JY-SS-I 型金属软钢阻尼器试验研究

2011-08-01薛彦涛

土木工程与管理学报 2011年3期

高杰，薛彦涛，王磊，翟彬

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

随着人类科技水平不断提高，结构减震(振)控制技术作为抵御地震(强风)的一种有效方法得到了发展和应用。金属软钢阻尼器作为减震控制一种减震器的一种，因其构造简单、性能稳定、价格低廉被广泛应用。

金属的弹塑性变形是消耗地震输入能量的最有效机制之一，金属剪切型金属软钢阻尼器即利用金属材料塑性变形及塑性累计耗散地震动能量输入。日本在上世纪八九十年代开始试验研究，近些年来大量应用于中低层住宅、高层及超高层建筑中。

金属软钢阻尼器选用材料以软刚、低屈服点钢材、铅及记忆合金为主，而铅材料本身的缺陷和合金类材料价格相对昂贵等原因，使软刚和低屈服点钢材成为建筑行业金属软钢阻尼器材料的首选。日本根据金属软钢阻尼器需求专门研制了SS400、LY225和LY100型阻尼器，其中LY 100的钢材延伸率可达50%以上，累计塑性变形能力出众，但该材料无明显屈服点，对金属软钢阻尼器屈服承载力设计时需注意。

国内较成熟的的软刚即为Q225、Q235钢材，其材料性能与日本产LY225相当，上述钢材材料性能对比详见图1。

图1 钢材应力-应变曲线比较

金属软钢阻尼器相比黏滞或摩擦型阻尼器具有性能稳定、耐久性好、环境适应性强等优点，同时维护费用相对较低，并可应用于各种结构形式的建筑结构。金属软钢阻尼器的相对位移增大的同时其耗能能力也相应增大，因此，该种阻尼器更适用于较柔的结构体系。金属软钢阻尼器既可用于既有建筑的抗震加固和震损结构的补强修复，又可以用于新建建筑。研究及实践表明，金属软钢阻尼器用于抗震加固可比传统加固方式节约造价缩短工期。

中国建筑科学研究院JY-SS系列金属剪切型金属软钢阻尼器产品具有完全自主知识产权，经过深入理论分析和试验研究，已经形成了一整套完整成熟的设计、生产技术，其形式如图2。

截止目前，已经针对传统软钢(Q225、Q235)及低屈服点钢材(Q160和Q100)进行了大量试验研究。传统软钢具有价格低、产量大、易采购、易加工等多方面优势，但其自身力学性能确定其变形及疲劳性能比低屈服点钢材有所不足，但通过工艺及构造处理仍能达到较为理想状态。

图2 金属剪切型金属软钢阻尼器模型及试件

1 计算分析

金属剪切型金属软钢阻尼器恢复力分析模型可以采用理想弹塑性分析模型、双线性模型和Ramberg-Osgood模型。其中双折线型应用较多(图3)，剪切型金属软钢阻尼器主要依靠剪切塑性累计耗散地震能量，其提供阻尼力计算方法主要如下:

式中，α为刚度修正系数;G为剪切弹性模量(N/mm2);AS为金属软钢阻尼器剪切面积(mm2);Hd为金属软钢阻尼器高度(mm);τy、τB分别为钢材剪切屈服力和最大剪应力(N/mm2)。

图3 金属软钢阻尼器弹塑性分析模型

剪切型金属软钢阻尼器理论分析宜采用有限元方法进行，如采用ANASYS、ABAQUS、SAP2000、ETABS等通用有限元软件。计算时金属软钢阻尼器采用塑性单元，通过调整屈服力和弹性刚度等参数进而参与到结构整体计算中。

2 试验研究

作为系列试验之一，首先进行了以传统软钢为基材的位移型金属软钢阻尼器试验研究，设计三组试件(表1，表2)，其中构件一高宽比1.25，芯材与加劲肋均为焊接连接;构件二高宽比0.8，芯材与加劲肋及端版焊接连接;构件三高宽比1.25，芯材与四周端板采用螺栓+摩擦材料连接。通过以上三组试验检验传统软钢金属软钢阻尼器力学性能。