金屬圓管阻尼器抗震性能分析與數(shù)值模擬

摘""要：提出一種由金屬圓管結(jié)合H型鋼組成的阻尼器，建立了阻尼器的有限元模型，在循環(huán)荷載作用下采用非線性靜力分析方法進行分析。通過有限元方法進行了參數(shù)研究，包括研究金屬圓管的厚度、長度和直徑對金屬圓管阻尼器抗震性能的影響。結(jié)果表明：隨著圓管徑厚比的增加，阻尼器的剛度、屈服承載力和耗能能力會增大；圓管長度的增加，阻尼器的剛度和承載力有所提升，對耗能能力沒有影響。

關鍵詞：圓管阻尼器"""滯回性能"""數(shù)值模擬"""力學性能

中圖分類號：TH13

Analysis"and"Numerical"Simulation"of"Seismic"Performance"of"Metal"Round"Tube"Damper

HUA"Xinyi1""YANG"Xiuying1""MENGeng"Fantao2

1.School"of"Architecture"and"Civil"Engineering，"Liaocheng"University，"Liaocheng，"Shandong"Province，"252000"China；2.Shandong"Huake"Planning"Architectural"Design"Co.，"Ltd.，"Liaocheng，"Shandong"Province，"252000"China

Abstract："A"damper"composed"of"metal"round"tube"combined"with"H-beam"was"proposed，"and"a"finite"element"model"ofnbsp;the"damper"was"established，"which"was"analyzed"by"nonlinear"static"analysis"method"under"cyclic"load."The"finite"element"method"was"used"to"study"the"parameters，"including"the"influence"of"the"thickness，"length"and"diameter"of"the"metal"round"tube"on"the"seismic"performance"of"the"metal"round"tube"damper."The"results"show"that"with"the"increase"of"the"diameter-thickness"ratio"of"the"round"tube，"the"stiffness，"yield"bearing"capacity"and"energy"dissipation"capacity"of"the"damper"will"increase."The"increase"in"the"length"of"the"round"tube"increases"the"stiffness"and"bearing"capacity"of"the"damper，"which"has"no"effect"on"the"energy"dissipation"capacity.

Key"Words："Round"tube"damper;"Hysteretic"behaviorhysteresis"performance;"Nnumerical"simulation;"Mmechanical"properties

金屬阻尼器屬于一種被動消能減震裝置，具有能夠直接利用自身變形耗能等優(yōu)點[1]。Azandariani等人[2]對圓環(huán)阻尼器的抗震性能進行了參數(shù)化分析，采用鋼環(huán)作為阻尼器既能夠控制位移和延性，又能夠顯著地耗能。本文在研究過程中，發(fā)現(xiàn)這種阻尼器的適用范圍并不廣泛，該阻尼器隨著圓環(huán)直徑的增大，其承載能力會受到限制，如果同時增大圓環(huán)厚度，會導致該阻尼器的板單元在受力過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞，極大影響該阻尼器的性能。

• "金屬圓管阻尼器的設計構(gòu)造

1.1""設計構(gòu)造和有限元模型

圓環(huán)阻尼器的性能主要是由圓管的幾何尺寸決定的，通過增減圓的直徑、厚度和長度即可改變圓環(huán)阻尼器的變形能力。然而，圓環(huán)阻尼器容易失穩(wěn)破壞并容易受到圓環(huán)的直徑、厚度和長度的限制。本研究在圓環(huán)阻尼器的基礎上，提出了圓管加H型鋼的組合。將圓環(huán)換成圓管是為了可以提高阻尼器的初始剛度，用H型鋼代替鋼板是為了可以提高阻尼器的整體穩(wěn)定性，在實際工程中比用鋼板更加具有實用性和安全性。

金屬圓管阻尼器主要由兩部分焊接而成，分別是金屬圓管和H型鋼，金屬圓管由Q235鋼制成，低屈服點鋼由于屈服強度較低，性能穩(wěn)定，屈服后具有良好的滯回性[3]。H型鋼選用Q355鋼。阻尼器的主要設計參數(shù)有圓管的外徑D、厚度t、長度L。

模型分為圓管和H型鋼兩個部位，都采用實體單元進行模擬。圓管和H型鋼的連接假定為剛接[4]，接觸面之間采用綁定（tie）約束。一側(cè)H型鋼完全固定，另一側(cè)耦合點處加載至6.25mm、8.33mm、16.67mm、25mm、33.33mm和50mm的振幅，每個振幅循環(huán)3次。

• "參數(shù)分析
  • "參數(shù)分析設計與結(jié)果

在參數(shù)分析中，選用了不同外徑和厚度的圓管搭配H型鋼，來分析對金屬圓管阻尼器力學性能、耗能能力的影響。本文考慮了共7個模型，模型代號為ST-D-t-L，其中D為圓管外徑、t為圓管厚度、L為圓管長度。

模型參數(shù)及結(jié)果如表1所示，表1給出了有限元模型的循環(huán)分析結(jié)果。包括了剛度K0、屈服位移?y、等效阻尼比ξeq、屈服力Py。

• ""參數(shù)影響

2.2.1""剛度

耗能部件的尺寸對金屬圓管阻尼器的力學性能有著很大的影響。根據(jù)對不同的圓管外徑、厚度以及長度的模擬，可以表明圓管的徑厚對阻尼器性能的影響最大。

由表1可知，當其他尺寸不變，僅改變圓管厚度時，中性軸會向圓心移動，截面慣性矩也會增大，剛度也會隨之增大。當僅改變圓管的外徑時，隨著外徑的增大，剛度會隨著減小。由表1可知，當僅改變圓管長度時，隨著圓管長度的增加，剛度也隨之增加，對阻尼器的剛度性能影響并沒有圓管外徑和厚度的影響大。

2.2.1""屈服承載力

同樣由表1可知，由模型ST-500-20-250、ST-500-30-250、ST-500-40-250為例，屈服承載力隨著厚度的增加而增大，圓管厚度對屈服承載力的影響較大。當僅改變圓管的外徑時，隨著外徑的增大，屈服承載力會隨著減小。當僅改變圓管長度時，隨著圓管長度的增加，屈服承載力隨之增大，由模型ST-500-30-250和模型ST-500-20-300相比，提高21.59%。

2.2.2""耗能能力

等效阻尼比是阻尼器的一個重要非線性特征，它能表現(xiàn)出阻尼器的耗能能力[5]。如表1所示，等效阻尼比取決于阻尼器的塑性變形能力，金屬圓管阻尼器的等效阻尼比在41%～49%之間波動，表明金屬圓管阻尼器在控制圓管外徑和厚度的情況下，可以具備良好的耗能能力。

2.2.3""拉壓不對稱

所有有限元模型都具有良好的循環(huán)性能，滯回曲線穩(wěn)定，基本成對稱的梭形，沒有出現(xiàn)明顯的承載力的降低和剛度的退化，滯回曲線無捏攏現(xiàn)象。通過公式計算，可以得到各模型的拉壓非對稱系數(shù)[6]。從表1中可以看出，除了直徑為500mm、厚度為20mm圓管的拉壓非對稱系數(shù)超過規(guī)定的1.3，其他模型都不大于1.3，均滿足規(guī)范要求。

• "結(jié)論

本文提出的金屬圓管阻尼器，并通過有限元模擬的方法針對阻尼器的力學性能和耗能能力開展了數(shù)值研究。主要研究成果和結(jié)論如下。

（1）金屬圓管阻尼器的性能主要由耗能構(gòu)件的幾何尺寸決定，圓管的直徑和厚度對阻尼器的變形能力有很大的影響。通過增減圓管長度同樣可以控制阻尼器的力學性能和耗能能力。但圓管長度并不是影響力學性能的主要因素，對阻尼器的耗能能力的影響也較小。

（2）金屬圓管阻尼器的性能主要由圓管的厚度和直徑控制。當其他設計參數(shù)不變時，圓管直徑的增加對阻尼器的耗能能力和力學性能具有負影響作用；圓管厚度的增加對阻尼器的耗能能力和力學性能具有正影響作用。

（3）金屬圓管阻尼器的拉壓特性不對稱，但通過改變圓管直徑和厚度可以滿足規(guī)范要求。在同一參數(shù)條件下，圓管的直徑和厚度的增大都可以減小拉壓不對稱性。

參"考"文"獻

1. 邱燦星，錢慧娟，王苑佐.具有T形截面的U形鋼板阻尼器滯回性能理論分析與數(shù)值模擬[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2024，26（1）：30-40.
2. Azandariani"M"G，Abdolmaleki"H，Azandariani"A"G.Numerical"and"analytical"investigation"of"cyclic"behavior"of"steel"ring"dampers"（SRDs）[J].Thin-Walled"Structures，2020，151：106751.
3. 石文龍，陶正華，張福壽.低屈服點鋼研究進展與力學性能數(shù)據(jù)分析[J].地震工程與工程振動，2021，41（1）：175-183.
4. 靳杰.彎剪復合分級屈服阻尼器的力學與減震性能分析[D].淮南：安徽理工大學，2022.
5. 王斌，張燁，史慶軒，等.自復位阻尼器及其連接下的開縫RC剪力墻抗震性能研究[J/OL].工程力學：1-13[2024-09-19].http：//cnki.699wx.cn/kcms/detail/11.2595.O3.20240801.1003.002.html.
6. 中國建筑技術研究院.高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程：JGJ"99?2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.