鄭人逢，宮必寧

(1.河海大學河海大學公共實驗平臺中心，江蘇南京210098;2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098)

自20世紀70年代 Kelly［1］和 Skinner［2］等提出利用外加耗能裝置耗散結構振動能量的設想以來，耗能減震技術逐漸得到工程應用且優(yōu)勢逐漸顯現，研制和開發(fā)簡便實用的新型消能減震裝置已成為滿足工程需要的必然趨勢。鉛阻尼器是一種具有構造簡單、性能穩(wěn)定和無需維護等優(yōu)點的消能減震裝置，因此得到工程界廣泛認可。

鉛阻尼器屬于金屬屈服阻尼器，其阻尼材料是金屬鉛，鉛的結晶構造是面芯立方體，塑性變形能力好，在室溫條件下可變形并會發(fā)生動態(tài)回復和動態(tài)再結晶，通過回復和再結晶，應變硬化將消失，鉛的組織和性能將恢復至變形前的狀態(tài)，因此不會產生殘余應力，所以理論上鉛是一種在室溫下做塑性循環(huán)時不會發(fā)生累計疲勞現象的普通金屬［3］。Robinson和Greenbank［4］較早地研發(fā)了一種使鉛反復通過孔口產生塑性變形來耗能的鉛阻尼器，并驗證了這種鉛阻尼器良好的耗能性能。其后Monti和Robinson［5］研發(fā)了基于鉛剪切變形來達到耗能目的的剪切型鉛阻尼器。國內的楊軍等［6－7］提出的一種鉛擠壓阻尼器，可作為工程結構風振和抗震結構的消能裝置。閆偉明、彭凌云等［8－10］研制的一種鉛剪切型阻尼器，試驗研究表明，次阻尼器的滯回性能穩(wěn)定，耗能效果好，且制作簡單。該阻尼器已被成功應用于某火電廠等［11］工程實踐中。此外國內還有利用鉛與其他材料結合制成的復合型阻尼器［12－14］。目前研究開發(fā)的鉛阻尼器類型主要有:(1)鉛擠壓阻尼器，(2)鉛剪切阻尼器，(3)鉛節(jié)點阻尼器，(4)圓柱形鉛阻尼器，異型鉛阻尼器等［15］，其中前兩種雖已在工程中得到較廣泛應用，但不同的結構形式和部位，需要的阻尼器形狀和構造就存在不同程度的差異，例如，常見的板式鉛阻尼器、壓擠式鉛阻尼器的安裝形式均為斜撐安裝，轉動式鉛阻尼器則應用于節(jié)點轉角處。

基于以上問題，本文針對水工建筑物中常見的排架結構體系在地震作用下易產生動力放大現象，為了合理有效的耗散地震能量，最終確保結構體系的安全，研制了一種鉛剪切阻尼器。該鉛阻尼器以剪切作用為主，擠壓作用為輔，采用K字型安裝于梁與支撐節(jié)點處，另外該鉛阻尼器同時具有初始剛度大及屈服后具備良好變形能力兩個特點，該類安裝形式可以豐富鉛阻尼器在工程中的使用范圍。

1 鉛剪切阻尼器的構造

設計的剪切型鉛阻尼器以剪切作用為主，擠壓作用為輔，采用K字型安裝于梁與支撐節(jié)點處，如圖1所示。

圖1 阻尼器構造圖

安裝與構造說明:鉛阻尼器通過連接鋼板及固定螺栓與排架梁連接，剛支撐通過剛性節(jié)點與阻尼器下部鋼殼剛性連接成整體。在正常使用狀態(tài)下整個耗能體系不發(fā)揮作用，只有在水平動荷載作用下，結構受到側向作用，阻尼器才通過塑性變形來消耗能量。安裝過程中，為保證支撐結構的剛度，剛性支撐由型鋼制成，與阻尼器外殼剛性焊接。當阻尼器受往復剪切荷載時，外部鋼殼包裹固定內部鉛塊，阻尼器外部鋼套需對阻尼材料提供足夠的剛度及強度。因此，固外部鋼殼采用強度為400 MPa以上的高強鋼制成。圖1中封閉橡膠墊可以起到隔離鉛塊和外部空氣的作用，保證內部鉛塊及鋼殼不受空氣氧化及侵蝕。上部鋼套與排架梁采用鋼板連接，將阻尼器焊接在鋼板上，并用高強抗剪螺栓與梁中預埋件固定。

2 試驗研究

2.1 試驗概況

由于本文設計的剪切型鉛阻尼器以剪切作用為主，擠壓作用為輔，因此從抓住事物主要矛盾入手，本次試驗主要針對阻尼器中核心部件鉛芯部分進行試驗研究，得出鉛芯在受剪狀態(tài)的受力性能，為其進一步應用打下基礎。

2.1.1 試驗樣品設計

模型由外部夾具及內部阻尼器鉛芯組成，如圖2所示。為了保證在加載過程中側向具有足夠剛度，在兩側構件上均焊接兩塊3 cm厚抗側鋼板。阻尼器內部鉛芯結構如圖3所示，其中H為受剪區(qū)厚度，兩側鋼殼采用 Q420制成，鋼殼內腔灌入99.99%高純度鉛作為阻尼材料。每完成一組試驗，僅需更換內部阻尼器模型。各型號阻尼器主要設計參數如表1所示，表中剪切截面形式如圖4所示。

圖2 整體模型拼裝圖

圖3 阻尼器鉛芯圖

圖4 有效剪切截面圖(單位:mm)

根據試驗研究目的，試驗共制作6個型號的阻尼器模型，為便于研究阻尼器各性能參數，本文將各阻尼器型號進行如下命名:

表1 各型號阻尼器模型主要尺寸參數

2.1.2 加載方案

本次試驗選用鋸齒波，采用位移控制模式進行低周往復加載，試件加載圖受力簡圖如圖5、圖6所示。

圖5 試驗加載圖

為探究阻尼器工作性能與有效剪切面積、受剪區(qū)厚度、振動頻率、振動幅值、有效剪切面形式、加載次數等控制因素之間的關系。本試驗的加載工況按照以下原則:(1)針對各個控制因素對阻尼器工作性能的影響關系安排工況，如有效剪切面積、受剪區(qū)厚度等;(2)各個影響因素要求多個比較組，進而降低因模型加工誤差、瑕疵、接觸不嚴密等客觀原因對試驗結論的影響;(3)結合試驗加載設備實際輸出功率，合理安排加載工況，使各工況實際輸出功率為設備穩(wěn)定工作段，確保試驗數據真實可靠。根據以上原則，設計各阻尼器加載工況如表2所示。

圖6 阻尼器受力簡圖

表2 試驗工況表

2.2 試驗結果與分析

本次分析將同一型號阻尼器所有加載數據繪制于同一圖中，以研究阻尼器工作性態(tài)規(guī)律。各型號阻尼器全工況加載的力—位移滯回曲線見圖7～圖12，阻尼器鉛芯變形見圖13。

圖7 QZN－34A－10(A1)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖8 QZN－34B－10(B1)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖9 QZN－25C－10(C1)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖10 QZN－34A－5(A2)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖11 QZN－34B－5(B2)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖12 QZN－25C－5(C2)型阻尼器力—位移滯回曲線

圖13 阻尼器鉛芯變形圖

根據以上各型號阻尼器加載滯回曲線，對其工作性能分析如下:

(1)阻尼器的力—位移滯回曲線的面積和飽滿程度決定了阻尼器的耗能能力，滯回面積越大、越飽滿，其耗能性能越強，附加給結構的等效阻尼比越大。從各型號阻尼器試驗結果可知，阻尼器在循環(huán)加載下具有較好的塑性延展性，其力—位移滯回曲線隨著加載工況的改變，表現出較好的循跡性，滯回曲線較為飽滿，證明該類型阻尼器耗能性能良好。

(2)從上述各圖中還能發(fā)現，幾乎所有工況在力為0 kN時均發(fā)生不同程度的滑移現象。當阻尼器受力方向發(fā)生改變的瞬間(由拉力變?yōu)閴毫蛴蓧毫ψ優(yōu)槔?，阻尼器的剪切位移發(fā)生大約1.5 mm左右的劇烈變化，而此時阻尼器受力為0 kN，最終在水平軸上出現一段斜率為0的水平線。文獻［16］研究表明，99.99%純金屬鉛在自然澆筑過程中，由于鉛材料與其他材料的收縮系數存在差異，液態(tài)鉛在凝固過程中的內外溫差，以及鉛金屬在受壓變形時本身具有一定壓縮性，使鉛阻尼器難以做到完全密實，易產生不可避免的間隙。在阻尼力相同時，滑移現象間接增加了阻尼器的工作位移，降低阻尼器的等效剛度。而該現象很大程度上取決于模型的加工工藝，存在一定偶然性，因而通過加工、灌注工藝可減小滑移影響。

(3)圖8中，受拉及受壓的塑性剛度延展段，均出現了曲線波動現象，而非象圖7中呈光滑直線發(fā)展。結合試驗現象，原因為個別阻尼器與夾具之間拼裝不夠嚴密，產生階段性摩擦力，在加載過程中逐步發(fā)生釋放，該現象在圖11 B2型阻尼器表現最為明顯。B2型阻尼器小位移加載時，滯回曲線發(fā)展趨勢較好。當加載位移增加，阻尼力大于阻尼器與夾具間的最大靜摩擦力，因此表現出塑性剛度發(fā)展過程中，顯著的水平發(fā)展曲線。

(4)從圖13(a)可知，阻尼器在加載過程中整體形態(tài)保持良好，未出現連接件間的相互碰撞，說明整個動態(tài)加載過程中荷載完全由阻尼器承當，符合試驗設計基本原則。從圖13(b)可知，鉛塊表面出現沿斜45度的平行剪切線，說明阻尼器剪切變形明顯。

上述分析表明:鉛阻尼器在循環(huán)加載試驗過程中表現出較好的耗能性能及工作穩(wěn)定性能，為更具針對性地探究各控制因素對阻尼器工作性能的影響，以下分析過程均不考慮滑移現象對試驗結果的影響。

2.2.1 加載位移分析

根據以上各型號阻尼器全工況滯回曲線圖7～圖12可知，隨著加載位移的增加，各型號阻尼器的滯回曲線均發(fā)生顯著變化，滯回更加飽滿、耗能面積明顯增加。以QZN－34A－10型阻尼器全工況滯回曲線為例，結合圖14、表3對該類阻尼器加載位移進行分析，圖14中a段為滑移段，分析時不予考慮。圖14中B1至B3段為A1型阻尼器的骨架曲線。定義以下三個階段進行分析:

圖14 QZN－34A－10型阻尼器力—位移滯回曲線

(1)彈性階段(B1段):該階段阻尼器加載位移大概在2.7 mm。力—位移曲線斜率較大，表明該階段阻尼器初始剛度較大。滯回曲線呈“細長型”，滯回面積較小;與阻尼器彈性階段相對應的是結構在小震或中震作用時的響應特點，雖然該階段阻尼器耗能作用并不明顯，但較大的附加剛度可增加主體結構的整體剛度，有效減少結構最大位移響應。

表3 A1型阻尼器各工況塑性剛度

(2)塑性階段(B2段):該階段阻尼器加載位移約3 mm～13.4 mm。該階段阻尼器表現出較好的塑性延展性，剛度較第一階段降低。由表3可知，工況2、工況3處于該階段內，隨著加載位移變大阻尼力呈增加趨勢，且二者塑性剛度仍相等。此外該階段阻尼器力～位移曲線斜率與骨架曲線斜率相等，說明該階段阻尼器耗能性能最佳，阻尼器工作性能較為穩(wěn)定。與阻尼器塑性階段相對應的是結構在大震或特大地震作用下的響應特點，此時阻尼器滯回曲線由“細長型”向“平行四邊形”發(fā)展，耗能面積迅速增加，阻尼器的等效阻尼比變大，較強的耗能能力能有效消耗地震傳遞給主體結構的能量，保證結構處于安全使用范圍。

(3)破壞階段(B3段):該階段阻尼器加載位移大于13.4 mm。雖然加載位移進一步增加，但最大阻尼力已經出現緩慢下降趨勢，由表3看出，該階段內隨著加載位移增加阻尼器塑性剛度開始降低，骨架曲線斜率小于零，說明阻尼器內部結構已經發(fā)生破壞不易繼續(xù)使用。因此，阻尼器在主體結構工作的整個過程中，應避免阻尼器處于破壞階段，保證結構處于前兩階段。據此，本文定義該類型阻尼器破壞位移為屈服位移的4.8倍，即阻尼器的設計最大工作位移為:

式中:Smax設計最大工作位移;Sa屈服位移。

2.2.2 加載頻率分析

如圖14所示，在表2中工況7～工況9分別加載頻率 0.2 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz，加載位移均為 10 mm，但由于伺服作動器在高頻作用下，受輸出功率所限，其加載幅值并未達到計劃加載位移10 mm，頻率越高，相差越遠。

如圖15所示，工況7最大位移達到9.3 mm，而工況9在1.0 Hz的加載頻率下，最大位移僅為7 mm。但從圖15中各工況滯回環(huán)特點可以看出，在不同的加載頻率下，各工況滯回曲線發(fā)展趨勢保持相同，各工況在位移相等時，阻尼力及剛度均保持較高的一致性。比較工況9、工況8、工況7滯回環(huán)特性，可見工況8及工況7分別沿著工況9及工況8的滯回環(huán)繼續(xù)拉升、放大，表現較好的循跡性，且滯回曲線的發(fā)展趨勢和骨架曲線重合。由此可知，鉛阻尼器的耗能性能與加載頻率關系較小，即在低頻及安全加載振幅下，鉛阻尼器受加載速度影響較小。

2.2.3 循環(huán)加載次數

不同加載次數比較如圖16所示，圖中為工況14、工況15滯回曲線圖，工況14、工況15分別為QZN－34A－5型阻尼器由平衡位置開始做5次和10次循環(huán)加載。

圖15 QZN－34B－10型阻尼器各工況力—位移滯回曲線

圖16 工況14、工況15滯回曲線比較圖

從圖16可知，阻尼器在初始循環(huán)荷載內由于模型內部材料密實度及加工工藝等原因，表現出一定的離散性。從第三次加載循環(huán)開始，阻尼器內部材料及間隙已被壓實，阻尼器的工作性能趨于穩(wěn)定。首先是各工況自身的滯回環(huán)吻合度較高，其次兩工況滯回環(huán)也具有一致的發(fā)展規(guī)律。由此說明，阻尼器在安全加載狀態(tài)，加載次數對阻尼器的耗能性能影響較小。

2.2.4 阻尼器有效剪切面積

圖17為QZN－34A－5(A2型)型和QZN－25C－5(C2型)型阻尼器各工況滯回曲線對比圖。

圖17 A2型、C2型阻尼器部分工況滯回曲線對比

由工況表2知，A2型和C2型阻尼器具有相同的加載參數，區(qū)別在于前者有效剪切面積為34 cm2而后者為25 cm。比較圖17中兩阻尼器各工況滯回曲線可知:前者屈服阻尼力為24 kN、后者為20 kN，而二者的屈服位移均為4.3 mm，A2型具有更大的初始剛度。當加載位移增加時，由于A2型具有較大的滯回面積，同時具有更大的塑性剛度及阻尼力。比較對應特征數據可知，A2型與C2型剪切面積比值為1.36，而對應屈服力比值為1.2，在加載位移為10 mm時二者阻尼力之比為1.28。由此可見，有效剪切面積對阻尼器的剛度、阻尼力等力學參數有著重要影響，面積越大，相應的剛度及阻尼力均會增加，但其增加的幅度并不與剪切面積成正比。

2.2.5 阻尼器受剪區(qū)厚度

試驗中QZN－25C－10(C1型)與QZN－25C－5(C2型)阻尼器區(qū)別在于前者的受剪區(qū)厚度為10 mm，后者為5 mm。如圖18所示，對比二者對應工況滯回曲線做出如下分析:

圖18 C1型、C2型阻尼器部分工況滯回曲線對比

工況11、及工況23均為5 mm、0.2 Hz加載，兩阻尼器均未表現出塑性性能，主要表現為小位移作用下的初始變形，經計算，C1型初始剛度KC1=8.0 kN/mm，略小于 C2型初始剛度 KC2=8.9 kN/mm。原因在于二者剪切面積相同，但C2型的受剪區(qū)厚度較小，在加載位移相同時，具有更大的剪切變形角，因此表現出更大的阻尼力。圖18(a)中C1型、C2型各工況滯回曲線圖，兩個阻尼器在大位移工作區(qū)域，塑性延展性都較好，滯回飽滿，且對應工況滯回環(huán)吻合度較高。受剪區(qū)厚度越小，對應的初始剛度越大。

2.2.6 阻尼器剪切截面形式

試驗中QZN－34A－5(A2型)與QZN－34B－5(B2型)阻尼器區(qū)別在于有效剪切面截面形式，前者為橢圓，后者為長方形。

如圖19所示，比較兩個典型加載位移5 mm及10 mm的滯回曲線圖可知，無論在小位移還是大位移作用下，兩阻尼器均表現出相吻合的初始剛度及塑性延展特性，甚至具有相似的離散性。圖19中塑性發(fā)展中段二者表現出的偏差，是由不同型號阻尼器與夾具之間的摩擦力造成的，從圖中可看出，A2型阻尼器加工工藝好于B2型阻尼器。

2.3 試驗結論

根據以上各型號阻尼器試驗現象及成果分析，本文所研究阻尼器符合如圖20雙線性力學模型。圖20中，K1為初始剛度、K2為塑性剛度、Sa為屈服位移、Fa為屈服力。以上六個型號阻尼器相關力學參數計算見表4。

圖19 A2型、B2型阻尼器部分對比工況滯回曲線

圖20 阻尼器力學模型

表4 各型號阻尼器力學參數表

3 結論

通過對設計的鉛剪切阻尼器進行低周往復加載試驗研究得出如下結論:該類阻尼器為典型位移型阻尼器，加載位移很大程度上決定了阻尼器的耗能性能;阻尼器的屈服力及初始剛度隨著剪切面積的增加而增加，初始剛度隨著受剪區(qū)厚度的增加而降低，在破壞位移內進行低頻加載，加載頻率、次數的影響較小。此外還提出了該阻尼器的最大設計位移公式。該阻尼器滯回曲線比較飽滿，呈平行四邊形向側延伸，具有小位移、大剛度的力學特征。并根據其恢復力曲線，確定了該類阻尼器的雙線性力學模型。

［1］Kelly J M，Skinner R J，Heine A J.Mechanisms of energy absorption in special devices for use in earthquake resistant structures［J］.Bulletin of New Zealand Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63-88.

［2］Skinner R J，Kelly J M，Heine A J.Hysteresis dampers for earthquake-resistant structures［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1974，3(3):287-296.

［3］Monti M D，Shaw I R，Ferguson W G，et al.High strain shear of lead［C］//The Minerals Metals MYM Materials Society，Modeling the Mechanical Response of Structural Materials，1998:63-69.

［4］Robinson W H，Greenbank L R.An extrusion energy absorber suitable for the protection of structures during an earthquake［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1976，4(3):251-259.

［5］Monti M D，Robinson W H.A lead shear damper suitable for reducing the motion induced by wind and earthquake［C］//Proc.11th WCEE，Acapuloo，Mexico，1996，271:23-28.

［6］楊 軍，李 黎，唐家祥，等.鉛擠壓阻尼器的試驗研究［J］.工程抗震與加固改造，2005，27(5):71-73.

［7］楊 軍.用于建筑結構減震的鉛擠壓阻尼器的應用研究［J］.建筑技術開發(fā)，2001，28(4):22-23.

［8］姚 義.新型鉛剪切阻尼器及其工程應用研究［D］.北京:北京工業(yè)大學，2007.

［9］劉 猛.新型鉛阻尼器與預應力裝配式框架節(jié)點抗震性能研究［D］.北京:北京工業(yè)大學，2008.

［10］彭凌云.地震動隨機模型及結構響應控制［D］.北京:北京工業(yè)大學，2008.

［11］閆偉明，張春科，彭凌云，等.一種剪切型鉛阻尼器及其在某火電廠房中的應用［J］.工業(yè)建筑，2008，38(7):41-44.

［12］程文 ，李愛群.工程結構鉛銷粘彈性阻尼器:中國，專利號:00112125.1［P］.公開日:2000－08－30.

［13］遲 鈍.橡膠－鉛網復合阻尼器:中國，專利號:02200913.2［P］.公開日:2003.2.12.

［14］曹萬林，盧智成.鉛－席基－軟鋼復合阻尼器:中國，專利號:200510077232.8［P］.公開日:2005.11.9.

［15］周 云，周福林，鄧雪松.鉛阻尼器的研究與應用［J］.世界地震工程，1999，15(1):53-61.

［16］Rodgers G W，Chase J G，Mander J B，et al.Experimental development and analysis of a high force/volume extrusion damper［C］//NZSEE Conference，2006:42-49.