剪切钢板阻尼器的理论与试验研究进展

张思奇

(同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所，上海 200092)

0 引言

随着社会进步，人们的主观防灾意识也日渐增高，人们对其安全、结构、使用性能的要求也越来越严格，而这就促进了建筑结构抗震设计方法的发展。耗能减震技术逐渐成为结构师们关注的重点之一。

耗能减震技术是指通过在结构的一些部位安装阻尼器来改变结构本身的动力特性，使结构在地震作用和风荷载作用下的动力响应得到有效控制，进而保证结构的安全性。同时由于该技术所采用的装置大多具有非承重性和可替换性，所以既能有效抵抗地震作用，又不会影响建筑的使用功能，即使地震导致装置破坏也可以在震后马上修复或更换，保证结构的抗震能力。

1 阻尼器分类

根据阻尼器制作材料分，它可以分为金属阻尼器，粘弹性阻尼器，粘滞型阻尼器和智能材料阻尼器。金属阻尼器利用金属材料具有良好滞回性能的特点，在结构振动时，先于结构主体进入屈服阶段，消耗地震能量，达到减震目的。由于其滞回性能良好、抗疲劳能力强、耗能能力优秀、构造简单的优点得到了广泛的运用。

目前，广泛应用的金属阻尼器形式主要有梁式阻尼器，锥形钢悬臂阻尼器，加劲阻尼器，剪切阻尼器，环(框)型阻尼器，无粘结支撑和铅类阻尼器等。其中，依靠钢板剪切变形耗能的阻尼器又可细分为剪切钢板阻尼器(Steel Panel Damper，简称SPD)以及蜂窝形阻尼器，槽形阻尼器，单圆孔形阻尼器和双X形阻尼器等耗能腹板开孔的阻尼器。为了充分了解SPD的发展情况，同时为进一步研究打好基础，本文将对该阻尼器的国内外研究进展做较详细的介绍。

2 剪切钢板阻尼器构造

剪切钢板阻尼器(SPD)一般主要是由上端板、下端板、中间的型钢(H型钢，槽钢)或者由钢板围成的方形约束钢管中焊接一块钢板制成。一般可以制作成矩形或者正方形。由于阻尼器尺寸一般较小，为了保证滞回性能，耗能腹板能在屈曲前已充分进入塑性阶段，阻尼器所采用的型钢一般要比普通结构梁所用的型钢的尺寸要大。同时为了对腹板形成良好的约束，提高阻尼器性能，一些外观尺寸较大，对吨位要求较高的阻尼器需要在腹板上单面或双面设置加劲肋。

3 剪切钢板阻尼器动力学模型[1-5］

剪切钢板阻尼器使用较多的恢复力模型有双线性模型，骨架平移模型，Bouc-Wen模型以及修正双屈服面模型等。

3.1 双线性模型

使用双线性模型模拟阻尼器恢复力时，当剪力未超过屈服力Py，材料处于弹性阶段;当剪力超过屈服力Py，材料屈服并强化，见图1。

3.2 骨架平移模型

该模型由三折线的骨架曲线以及Ramberg-Osgood滞回曲线组成，骨架曲线根据塑性应变的变化时平移。对于使用相同钢材但腹板宽厚比不同的剪切钢板阻尼器，骨架偏移模型都可以较好的描述其真实的滞回特性，见图2，图3。

图1 双线性模型

图2 骨架平移模型

图3 骨架平移模型试验数据对比

3.3 Bouc-Wen模型

Bouc-Wen模型可以由以下微分方程描述:

其中，α为阻尼器屈服后刚度与弹性刚度Ke之比;u(t)为t时刻的阻尼器相对位移;uy为阻尼器屈服位移;γ，β，n均为控制滞回曲线形状参数，在实际使用时可以通过调整系数应用于不同类型的阻尼器中，形成不同形状的滞回曲线。图4为文献中使用Bouc-Wen模型与试验数据对比。

3.4 修正双屈服面模型

此模型由日本名古屋大学开发。该材料模型由屈服面和边界面组成，边界面始终包含屈服面，塑性模量由这两个面的尺寸和相互关系确定。文献[4］基于ABAQUS二次开发子程序平台，采用该材料模型，对单面加劲剪切阻尼器进行数值模拟，能取得较合理的计算结果。图5为文献[5］中采用该模型进行数值模拟的结果与试验结果对比。

图4 Bouc-Wen模型与试验数据对比

4 性能影响因素

钢板剪切阻尼器的工作性能与许多因素有关，下文将根据所查阅的文献分析主要影响因素。

4.1 腹板柔细比

剪切钢板阻尼器通过腹板耗能，因此腹板柔细比是极为重要的控制参数。过大的柔细比会使腹板易于出现平面外屈曲，同时，采用较大柔细比时，为防止局部屈曲，腹板上势必增设大量加劲肋这也会提高生产成本。文献[6］中提到相比矩形加劲阻尼器，使用较小柔细比无加劲的阻尼器具有更好的工作性能。然而过小的柔细比在提高腹板本身变形耗能能力的同时会使腹板刚度过大，在循环荷载作用下易使腹板与翼缘或端板的焊缝等薄弱处先于腹板破坏，进而影响阻尼器整体性能。一般腹板柔细比见下式计算:

其中，W为腹板高度;t为腹板厚度;v为钢材泊松比;τy为剪切屈服强度;k为屈曲系数;E为弹性模量;nL为沿剪切方向加劲肋数目;αs为子剪切板形状系数，当加劲肋均匀布置时，可取腹板宽厚比。

文献[2］研究发现当腹板高度与厚度之比小于40时，具有较好的滞回特性;文献[4］根据数值计算结果建议柔细比取0.2～0.5 之间。

4.2 翼缘腹板板厚比

翼缘为腹板提供约束，限制腹板在剪力作用下产生转动，对阻止腹板屈曲具有较大作用。

文献[3］采用两种方钢管截面(100 mm×100 mm×4 mm与120 mm ×120 mm ×5 mm)与三种钢板(2 mm，3 mm，4 mm)分别制成了6种方形剪切钢板阻尼器，构造见图1。通过试验发现:腹板厚度采用3 mm，4 mm的阻尼器耗能性能较差，单调加载试验中，阻尼器剪力未超过理论屈服剪力值;循环加载试验中，滞回曲线出现捏合现象。导致这一现象发生的原因在于过小板厚比，使腹板平面内抗剪刚度相对较大，同时方钢管存在初始变形，致使腹板周围的方形钢管出现局部屈曲，进而导致阻尼器工作性能降低。文献[4］建议板厚比不宜小于2。

4.3 加劲肋设置

在腹板上设置加劲肋可以为腹板提供有效约束，提高腹板的塑性变形能力，增强阻尼器延性。当横纵向加劲肋等距布置且数量各不超过3条时，文献[4］通过加劲肋相对刚度比γs/γ*s来描述加劲肋的布置情况:

其中，Is为加劲肋惯性矩;Dw为单位宽度板的弯曲刚度;α为腹板宽厚比，其余系数同式(3)，式(4)。通过数值分析计算发现:适当的布置加劲肋可以有效地避免腹板强度退化。文献[2］中通过对比不同加劲肋布置形式的循环加荷试验结果也验证了设置加劲肋可以组织阻尼器滞回曲线捏合现象的发生，提高其承载力。

4.4 连接方式

剪切钢板阻尼器中的翼缘板，腹板和加劲肋一般采用焊缝连接。不过却会产生焊接应力和变形。文献[7］中建立了考虑焊接残余应力的ANSYS模型，通过计算发现残余应力会降低阻尼器的弹性刚度，如图6所示。

图5 修正双屈服面模型与试验数据对比

图6 残余应力对阻尼器力学性能影响

为此，学界设计出采用机械连接方式的阻尼器，以改善这种情况。文献[1］中对采用螺栓+摩擦材料连接的剪切钢板阻尼器进行了对比试验，得出采用机械形式连接的阻尼器可以有效避免焊缝应力对阻尼器造成的不利影响。

5 结语

通过上文的分析，可以得到如下结论与建议:

1)剪切钢板阻尼器是一种构造简单，原理明确，造价经济，耗能能力优秀的耗能减震构件。

2)采用低屈服点钢作为剪切钢板阻尼器的材料可以较好地发挥阻尼器的滞回特性。

3)耗能腹板是剪切钢板阻尼器的核心工作构件，腹板柔细比对阻尼器整体性能影响较大;通过对腹板加强约束，减少初始残余应力可以有效提高阻尼器性能。

4)对于焊接连接的剪切钢板阻尼器，腹板角部的应力集中现象会导致焊缝开裂，使阻尼器提前退出工作。如何解决角部应力集中问题，还有待研究。

5)采用不同强度材料复合组成的阻尼器的力学性能以及与结构的协同作用能力值得进一步研究。

6)阻尼器存在的初始变形会导致在工作中容易产生屈曲，因此考虑初始缺陷的精确本构关系有待探讨。

虽然在科研上仍然有很多值得探究的课题，但随着科学和经济水平的提高，剪切钢板阻尼器势必将在未来的抗震领域得到广泛应用。

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