用于水工排架结构的铅剪切阻尼器试验研究

郑人逢，宫必宁

(1.河海大学河海大学公共实验平台中心，江苏南京210098;2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

自20世纪70年代 Kelly［1］和 Skinner［2］等提出利用外加耗能装置耗散结构振动能量的设想以来，耗能减震技术逐渐得到工程应用且优势逐渐显现，研制和开发简便实用的新型消能减震装置已成为满足工程需要的必然趋势。铅阻尼器是一种具有构造简单、性能稳定和无需维护等优点的消能减震装置，因此得到工程界广泛认可。

铅阻尼器属于金属屈服阻尼器，其阻尼材料是金属铅，铅的结晶构造是面芯立方体，塑性变形能力好，在室温条件下可变形并会发生动态回复和动态再结晶，通过回复和再结晶，应变硬化将消失，铅的组织和性能将恢复至变形前的状态，因此不会产生残余应力，所以理论上铅是一种在室温下做塑性循环时不会发生累计疲劳现象的普通金属［3］。Robinson和Greenbank［4］较早地研发了一种使铅反复通过孔口产生塑性变形来耗能的铅阻尼器，并验证了这种铅阻尼器良好的耗能性能。其后Monti和Robinson［5］研发了基于铅剪切变形来达到耗能目的的剪切型铅阻尼器。国内的杨军等［6－7］提出的一种铅挤压阻尼器，可作为工程结构风振和抗震结构的消能装置。闫伟明、彭凌云等［8－10］研制的一种铅剪切型阻尼器，试验研究表明，次阻尼器的滞回性能稳定，耗能效果好，且制作简单。该阻尼器已被成功应用于某火电厂等［11］工程实践中。此外国内还有利用铅与其他材料结合制成的复合型阻尼器［12－14］。目前研究开发的铅阻尼器类型主要有:(1)铅挤压阻尼器，(2)铅剪切阻尼器，(3)铅节点阻尼器，(4)圆柱形铅阻尼器，异型铅阻尼器等［15］，其中前两种虽已在工程中得到较广泛应用，但不同的结构形式和部位，需要的阻尼器形状和构造就存在不同程度的差异，例如，常见的板式铅阻尼器、压挤式铅阻尼器的安装形式均为斜撑安装，转动式铅阻尼器则应用于节点转角处。

基于以上问题，本文针对水工建筑物中常见的排架结构体系在地震作用下易产生动力放大现象，为了合理有效的耗散地震能量，最终确保结构体系的安全，研制了一种铅剪切阻尼器。该铅阻尼器以剪切作用为主，挤压作用为辅，采用K字型安装于梁与支撑节点处，另外该铅阻尼器同时具有初始刚度大及屈服后具备良好变形能力两个特点，该类安装形式可以丰富铅阻尼器在工程中的使用范围。

1 铅剪切阻尼器的构造

设计的剪切型铅阻尼器以剪切作用为主，挤压作用为辅，采用K字型安装于梁与支撑节点处，如图1所示。

图1 阻尼器构造图

安装与构造说明:铅阻尼器通过连接钢板及固定螺栓与排架梁连接，刚支撑通过刚性节点与阻尼器下部钢壳刚性连接成整体。在正常使用状态下整个耗能体系不发挥作用，只有在水平动荷载作用下，结构受到侧向作用，阻尼器才通过塑性变形来消耗能量。安装过程中，为保证支撑结构的刚度，刚性支撑由型钢制成，与阻尼器外壳刚性焊接。当阻尼器受往复剪切荷载时，外部钢壳包裹固定内部铅块，阻尼器外部钢套需对阻尼材料提供足够的刚度及强度。因此，固外部钢壳采用强度为400 MPa以上的高强钢制成。图1中封闭橡胶垫可以起到隔离铅块和外部空气的作用，保证内部铅块及钢壳不受空气氧化及侵蚀。上部钢套与排架梁采用钢板连接，将阻尼器焊接在钢板上，并用高强抗剪螺栓与梁中预埋件固定。

2 试验研究

2.1 试验概况

由于本文设计的剪切型铅阻尼器以剪切作用为主，挤压作用为辅，因此从抓住事物主要矛盾入手，本次试验主要针对阻尼器中核心部件铅芯部分进行试验研究，得出铅芯在受剪状态的受力性能，为其进一步应用打下基础。

2.1.1 试验样品设计

模型由外部夹具及内部阻尼器铅芯组成，如图2所示。为了保证在加载过程中侧向具有足够刚度，在两侧构件上均焊接两块3 cm厚抗侧钢板。阻尼器内部铅芯结构如图3所示，其中H为受剪区厚度，两侧钢壳采用 Q420制成，钢壳内腔灌入99.99%高纯度铅作为阻尼材料。每完成一组试验，仅需更换内部阻尼器模型。各型号阻尼器主要设计参数如表1所示，表中剪切截面形式如图4所示。

图2 整体模型拼装图

图3 阻尼器铅芯图

图4 有效剪切截面图(单位:mm)

根据试验研究目的，试验共制作6个型号的阻尼器模型，为便于研究阻尼器各性能参数，本文将各阻尼器型号进行如下命名:

表1 各型号阻尼器模型主要尺寸参数

2.1.2 加载方案

本次试验选用锯齿波，采用位移控制模式进行低周往复加载，试件加载图受力简图如图5、图6所示。

图5 试验加载图

为探究阻尼器工作性能与有效剪切面积、受剪区厚度、振动频率、振动幅值、有效剪切面形式、加载次数等控制因素之间的关系。本试验的加载工况按照以下原则:(1)针对各个控制因素对阻尼器工作性能的影响关系安排工况，如有效剪切面积、受剪区厚度等;(2)各个影响因素要求多个比较组，进而降低因模型加工误差、瑕疵、接触不严密等客观原因对试验结论的影响;(3)结合试验加载设备实际输出功率，合理安排加载工况，使各工况实际输出功率为设备稳定工作段，确保试验数据真实可靠。根据以上原则，设计各阻尼器加载工况如表2所示。

图6 阻尼器受力简图

表2 试验工况表

2.2 试验结果与分析

本次分析将同一型号阻尼器所有加载数据绘制于同一图中，以研究阻尼器工作性态规律。各型号阻尼器全工况加载的力—位移滞回曲线见图7～图12，阻尼器铅芯变形见图13。

图7 QZN－34A－10(A1)型阻尼器力—位移滞回曲线

图8 QZN－34B－10(B1)型阻尼器力—位移滞回曲线

图9 QZN－25C－10(C1)型阻尼器力—位移滞回曲线

图10 QZN－34A－5(A2)型阻尼器力—位移滞回曲线

图11 QZN－34B－5(B2)型阻尼器力—位移滞回曲线

图12 QZN－25C－5(C2)型阻尼器力—位移滞回曲线

图13 阻尼器铅芯变形图

根据以上各型号阻尼器加载滞回曲线，对其工作性能分析如下:

(1)阻尼器的力—位移滞回曲线的面积和饱满程度决定了阻尼器的耗能能力，滞回面积越大、越饱满，其耗能性能越强，附加给结构的等效阻尼比越大。从各型号阻尼器试验结果可知，阻尼器在循环加载下具有较好的塑性延展性，其力—位移滞回曲线随着加载工况的改变，表现出较好的循迹性，滞回曲线较为饱满，证明该类型阻尼器耗能性能良好。

(2)从上述各图中还能发现，几乎所有工况在力为0 kN时均发生不同程度的滑移现象。当阻尼器受力方向发生改变的瞬间(由拉力变为压力或由压力变为拉力)，阻尼器的剪切位移发生大约1.5 mm左右的剧烈变化，而此时阻尼器受力为0 kN，最终在水平轴上出现一段斜率为0的水平线。文献［16］研究表明，99.99%纯金属铅在自然浇筑过程中，由于铅材料与其他材料的收缩系数存在差异，液态铅在凝固过程中的内外温差，以及铅金属在受压变形时本身具有一定压缩性，使铅阻尼器难以做到完全密实，易产生不可避免的间隙。在阻尼力相同时，滑移现象间接增加了阻尼器的工作位移，降低阻尼器的等效刚度。而该现象很大程度上取决于模型的加工工艺，存在一定偶然性，因而通过加工、灌注工艺可减小滑移影响。

(3)图8中，受拉及受压的塑性刚度延展段，均出现了曲线波动现象，而非象图7中呈光滑直线发展。结合试验现象，原因为个别阻尼器与夹具之间拼装不够严密，产生阶段性摩擦力，在加载过程中逐步发生释放，该现象在图11 B2型阻尼器表现最为明显。B2型阻尼器小位移加载时，滞回曲线发展趋势较好。当加载位移增加，阻尼力大于阻尼器与夹具间的最大静摩擦力，因此表现出塑性刚度发展过程中，显著的水平发展曲线。

(4)从图13(a)可知，阻尼器在加载过程中整体形态保持良好，未出现连接件间的相互碰撞，说明整个动态加载过程中荷载完全由阻尼器承当，符合试验设计基本原则。从图13(b)可知，铅块表面出现沿斜45度的平行剪切线，说明阻尼器剪切变形明显。

上述分析表明:铅阻尼器在循环加载试验过程中表现出较好的耗能性能及工作稳定性能，为更具针对性地探究各控制因素对阻尼器工作性能的影响，以下分析过程均不考虑滑移现象对试验结果的影响。

2.2.1 加载位移分析

根据以上各型号阻尼器全工况滞回曲线图7～图12可知，随着加载位移的增加，各型号阻尼器的滞回曲线均发生显著变化，滞回更加饱满、耗能面积明显增加。以QZN－34A－10型阻尼器全工况滞回曲线为例，结合图14、表3对该类阻尼器加载位移进行分析，图14中a段为滑移段，分析时不予考虑。图14中B1至B3段为A1型阻尼器的骨架曲线。定义以下三个阶段进行分析:

图14 QZN－34A－10型阻尼器力—位移滞回曲线

(1)弹性阶段(B1段):该阶段阻尼器加载位移大概在2.7 mm。力—位移曲线斜率较大，表明该阶段阻尼器初始刚度较大。滞回曲线呈“细长型”，滞回面积较小;与阻尼器弹性阶段相对应的是结构在小震或中震作用时的响应特点，虽然该阶段阻尼器耗能作用并不明显，但较大的附加刚度可增加主体结构的整体刚度，有效减少结构最大位移响应。

表3 A1型阻尼器各工况塑性刚度

(2)塑性阶段(B2段):该阶段阻尼器加载位移约3 mm～13.4 mm。该阶段阻尼器表现出较好的塑性延展性，刚度较第一阶段降低。由表3可知，工况2、工况3处于该阶段内，随着加载位移变大阻尼力呈增加趋势，且二者塑性刚度仍相等。此外该阶段阻尼器力～位移曲线斜率与骨架曲线斜率相等，说明该阶段阻尼器耗能性能最佳，阻尼器工作性能较为稳定。与阻尼器塑性阶段相对应的是结构在大震或特大地震作用下的响应特点，此时阻尼器滞回曲线由“细长型”向“平行四边形”发展，耗能面积迅速增加，阻尼器的等效阻尼比变大，较强的耗能能力能有效消耗地震传递给主体结构的能量，保证结构处于安全使用范围。

(3)破坏阶段(B3段):该阶段阻尼器加载位移大于13.4 mm。虽然加载位移进一步增加，但最大阻尼力已经出现缓慢下降趋势，由表3看出，该阶段内随着加载位移增加阻尼器塑性刚度开始降低，骨架曲线斜率小于零，说明阻尼器内部结构已经发生破坏不易继续使用。因此，阻尼器在主体结构工作的整个过程中，应避免阻尼器处于破坏阶段，保证结构处于前两阶段。据此，本文定义该类型阻尼器破坏位移为屈服位移的4.8倍，即阻尼器的设计最大工作位移为:

式中:Smax设计最大工作位移;Sa屈服位移。

2.2.2 加载频率分析

如图14所示，在表2中工况7～工况9分别加载频率 0.2 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz，加载位移均为 10 mm，但由于伺服作动器在高频作用下，受输出功率所限，其加载幅值并未达到计划加载位移10 mm，频率越高，相差越远。

如图15所示，工况7最大位移达到9.3 mm，而工况9在1.0 Hz的加载频率下，最大位移仅为7 mm。但从图15中各工况滞回环特点可以看出，在不同的加载频率下，各工况滞回曲线发展趋势保持相同，各工况在位移相等时，阻尼力及刚度均保持较高的一致性。比较工况9、工况8、工况7滞回环特性，可见工况8及工况7分别沿着工况9及工况8的滞回环继续拉升、放大，表现较好的循迹性，且滞回曲线的发展趋势和骨架曲线重合。由此可知，铅阻尼器的耗能性能与加载频率关系较小，即在低频及安全加载振幅下，铅阻尼器受加载速度影响较小。

2.2.3 循环加载次数

不同加载次数比较如图16所示，图中为工况14、工况15滞回曲线图，工况14、工况15分别为QZN－34A－5型阻尼器由平衡位置开始做5次和10次循环加载。

图15 QZN－34B－10型阻尼器各工况力—位移滞回曲线

图16 工况14、工况15滞回曲线比较图

从图16可知，阻尼器在初始循环荷载内由于模型内部材料密实度及加工工艺等原因，表现出一定的离散性。从第三次加载循环开始，阻尼器内部材料及间隙已被压实，阻尼器的工作性能趋于稳定。首先是各工况自身的滞回环吻合度较高，其次两工况滞回环也具有一致的发展规律。由此说明，阻尼器在安全加载状态，加载次数对阻尼器的耗能性能影响较小。

2.2.4 阻尼器有效剪切面积

图17为QZN－34A－5(A2型)型和QZN－25C－5(C2型)型阻尼器各工况滞回曲线对比图。

图17 A2型、C2型阻尼器部分工况滞回曲线对比

由工况表2知，A2型和C2型阻尼器具有相同的加载参数，区别在于前者有效剪切面积为34 cm2而后者为25 cm。比较图17中两阻尼器各工况滞回曲线可知:前者屈服阻尼力为24 kN、后者为20 kN，而二者的屈服位移均为4.3 mm，A2型具有更大的初始刚度。当加载位移增加时，由于A2型具有较大的滞回面积，同时具有更大的塑性刚度及阻尼力。比较对应特征数据可知，A2型与C2型剪切面积比值为1.36，而对应屈服力比值为1.2，在加载位移为10 mm时二者阻尼力之比为1.28。由此可见，有效剪切面积对阻尼器的刚度、阻尼力等力学参数有着重要影响，面积越大，相应的刚度及阻尼力均会增加，但其增加的幅度并不与剪切面积成正比。

2.2.5 阻尼器受剪区厚度

试验中QZN－25C－10(C1型)与QZN－25C－5(C2型)阻尼器区别在于前者的受剪区厚度为10 mm，后者为5 mm。如图18所示，对比二者对应工况滞回曲线做出如下分析:

图18 C1型、C2型阻尼器部分工况滞回曲线对比

工况11、及工况23均为5 mm、0.2 Hz加载，两阻尼器均未表现出塑性性能，主要表现为小位移作用下的初始变形，经计算，C1型初始刚度KC1=8.0 kN/mm，略小于 C2型初始刚度 KC2=8.9 kN/mm。原因在于二者剪切面积相同，但C2型的受剪区厚度较小，在加载位移相同时，具有更大的剪切变形角，因此表现出更大的阻尼力。图18(a)中C1型、C2型各工况滞回曲线图，两个阻尼器在大位移工作区域，塑性延展性都较好，滞回饱满，且对应工况滞回环吻合度较高。受剪区厚度越小，对应的初始刚度越大。

2.2.6 阻尼器剪切截面形式

试验中QZN－34A－5(A2型)与QZN－34B－5(B2型)阻尼器区别在于有效剪切面截面形式，前者为椭圆，后者为长方形。

如图19所示，比较两个典型加载位移5 mm及10 mm的滞回曲线图可知，无论在小位移还是大位移作用下，两阻尼器均表现出相吻合的初始刚度及塑性延展特性，甚至具有相似的离散性。图19中塑性发展中段二者表现出的偏差，是由不同型号阻尼器与夹具之间的摩擦力造成的，从图中可看出，A2型阻尼器加工工艺好于B2型阻尼器。

2.3 试验结论

根据以上各型号阻尼器试验现象及成果分析，本文所研究阻尼器符合如图20双线性力学模型。图20中，K1为初始刚度、K2为塑性刚度、Sa为屈服位移、Fa为屈服力。以上六个型号阻尼器相关力学参数计算见表4。

图19 A2型、B2型阻尼器部分对比工况滞回曲线

图20 阻尼器力学模型

表4 各型号阻尼器力学参数表

3 结论

通过对设计的铅剪切阻尼器进行低周往复加载试验研究得出如下结论:该类阻尼器为典型位移型阻尼器，加载位移很大程度上决定了阻尼器的耗能性能;阻尼器的屈服力及初始刚度随着剪切面积的增加而增加，初始刚度随着受剪区厚度的增加而降低，在破坏位移内进行低频加载，加载频率、次数的影响较小。此外还提出了该阻尼器的最大设计位移公式。该阻尼器滞回曲线比较饱满，呈平行四边形向侧延伸，具有小位移、大刚度的力学特征。并根据其恢复力曲线，确定了该类阻尼器的双线性力学模型。

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