張思奇

(同濟大學土木工程學院結構工程與防災研究所，上海 200092)

0 引言

隨著社會進步，人們的主觀防災意識也日漸增高，人們對其安全、結構、使用性能的要求也越來越嚴格，而這就促進了建筑結構抗震設計方法的發(fā)展。耗能減震技術逐漸成為結構師們關注的重點之一。

耗能減震技術是指通過在結構的一些部位安裝阻尼器來改變結構本身的動力特性，使結構在地震作用和風荷載作用下的動力響應得到有效控制，進而保證結構的安全性。同時由于該技術所采用的裝置大多具有非承重性和可替換性，所以既能有效抵抗地震作用，又不會影響建筑的使用功能，即使地震導致裝置破壞也可以在震后馬上修復或更換，保證結構的抗震能力。

1 阻尼器分類

根據(jù)阻尼器制作材料分，它可以分為金屬阻尼器，粘彈性阻尼器，粘滯型阻尼器和智能材料阻尼器。金屬阻尼器利用金屬材料具有良好滯回性能的特點，在結構振動時，先于結構主體進入屈服階段，消耗地震能量，達到減震目的。由于其滯回性能良好、抗疲勞能力強、耗能能力優(yōu)秀、構造簡單的優(yōu)點得到了廣泛的運用。

目前，廣泛應用的金屬阻尼器形式主要有梁式阻尼器，錐形鋼懸臂阻尼器，加勁阻尼器，剪切阻尼器，環(huán)(框)型阻尼器，無粘結支撐和鉛類阻尼器等。其中，依靠鋼板剪切變形耗能的阻尼器又可細分為剪切鋼板阻尼器(Steel Panel Damper，簡稱SPD)以及蜂窩形阻尼器，槽形阻尼器，單圓孔形阻尼器和雙X形阻尼器等耗能腹板開孔的阻尼器。為了充分了解SPD的發(fā)展情況，同時為進一步研究打好基礎，本文將對該阻尼器的國內外研究進展做較詳細的介紹。

2 剪切鋼板阻尼器構造

剪切鋼板阻尼器(SPD)一般主要是由上端板、下端板、中間的型鋼(H型鋼，槽鋼)或者由鋼板圍成的方形約束鋼管中焊接一塊鋼板制成。一般可以制作成矩形或者正方形。由于阻尼器尺寸一般較小，為了保證滯回性能，耗能腹板能在屈曲前已充分進入塑性階段，阻尼器所采用的型鋼一般要比普通結構梁所用的型鋼的尺寸要大。同時為了對腹板形成良好的約束，提高阻尼器性能，一些外觀尺寸較大，對噸位要求較高的阻尼器需要在腹板上單面或雙面設置加勁肋。

3 剪切鋼板阻尼器動力學模型[1-5］

剪切鋼板阻尼器使用較多的恢復力模型有雙線性模型，骨架平移模型，Bouc-Wen模型以及修正雙屈服面模型等。

3.1 雙線性模型

使用雙線性模型模擬阻尼器恢復力時，當剪力未超過屈服力Py，材料處于彈性階段;當剪力超過屈服力Py，材料屈服并強化，見圖1。

3.2 骨架平移模型

該模型由三折線的骨架曲線以及Ramberg-Osgood滯回曲線組成，骨架曲線根據(jù)塑性應變的變化時平移。對于使用相同鋼材但腹板寬厚比不同的剪切鋼板阻尼器，骨架偏移模型都可以較好的描述其真實的滯回特性，見圖2，圖3。

圖1 雙線性模型

圖2 骨架平移模型

圖3 骨架平移模型試驗數(shù)據(jù)對比

3.3 Bouc-Wen模型

Bouc-Wen模型可以由以下微分方程描述:

其中，α為阻尼器屈服后剛度與彈性剛度Ke之比;u(t)為t時刻的阻尼器相對位移;uy為阻尼器屈服位移;γ，β，n均為控制滯回曲線形狀參數(shù)，在實際使用時可以通過調整系數(shù)應用于不同類型的阻尼器中，形成不同形狀的滯回曲線。圖4為文獻中使用Bouc-Wen模型與試驗數(shù)據(jù)對比。

3.4 修正雙屈服面模型

此模型由日本名古屋大學開發(fā)。該材料模型由屈服面和邊界面組成，邊界面始終包含屈服面，塑性模量由這兩個面的尺寸和相互關系確定。文獻[4］基于ABAQUS二次開發(fā)子程序平臺，采用該材料模型，對單面加勁剪切阻尼器進行數(shù)值模擬，能取得較合理的計算結果。圖5為文獻[5］中采用該模型進行數(shù)值模擬的結果與試驗結果對比。

圖4 Bouc-Wen模型與試驗數(shù)據(jù)對比

4 性能影響因素

鋼板剪切阻尼器的工作性能與許多因素有關，下文將根據(jù)所查閱的文獻分析主要影響因素。

4.1 腹板柔細比

剪切鋼板阻尼器通過腹板耗能，因此腹板柔細比是極為重要的控制參數(shù)。過大的柔細比會使腹板易于出現(xiàn)平面外屈曲，同時，采用較大柔細比時，為防止局部屈曲，腹板上勢必增設大量加勁肋這也會提高生產成本。文獻[6］中提到相比矩形加勁阻尼器，使用較小柔細比無加勁的阻尼器具有更好的工作性能。然而過小的柔細比在提高腹板本身變形耗能能力的同時會使腹板剛度過大，在循環(huán)荷載作用下易使腹板與翼緣或端板的焊縫等薄弱處先于腹板破壞，進而影響阻尼器整體性能。一般腹板柔細比見下式計算:

其中，W為腹板高度;t為腹板厚度;v為鋼材泊松比;τy為剪切屈服強度;k為屈曲系數(shù);E為彈性模量;nL為沿剪切方向加勁肋數(shù)目;αs為子剪切板形狀系數(shù)，當加勁肋均勻布置時，可取腹板寬厚比。

文獻[2］研究發(fā)現(xiàn)當腹板高度與厚度之比小于40時，具有較好的滯回特性;文獻[4］根據(jù)數(shù)值計算結果建議柔細比取0.2～0.5 之間。

4.2 翼緣腹板板厚比

翼緣為腹板提供約束，限制腹板在剪力作用下產生轉動，對阻止腹板屈曲具有較大作用。

文獻[3］采用兩種方鋼管截面(100 mm×100 mm×4 mm與120 mm ×120 mm ×5 mm)與三種鋼板(2 mm，3 mm，4 mm)分別制成了6種方形剪切鋼板阻尼器，構造見圖1。通過試驗發(fā)現(xiàn):腹板厚度采用3 mm，4 mm的阻尼器耗能性能較差，單調加載試驗中，阻尼器剪力未超過理論屈服剪力值;循環(huán)加載試驗中，滯回曲線出現(xiàn)捏合現(xiàn)象。導致這一現(xiàn)象發(fā)生的原因在于過小板厚比，使腹板平面內抗剪剛度相對較大，同時方鋼管存在初始變形，致使腹板周圍的方形鋼管出現(xiàn)局部屈曲，進而導致阻尼器工作性能降低。文獻[4］建議板厚比不宜小于2。

4.3 加勁肋設置

在腹板上設置加勁肋可以為腹板提供有效約束，提高腹板的塑性變形能力，增強阻尼器延性。當橫縱向加勁肋等距布置且數(shù)量各不超過3條時，文獻[4］通過加勁肋相對剛度比γs/γ*s來描述加勁肋的布置情況:

其中，Is為加勁肋慣性矩;Dw為單位寬度板的彎曲剛度;α為腹板寬厚比，其余系數(shù)同式(3)，式(4)。通過數(shù)值分析計算發(fā)現(xiàn):適當?shù)牟贾眉觿爬呖梢杂行У乇苊飧拱鍙姸韧嘶?。文獻[2］中通過對比不同加勁肋布置形式的循環(huán)加荷試驗結果也驗證了設置加勁肋可以組織阻尼器滯回曲線捏合現(xiàn)象的發(fā)生，提高其承載力。

4.4 連接方式

剪切鋼板阻尼器中的翼緣板，腹板和加勁肋一般采用焊縫連接。不過卻會產生焊接應力和變形。文獻[7］中建立了考慮焊接殘余應力的ANSYS模型，通過計算發(fā)現(xiàn)殘余應力會降低阻尼器的彈性剛度，如圖6所示。

圖5 修正雙屈服面模型與試驗數(shù)據(jù)對比

圖6 殘余應力對阻尼器力學性能影響

為此，學界設計出采用機械連接方式的阻尼器，以改善這種情況。文獻[1］中對采用螺栓+摩擦材料連接的剪切鋼板阻尼器進行了對比試驗，得出采用機械形式連接的阻尼器可以有效避免焊縫應力對阻尼器造成的不利影響。

5 結語

通過上文的分析，可以得到如下結論與建議:

1)剪切鋼板阻尼器是一種構造簡單，原理明確，造價經濟，耗能能力優(yōu)秀的耗能減震構件。

2)采用低屈服點鋼作為剪切鋼板阻尼器的材料可以較好地發(fā)揮阻尼器的滯回特性。

3)耗能腹板是剪切鋼板阻尼器的核心工作構件，腹板柔細比對阻尼器整體性能影響較大;通過對腹板加強約束，減少初始殘余應力可以有效提高阻尼器性能。

4)對于焊接連接的剪切鋼板阻尼器，腹板角部的應力集中現(xiàn)象會導致焊縫開裂，使阻尼器提前退出工作。如何解決角部應力集中問題，還有待研究。

5)采用不同強度材料復合組成的阻尼器的力學性能以及與結構的協(xié)同作用能力值得進一步研究。

6)阻尼器存在的初始變形會導致在工作中容易產生屈曲，因此考慮初始缺陷的精確本構關系有待探討。

雖然在科研上仍然有很多值得探究的課題，但隨著科學和經濟水平的提高，剪切鋼板阻尼器勢必將在未來的抗震領域得到廣泛應用。

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