利于降低對約束混凝土板以及約束螺栓的剛度要求，而約束混凝土板可有效抑制內嵌鋼板的面外屈曲。

3.2 往復加載情況下滯回性能分析

在水平往復加載位移至30mm（試件高度/50）時，純鋼板阻尼器、開孔型鋼板阻尼器以及開孔型防屈曲鋼板阻尼器的滯回曲線結果如圖5 所示。

由圖5 可知，三種阻尼器具有相近的初始剛度、屈服位移和屈服荷載，且屈服位移較小，約為試件高度的1/500。加載位移較小（小于5mm）階段，滯回曲線形狀基本一致，這表明開孔和約束板對阻尼器的小位移階段性能幾乎沒有影響。隨著加載位移的增加，純鋼板和開孔鋼板的承載力出現強度退化現象，滯回曲線存在明顯的捏縮，其中開孔型鋼板滯回曲線趨緩：而開孔型防屈曲鋼板承載力呈穩定上升，滯回曲線呈飽滿的梭形，且卸載階段明顯大于其余二者。

圖5 滯回曲線對比

圖6為三種阻尼器加載位移幅值與單圈滯回面積的關系曲線。可以看出在加載位移較小（小于5mm）階段，三種阻尼器耗能能力基本一致，隨著加載位移的增大，純鋼板和開孔鋼板的耗能能力緩慢增加，而開孔型防屈曲鋼板的耗能能力增長明顯。當加載位移達到30mm 時，開孔型防屈曲鋼板的耗能能力約為其余二者的2.6 倍。這是由于將開孔和防屈曲相結合，使得鋼板的應力分布較為均勻、面外屈曲受到抑制，材料塑性耗能能力得以充分發揮。

圖6 單圈滯回面積對比

4 結論

本文提出一種開孔型防屈曲鋼板阻尼器，并通過有限元數值模擬研究鋼板開孔、面外約束對阻尼器內嵌鋼板的面外屈曲、應力分布及耗能能力的影響。得出如下結論：

①純鋼板阻尼器在承受水平荷載作用時，角部產生嚴重的應力集中和面外變形，滯回曲線產生明顯的捏縮現象。②通過在鋼板中部進行開孔可降低鋼板角部的最大應力，使鋼板中部應力有所提高，且應力分布均勻，同時減小了鋼板角部的面外變形，耗能能力有所提高。③在鋼板兩側添加約束混凝土板可有效抑制內嵌鋼板面外屈曲，高應力區由角部擴展至鋼板中部，鋼板面積約80%進入屈服，應力分布明顯均勻，滯回曲線呈明顯梭形，耗能能力較好。