楊明飛+徐趙東

摘 要：能量耗散是減少建筑結構或構件在地震中損傷和破壞的關鍵，應用金屬阻尼器是耗散地震能量的重要手段之一。金屬阻尼器主要是利用金屬進入彈塑性屈服狀態(tài)產生滯回進行耗能，具有造價低廉，耗能能力穩(wěn)定的優(yōu)點。 在重點介紹目前幾種被廣泛應用的金屬阻尼器的基礎上，闡述了其工作原理、構造要求和工程應用情況。其中，對鉛擠壓阻尼進行了設計和制作，并對其進行了力學性能測試，測試結果顯示：鉛擠壓阻尼器力-位移曲線接近矩形，符合“庫倫摩擦”的特點；力-速度曲線接近雙“S”形，阻尼器耗能能力較強且性能穩(wěn)定。最后，提出今后金屬阻尼器的發(fā)展方向和需要進一步解決的問題。

關鍵詞：能量耗散；金屬阻尼器；彈塑性屈服；滯回特性；工作原理

中圖分類號：TU352.1 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2014）03-0001-05

近年來，國內外在工程結構的隔震、減振與振動控制方面進行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。傳統(tǒng)的建筑抗震結構體系是通過提高結構本身的性能，例如加大構件截面尺寸或者采用更高強度的材料來抵御地震作用。但是，由于人們不能準確地預知將來可能遇到的地震作用的大小及特性，而按傳統(tǒng)方法設計的建筑結構又不具備對外荷載進行自我調節(jié)的能力，因此，按常規(guī)的設防烈度來進行設計，一旦遇到超出設防烈度的強烈地震，建筑結構的安全性將無法得到保障。文獻[1]提出了結構振動控制的概念，即通過在工程結構的特定部位裝設某種裝置、機構或某種施加外力的設備，改變或調整結構的動力特性，從而合理控制結構在動力荷載作用下的響應（如位移、速度、應變或者加速度等）。結構控制的提出和發(fā)展無疑給現代建筑抗震設計帶來了根本性的變化，土木工程振動控制的研究和應用從上世紀開始，至今已有近60多年的歷史，各種振動控制的新方法、新形式不斷涌現。

由于金屬在進入塑性狀態(tài)后具有良好的滯回特性，并在彈塑性滯回變形過程中能吸收大量能量，因而被用來制造不同類型和構造的耗能減震器。目前比較常用的包括金屬軟鋼阻尼器、加勁鋼板阻尼器、剪切鋼板阻尼器、全鋼防屈曲支撐和鉛擠壓阻尼器等。文獻[2-3]認為軟鋼阻尼器耗能減震的優(yōu)勢：由于軟鋼阻尼器的存在，結構的剛度增加，導致結構的變形降低。尤其在強震的作用下，軟鋼阻尼器充分發(fā)揮其耗能大的優(yōu)勢，減少了地震對結構的破壞作用；文獻[4]設計制作了X型加勁阻尼器，通過數值分析和試驗研究，結果表明X型加勁阻尼器能有效提高結構的剛度，增加結構的耗能能力；文獻[5]115對鉛擠壓阻尼器進行了試驗研究和數值分析，將鉛擠壓阻尼器加入到框架剪力墻結構中，采用遺傳算法對其進行位置優(yōu)化并對優(yōu)化和未優(yōu)化布置阻尼器的減震效果進行分析，結果表明鉛擠壓阻尼器能夠有效降低剪力墻結構的地震響應；文獻[6]提出一種新型的剪切型鉛阻尼器，該裝置中鉛塊直接嵌于滑動鋼板與固定鋼板的凹槽之間，構造簡單。同時基于性能試驗和有限元分析對該裝置的滯回性能及關鍵參數進行了研究，研究結果表明，該阻尼器的滯回性能可靠，適合工程結構隔減震應用。

本文對各種金屬阻尼器的性能和應用情況進行分析總結，指出各種金屬阻尼器的優(yōu)缺點，同時提出該類阻尼器今后的發(fā)展方向和需要解決的問題。

1 軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器是利用鋼材的塑性變形吸收地震能量。其基本形式包括碟型軟鋼阻尼器和U型軟鋼阻尼器等（見圖1）。該類型阻尼器的特點是具有穩(wěn)定的能量吸收能力，能夠限制結構的水平位移，可以用于抵抗風荷載和地震荷載作用。

（a）蝶型軟鋼阻尼器 （b）U型軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器設置在基礎與上部結構之間，一般與隔震墊配合使用。碟型軟鋼阻尼器由日本開發(fā)，它是利用4根螺旋狀的鋼材組合在一起形成的（見圖1a）。這樣，使得阻尼器在加力方向上的阻力以及能量吸收能力的方向性得到減小。鋼棒的端部經鍛造成形，直接用螺栓連接在連接板上。鋼棒和連接板的連接方法，分為能自由轉動的鉸接法和約束轉動的連接法。阻尼器的約束方式一般分為兩種，一種是一端采用鉸接，另一端采用約束轉動的連接法；還有一種是兩端都采用約束轉動的連接法，通過鋼棒直徑、環(huán)半徑和連接部約束條件可以生產出不同型號的環(huán)狀鋼棒阻尼器。對于U型軟鋼阻尼器（見圖1b）。其能量吸收能力主要與4個環(huán)形鋼棒有關。環(huán)的內直徑相同時，鋼棒越粗屈服力越高，阻尼器的耗能能力越強。另外，鋼棒直徑相同時，環(huán)的內直徑越大屈服力越低，阻尼器的耗能能力越弱，這是因為環(huán)的內直徑增大后阻尼器的屈服力雖然減小了，但到發(fā)生破斷為止的反復循環(huán)次數增加而引起的。

2004年，文獻[7]對建造在野外的三層框架結構進行了加與未加軟鋼阻尼器情況下的擬動力試驗測試，試驗選擇了4條地震波，測試結果顯示軟鋼阻尼器具有明顯的減震效果。接著，2010年，文獻[8]對裝有軟鋼阻尼器的框架結構進行了振動臺試驗與分析，同時采用有限元方法對振動臺的試驗進行了數值驗證，兩種結果均表明軟鋼阻尼器對結構的位移反應具有較好的控制效果，實現了小震提供剛度，大震耗能的設計思想。試驗的模型如圖2所示。

（a）未加軟鋼阻尼器 （b）加入軟鋼阻尼器

軟鋼阻尼器的振動臺試驗可以直觀再現阻尼器安裝前后結構的振動反應和破壞形態(tài)，為軟鋼阻尼器的工程應用奠定了基礎。雖然軟鋼阻尼器造價低廉，耗能能力強，但是缺點是阻尼器須定期檢測維修。

2 加勁鋼板阻尼器

加勁阻尼器耗能裝置是由多塊互相平行的鋼板組成，其中鋼板之間加設定位裝置。按鋼板的形狀不同，分為矩形、X形、三角形、開孔形等加勁鋼板阻尼器。典型的加勁鋼板阻尼器如圖3所示。

文獻[9]對圖3所示的X形加勁鋼板阻尼器進行了設計和試驗研究，確定了阻尼器的等效剛度和阻尼，為其力學模型的建立提供了依據。研究過程中還發(fā)現通過改變鋼板的幾何形狀會降低阻尼器的應力集中現象，因此為了避免這種現象的發(fā)生，提出了開孔形加勁鋼板阻尼器。文獻[10]提出了一種利用鋼板平面內受力屈服耗能的開孔形阻尼器，并對其進行有限元分析，計算結果表明這種類型的阻尼器初始剛度仍然較大，滯回曲線飽滿、耗能效果較好。同時提出以雙線性恢復力模型對開孔形加勁阻尼器進行簡化，在此基礎之上對加與未加開孔形阻尼器的框架結構進行地震作用下動力有限元計算，從加速度和位移兩個方面進行比較，表明加勁鋼板阻尼器開孔之后仍然具有良好的減震效果。但是該類型的阻尼器由于多塊鋼板需要并聯，對中間固定裝置要求較高，加工需要注意精度。endprint

3 剪切鋼板阻尼器

剪切鋼板阻尼器是利用鋼板平面內產生剪切彈塑性變形以達到消能減震的目的，具有初始剛度大、滯回耗能穩(wěn)定等優(yōu)點。阻尼器的基本構造由腹板、左右側翼緣和上下端連接板組成（見圖4）。其中，腹板是剪切鋼板阻尼器的主要耗能構件，翼緣對腹板的變形起約束作用，同時抑制腹板發(fā)生轉動。

剪切鋼板阻尼器耗能機理：阻尼器上下端鋼板通過支撐固定在結構的內部，地震產生水平方向的力可以通過中間鋼板的剪切變形而減弱。由于鋼板的剛度較大，在遭遇小震或者小風的情況下，阻尼器提供較大的初始剛度，減小主體結構的變形；當遭遇大震情況時，內部鋼板通過塑性變形耗散地震能量，降低結構地震反應。2008年，文獻[11]對剪切鋼板阻尼器的滯回性能參數進行了研究，研究表明該類型阻尼器滯回耗能穩(wěn)定，各滯回參數容易確定。2012年，文獻[12]對國內外剪切鋼板阻尼器進行了綜述，概括了腹板寬厚比、腹板削弱情況和翼緣形狀等對阻尼器耗能能力及限制腹板發(fā)生平面外失穩(wěn)能力的影響，同時分析了目前應用該類型阻尼器遇到的問題，提出了建議和意見。

4 鉛擠壓阻尼器

1976年，文獻[13]根據鉛受擠壓產生塑性變形消耗能量的原理制作完成了鉛擠壓阻尼器。該類型的阻尼器共有兩種基本形式：即收縮管型和凸軸型。收縮管型鉛擠壓阻尼器由厚壁鋼管、帶兩活塞的中心軸及純度達9999%鉛組成。當外壁鋼管和中心軸產生相對運動時，鉛被擠壓通過收縮段發(fā)生塑性變形，從而耗散能量；凸軸型鉛擠壓阻尼器的中心軸上有一個凸起，同收縮型阻尼器的原理類似，當外壁鋼管和中心軸發(fā)生相對運動時，鉛被擠壓通過凸起段從而使鉛發(fā)生塑性變形而耗能。

鉛擠壓阻尼器的特點：

1） 優(yōu)秀的耗能能力，滯回曲線飽滿；

2） 構造簡單，不易損壞；

3） 長期耗能能力穩(wěn)定。

文獻[5]117對凸軸型鉛擠壓阻尼器進行了試驗研究，試驗結果表明，鉛擠壓阻尼器的滯回曲線飽滿，耗能效率高且阻尼性能與加載頻率無關，工作性能穩(wěn)定。由于鉛擠壓阻尼器具有較大的初始剛度，可以保證結構在小震或者風荷載的作用下不發(fā)生較大的變形，保證了結構的舒適性。 在強震的作用下，鉛擠壓阻尼器進入工作狀態(tài)，依靠其穩(wěn)定的滯回性能消耗大部分地震能量，確保結構安全。2011年開始，作者設計制作了足尺的鉛擠壓阻尼器（見圖5），并對該阻尼器進行了試驗研究。其中，試驗設計與實物設計對比如圖6所示。試驗采用MTS測試系統(tǒng)，在進行阻尼器的性能試驗時，均采用正弦變化的輸入位移來控制作動器加載，試驗時的環(huán)境溫度為206 ℃。試驗加載控制和數據采集由同一臺計算機完成，分別考慮加載頻率01 Hz、02 Hz、05 Hz和07 Hz，同時控制位移分別為10 mm、15 mm、20 mm和25 mm，共16個工況，測試得到的鉛擠壓阻尼器滯回曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，鉛擠壓阻尼器的力-位移曲線接近矩形，符合“庫倫摩擦”阻尼器的特性；力-速度曲線接近雙“S”的形狀，同時隨著激勵頻率和位移幅值的增加，其單支曲線在低速區(qū)的斜率均降低。將鉛擠壓阻尼器加入大跨空間網殼結構當中，對加與未加鉛擠壓阻尼器的結構進行了數值分析，分析結果表明，鉛擠壓阻尼器減振系統(tǒng)對大跨網殼結構的減振效果明顯，尤其位移時程響應大大降低；鉛擠壓阻尼器的布置位置對減振效果有一定的影響，合理的布置位置能夠有效地提升大跨空間網殼結構的倒塌臨界荷載。

由于鉛的再結晶溫度低于室溫，因此鉛擠壓阻尼器的適應溫度范圍相當廣，實際上鉛是處于熱工作狀態(tài)，動態(tài)回復和再結晶同時發(fā)生。鉛擠壓阻尼器造價低廉，在地震的過程中，阻尼器不會產生剛度和強度的下降，震后無需修復和替換。但是鉛擠壓阻尼器最難解決的問題是，當溫度升高到一定程度時，擠壓力會產生出現一定的下降。5 結論

對于金屬阻尼器的研究已經取得了大量的成果，但是相對于日本、美國等對金屬類阻尼器的研究與應用相比，我國除臺灣已經有較多應用以外，大陸對該類型阻尼器的研發(fā)仍然欠缺，應用更是較少，因此需要加強金屬類阻尼器的自主研發(fā)能力。尤其是在今后的工作中仍需研究或者解決以下問題：

1） 金屬類阻尼器的研發(fā)應在保持其耗能能力的同時降低阻尼器的成本；

2） 對已經研發(fā)的金屬類阻尼器進行規(guī)范化，同時應具有自主知識產權；

3） 完善金屬類阻尼器的設計和施工規(guī)程，加快該類阻尼器的工程應用。

參考文獻：

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）endprint

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