新型蜂窝形软钢阻尼器的滞回分析及性能设计★

祁 烨，张 宇

(1.湖南城建职业技术学院,湖南 湘潭 411101; 2.广西大学土木建筑工程学院/广西大学工程防灾与结构安全教育部重点试验室/广西防灾减灾与工程安全重点试验室,广西 南宁 530004)

1 概述

目前工程抗震的主流思想之一是消能减震原理[1]，即在结构关键部位设置阻尼器，通过阻尼器的剪切、弯曲等不同程度的屈服作用，使结构产生耗散振动能量的往复应变，从而形成一个对大小地震不敏感的新的结构体系。阻尼器从材料角度大致可分为钢阻尼器、铅阻尼器、油阻尼器、SMA(智能材料)阻尼器等[2]。其中，用普通Q235钢制成的阻尼器由于其成本低廉、构造简单、易于施工、耐久性良好等优点而为人们所接受。

本文依据钢阻尼器的研究现状、优缺点，结合框架结构在地震作用下的效应，设计并改进了一种受力结构为正六边形的钢阻尼器，以变截面的方式迫使阻尼器的应力集中分布在预定的四个区域，且四个区域同时屈服以形成四边形几何可变体系。该阻尼器同时具备初始刚度大、初始屈服位移小、塑性区域分布均匀、塑性变形大、屈服后较稳定的特性和良好的耗能能力，为阻尼器的设计提供了新的思路。

2 结构设计

2.1 几种常见的软钢阻尼器

X形、三角形阻尼器由单个原型片并排组合至所需要的屈服刚度，如图1所示。该阻尼器采用剪切变形为主的方式迫使钢板屈服，从而耗散能量，优势在于等厚度处的钢板产生的塑性区域较均匀，便于充分利用材料和保证工作时的稳定性，但其初始刚度较小，无法承受结构产生的巨大水平力，在小震情况下便开始屈服。

单圆孔形、双X形阻尼器(如图2所示)的设计原理是通过地震作用循环往复改变几何形状迫使阻尼器在多点同时屈服。李钢等[3]研究表明，该阻尼器兼具初始刚度、塑性变形大及受力性能良好等优势。另外，采用拟静力往复加载的分析法，验证了该阻尼器的耗能性能，证明了该研究方法及加载方式的可靠性。本文便是采用拟静力往复加载的原型及模型进行数值分析。

剪切钢板阻尼器[4-5](SSPD)如图3所示，中间腹板为主要耗能构件，为防止面外失稳可在腹板设置加劲肋板[6]，其余部位主要提供约束和辅助耗能作用。这种阻尼器的滞回性能与腹板宽厚比关系密切，若加劲肋板布置不当也会导致该阻尼器性能不稳定。这种在几何形状上没有明显的过渡区域或者削弱的阻尼器，对腹板所有钢的型号也有一定要求。

周云等研究了一种圆环阻尼器(见图4)，这种阻尼器可以根据其独特的形状和轻巧的外形布置在X形、K形支撑上。在低周往复加载试验后表明，该阻尼器具有较强的变形能力，较好的耗能性和稳定性。但是，初始刚度低，承载能力不足成为了该阻尼器的重大缺点。在圆环中加入加劲弧板提高其刚度的同时，防止应力集中现象，王涛等[7]提出了局部削弱的圆环阻尼器，对阻尼器的初始刚度、屈服力和耗能性能均有较大提高。

2.2 新型阻尼器的设计

2.2.1 设计思路

软钢阻尼器的设计主要考虑：1)平面形状的简洁与合理性，其直接决定了塑性变形后的应力分布区域与均匀程度，合理地开洞将有利于人为控制屈服区域；2)方便制作、安装与更换[8]，阻尼器作为保护结构的牺牲品，过于烦琐将会导致成本的累加，不利于工程中的普遍应用。

需要设计一种低屈服点、耐用、耗能性能优异、便于大规模使用的阻尼器。通过分析框架结构在剪力下的破坏模式[9](见图5)，得出由平面内四个点位构成的单榀框架梁柱结构受到水平力后，由于中间没有任何支撑，将其能量转移到了框架梁的弯曲、剪切变形和节点处的屈曲变形。而对框架结构布置阻尼器的方式是在框架中加入支撑和阻尼器的组合，提高框架的初始刚度和抗震性能。

因此，受到梁柱结构抗水平力较差等特点的启发，将阻尼器布置为四个屈服区域，由这四个区域整体构成一个矩形形状，使其承担弯曲、剪切变形且同时屈服，另一方面还可提高阻尼器的有效屈服区域，从而提高耗能性。

在正六边形钢中心开圆形洞口形成四个主要屈服区域，如图6所示。圆弧形状本身便是一个均匀变化的过渡区域，有利于应力的均匀分布，可提高耗能性能和稳定性。另外，该阻尼器形状简洁明了，具有普遍应用的潜力。

2.2.2 设计原型

该阻尼器的原型设计主要考虑洞口大小、钢板厚度、若干个原型的组合(不同的约束情况)等方面，见图7。

2.2.3 阻尼器适用场景

布置形式根据阻尼器的屈服机理进行分类，剪切屈服阻尼器[10]主要产生平面内剪切变形并屈服，如剪切连接型、墙型、中间柱型等[11](见图8)。由于阻尼器与框架结构不等高，剪切连接型、中间柱型结构随着框架的剪切变形会产生Y向应力。

2.3 结构设计创新点

1)正六边形与圆形的巧妙组合既形成了四个屈服区域，而且内部逐渐过渡，有利于应力的均匀分布和耗能稳定性的提高。

2)阻尼器原型整体结构简洁，易于加工、安装，具有工程普遍应用的潜力。

3)该阻尼器的设计结合金属阻尼器局部开洞、局部削弱的原则，且打破了以开洞形态、尺寸优化等的研究范畴。

3 有限元分析

采用有限元软件ABAQUS对该阻尼器进行分析。加载梁设为刚体，阻尼器与加载梁接触设置为捆绑，与大地接触设置为固定端，往复位移荷载加于梁端参考点上。材料属性考虑几何非线性，并简化材料应力-应变曲线，如图9所示。

其中，钢材的弹性模量为2.1×105N/mm2，屈服强度为345 MPa，极限承载强度为450 MPa。大量震后研究分析，得出变形能力不足导致构件内部应力集中或出现塑性铰是建筑结构抗震性能较差的主要原因。因此，本文采用基于位移的滞回消能目标设计手段，以预期位移反应为基本设计要求，以阻尼器屈服区域的应力应变反应为数据分析指标，同时基于位移的方法也是性能设计的推广。位移加载幅值及频率如图9所示。

阻尼器原型以开洞大小和钢板厚度分为三组，如表1所示。其中，“x”为正六边形边长，“b”为圆形洞口直径，“f”为阻尼器钢板厚度。

表1 阻尼器原型尺寸表 mm

3.1 不同形状阻尼器原型的结果分析

3.1.1 第1组钢阻尼器

阻尼器原型第1组如图10所示，对其施加拟静力往复荷载进行滞回分析。结果表明，在初始刚度较大的情况下，阻尼器原型塑性变形较大、塑性区域呈现出均匀分布的趋势，圆形洞口随着位移的增加变为椭圆形状，整体形成以四个塑性铰为主的几何可变体系。该原型滞回曲线饱满且无明显捏缩现象，在往复位移为±50 mm的大变形下表现出较好的阻尼性质，符合预期设计目标。

3.1.2 第2组钢阻尼器

阻尼器原型第2组如图11所示。结果表明，其塑性变形较大但塑性屈服区域分布不均匀，且随着位移的增加并未出现四个明显的屈服区。滞回曲线仍比较饱满，原因是结构整体弯曲，表现形式为加载梁的相对转角。随着洞口减小，阻尼器呈现出不稳定性，需增加限制转角的约束或采用较大的洞口等方式分配刚度，从而减轻阻尼器对加载梁的负荷，有效地将应力集中在屈服区域。

3.1.3 第3组钢阻尼器

阻尼器原型第3组如图12所示。数值结果表明，在第1组基础上增加钢板厚度将提高阻尼器初始刚度，塑性区域较第1组更加集中、均匀。滞回曲线基本无捏缩现象，在大变形下表现出较好的阻尼性质。因此，提高钢板厚度且将洞口保持在一定尺寸有利于阻尼器初始刚度和工作稳定性。

3.2 不同原型组合阻尼器的结果分析

3.2.1 组合1(限制加载梁相对转动)

加载时加载梁会产生Y向相对位移和XY平面内相对转动。组合1将限制加载梁XY平面内相对转动，具体做法是将两片相同的原型在X方向上并排组合，以加载梁作为连接媒介和约束支座。阻尼器组合1加载情况如图13所示。结果表明，在初始刚度较大的情况下，阻尼器塑性变形较大且塑性屈服区域呈现出较均匀分布的变化趋势，原型2组合有少许应力传递至加载梁。该组合滞回曲线饱满且无明显的捏缩现象，在往复位移为±50 mm 的大变形屈服下表现出较好的阻尼性质，所以原型3阻尼器具有较好的耗能性能。

3.2.2 组合2(限制加载梁相对转动和Y向位移)

阻尼器组合2限制加载梁XY平面内相对转动和Y向相对位移，具体做法是将两片相同的原型在Y方向上并排组合，以加载圈梁和单根加载梁作为连接媒介和约束支座，连接方式如图14所示。

结果表明，初始刚度相对屈服后刚度小，部分应力传递至加载梁处，滞回曲线出现明显捏缩现象，在大变形下应力随位移增大而增大，原因是该原型组合方式限制了加载梁的Y向相对位移，随着水平往复位移的增加，对钢阻尼器产生了Y方向的拉伸应力，此应力一方面阻碍其变形的发展，另一方面阻碍屈服区域的均匀发展，且随着水平位移增加的同时阻尼应力也在增长，不具备钢阻尼器的黏滞阻尼性质，布置阻尼器时也应尽量避免对阻尼器产生同类型的约束状态。

3.2.3 组合3(限制加载梁相对转动和施加预应力)

阻尼器组合3限制加载梁XY平面内相对转动，在组合1基础上施加Y向预应力(分为三组，预应力分别为0.002 MPa,1 MPa,2 MPa)，具体做法是参照组合1下较大洞口的组合方式，同时在加载梁施加Y向预应力(在整个加载过程中)。阻尼器组合3如图15～图17所示。结果表明：1)施加0.002 MPa阻尼器应力应变与组合1数值基本一致，表明较小的预应力对阻尼器滞回性能没有太大影响；2)施加1 MPa阻尼器应力应变与组合1相比，应力分布仍均匀且滞回曲线更加饱满，整体形状没有弯曲变形且初始刚度大，几乎没有捏缩现象，表明适当预应力对阻尼器滞回性能有一定加强作用；3)施加2 MPa阻尼器应力应变与组合1数值相比，应力分布仍然均匀且滞回曲线更加饱满，初始屈服后更加容易进入滞回周期，对阻尼器工作的稳定性及提高初始刚度有利，曲线无捏缩现象且每个周期应力峰值呈线性，表明施加一定预应力对阻尼器滞回性能有一定加强。

4 试验讨论

新型蜂窝型软钢阻尼器及3种不同组合，在常规、受位移限制、受初始应力等影响条件下均具备良好的滞回模态：第3组阻尼器原型较前两种初始刚度更高且滞回面广(塑性耗能性能强)，因其在前两组基础上优选开孔径距、增大横向延伸长度，因而提高了阻尼器本身的面外屈曲失稳；对于组合1型增大横向延伸长度反而降低了耗能，这可能与限制阻尼器顶端转角位移有关；组合2主要针对工程中此类约束方式提供借鉴，尽量降低同时限制转交与平移的频率，或可于中间端板处配置纵向形变的弹簧铰以释放约束；组合3更加贴近于实际工况，因建筑框架的形变导致阻尼器纵向的压缩与拉伸效应，通过观察滞回曲线可以看出，新型蜂窝型阻尼器的适当组合仍具有较高的抗震效果，小震作用下为框架结构提供较高的初始刚度，大震作用下大幅进入屈服阶段，平面内的受力形式可增强阻尼器的稳定性与可靠度。以上，说明按屈服位置设计的阻尼器具有优异的耗能减震效果。

5 结语

1)蜂窝形软钢阻尼器采用正六边形与圆形洞口的组合结构简洁、易加工、体积小巧容易满足关键构件作用于整体结构的要求。2)该阻尼器具有初始刚度大、初始屈服位移小、滞回曲线饱满、耗能能力强、塑性区分布均匀、塑性变形稳定等诸多优异的特性。3)对阻尼器施加不同的约束条件对其滞回性能有较大影响。阻尼器原型与加载梁的组合方式有利于阻尼器稳定性。预应力的施加宜考虑阻尼器的布置形式，剪切连接型、中间柱型结构随着框架的剪切变形会产生Y向应力，宜加以利用。