新型分阶段屈服型软钢阻尼器的试验研究及数值模拟

刘伟庆， 缪卓君， 王曙光， 杜东升

(南京工业大学 土木工程学院，南京　211816)



新型分阶段屈服型软钢阻尼器的试验研究及数值模拟

刘伟庆， 缪卓君， 王曙光， 杜东升

(南京工业大学 土木工程学院，南京211816)

摘要：为弥补现有软钢阻尼器存在的不足，在耗能钢片的形状及组合规律方面加以改进，研发了一种剪切弯曲组合型分阶段屈服软钢阻尼器。采用试验和有限元模拟相结合的研究方法，探讨其基本性能和抗疲劳性能。试验结果显示这种阻尼器具有稳定的滞回性能和抗疲劳性能，表明了这种分阶段屈服型软钢阻尼器耗能效果明显，实现了两阶段屈服耗能机制，具有较好的减震效果，数值模拟结果与试验结果吻合良好。该型阻尼器构造简单，制作方便，可采用模块化组装设计方法，有广阔的工程应用前景。

关键词：软钢阻尼器；滞回性能；低周反复荷载试验；数值模拟

传统建筑主要靠结构自身变形来吸收地震能量，许多主要构件损伤后很难被修复。通过设置阻尼器耗散地震能量，避免主体结构进入明显的塑性状态，从而保护主体结构不受破坏[1]已经成为一种可靠的抗震技术。同时，阻尼器具有一定的独立性，是抗侧力构件的组成部分，其屈服变形甚至破坏也不会影响主体结构的承载能力。因此阻尼器在新建筑的减震设计和老建筑的抗震加固中[2-4]得到广泛应用。其中软钢阻尼器由于构造简单、价格低廉而引起较多关注。

自Kelly等[5]提出被动耗能减震的概念并进行软钢阻尼器的研究试验以来，国内外已设计开发了大量具有不同耗能理念和耗能形式的阻尼器。软钢阻尼器由最初单纯的矩形钢板发展成为各种不同几何形状和耗能方式组合的大家族，如加劲软钢阻尼器[6]、抛物线外形软钢阻尼器[7]、双X型[8]和圆孔型软钢阻尼器[9]、圆环、双环软钢阻尼器和加劲圆环阻尼器[10-11]等。现在广泛采用并得到认可的X形软钢阻尼器(XADAS)和三角形软钢阻尼器(TADAS)由Whittaker等[12-13]在20世纪末发明。但是仍存在诸多问题未能得到有效解决，如传统的X形软钢阻尼器一般采用多个钢片并排平行设置，但在其高度方向为单层的设计。单个阻尼器的耗能能力有限，而多个阻尼器并排放置又较为占用空间并且可能会导致刚性支撑的数量增加，降低经济性[14]。多个阻尼器竖向放置又会减小阻尼器的塑性变形位移，降低阻尼器的耗能效果。

本文针对现有软钢阻尼器存在的不足，优化耗能钢片的形状及组合规律，研发了具有两阶段屈服机制的剪切弯曲组合型软钢阻尼器，其中剪切型钢片在较小地震下即开始屈服耗能，而弯曲型钢片则在较大地震下屈服耗能，很好地实现了两设防水准的抗震理念。同时，该阻尼器构造简单，制作方便，可进行模块化设计组装。本文通过基本性能试验、抗疲劳性能试验以及数值模拟，研究了分阶段屈服型软钢阻尼器的抗震性能。

1分阶段屈服型软钢阻尼器的设计

1.1设计理念

软钢阻尼器采用具有低屈服点的钢材制作耗能钢片。本文研发的两阶段屈服耗能软钢阻尼器由初始刚度大、屈服位移小的矩形剪切型钢片和初始刚度小、屈服位移大的X形弯曲钢片组成。由于这两种形状的钢片具有截然不同的力学特点，在合理设计钢片厚度、大小及组合方式的前提下，阻尼器能够较好地体现分阶段屈服耗能的特征。小震时，剪切型钢片在较小的位移下开始屈服耗能，此时弯曲型钢片处于弹性状态，作为较大地震下的安全储备，这是第一阶段耗能。大震时，弯曲型钢片开始屈服耗能，与剪切型钢片共同耗散地震能量，这是第二阶段耗能。两种钢片的合理组合实现了阻尼器的分阶段耗能，克服了传统阻尼器耗能水准单一的缺点。

1.2弯曲型耗能钢片的力学性能

弯曲型耗能钢片计算简图如图1所示，耗能钢片高度为h，宽度为b，颈部最小宽度为a。力学性能计算公式[15]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：E为耗能钢片的弹性模量；b1为宽度；t1为厚度；h1为高度；fy为屈服应力。可以看出以上各种参数对阻尼器的力学性能都有一定影响，其中高度h1和厚度t1对其初始刚度的影响最为明显，高度h1越大、厚度t1越小则屈服位移越大。

图1　弯曲型耗能钢片计算简图Fig.1 Calculating diagram of bendingenergy dissipating steel sheet

1.3剪切型耗能钢片的力学性能

剪切型耗能钢片计算简图如图2所示，力学性能计算公式如下：

(5)

(6)

初始刚度：K2=G×b2×t2/h2

(7)

(8)

式中：G为耗能钢片的剪切模量；fy为屈服应力；fymax为极限应力。可以看出耗能钢片的剪切模量E、宽度b2、厚度t2和高度h2等参数对阻尼器的力学性能都有一定影响。同样的软钢材料在厚度不变的情况下，耗能钢片的屈服力、承载力、初始刚度和钢片宽度b2成正比，屈服位移与高度h2成正比。

图2　剪切型耗能钢片力学分析简图Fig.2 Mechanical analysis diagram of sheer energy consumption steel sheet

1.4设计参数

分阶段屈服型软钢阻尼器由弯曲型和剪切型软钢钢片组合而成，阻尼器初始刚度、屈服剪力及屈服位移见式(9)~式(11)。

初始刚度：K=n1K1+n2K2

(9)

第一屈服剪力：V=Δy2(n1K1+n2K2)

(10)

第一屈服位移：Δ=Δy2

(11)

1.5阻尼器详细构造

制作了足尺分阶段屈服型软钢阻尼器进行力学性能试验，研究其耗能性能及抗疲劳性能。试验阻尼器由1片剪切型矩形耗能钢片和16片弯曲型X形耗能钢片组成，矩形软钢钢片的厚度为6 mm，X形软钢钢片的厚度为9 mm。耗能钢片采用日本进口的高性能低屈服点钢JIS LY225制作，其他连接钢板和加劲板等构件采用国产Q235钢制作。耗能钢片尺寸参数如表1所示，加载装置如图4所示。

表1　耗能钢片尺寸参数表

阻尼器构造如图3所示。其中1为与试验设备连接的上连接板，2为两侧的主连接板，3为弯曲型耗能组件(每组耗能组件由4片X形软钢耗能钢片和上下连接钢板组成)，4为剪切型耗能组件(耗能组件由1片矩形软钢耗能钢片和上下连接钢板、左右加劲钢板组成)，5为三角加劲板，6为与试验设备底部连接的下连接板。上下连接板与试验加载装置采用螺栓连接。

本文阻尼器构造简单、性能稳定、制造方便、耐久性好、易于安装和更换、对建筑功能和外观影响较小。实际工程应用中，可以通过剪切型钢片和弯曲型钢片数量之间的组合组装出不同初始刚度和极限承载力的阻尼器，达到设计要求。

图3　软钢阻尼器构造图Fig.3 Structure diagram of the damper

2分阶段屈服型软钢阻尼器的力学性能试验

2.1材料特性

屈服承载力和屈服位移是软钢阻尼器的重要指标，而优质的材料为阻尼器的设计提供了较好的保障。试验阻尼器所用材料的各项性能指标如表2和表3[16]。

表2　试验用钢与普通钢材化学成分

表3　试验用钢与普通钢材机械物理性能

2.2试验设备

试验在江苏无锡圣丰减震器有限公司测试中心进行，加载设备为FTS伺服器，工作压力和工作拉力为540 kN，工作行程为400 mm。数据测试仪器采用北京富力通达科技有限公司生产的数控测试采集仪，测量精度分别为0.01 mm 和0.01 kN，同时附加标准位移器作为辅助位移采集设备。现场加载图如图4所示。

图4　软钢阻尼器实物图Fig.4 Factual diagram of the damper

2.3基本力学性能试验

在阻尼器上连接板焊接钢板，与加载装置采用螺栓连接；下连接板焊接钢板，与试验设备基座采用螺栓连接。试验采用位移控制加载，如图5所示。

当加载位移为3 mm时(对于层高3 m的结构，相当于位移角为1/1 000，小震水平)，荷载-位移曲线开始出现较小的纺锥形滞回环，表明此时阻尼器已开始屈服。随着加载位移的增大，耗能钢片变形增大。当位移达到30 mm时(对于层高3 m的结构，相当于位移角为1/100，大震水平)，阻尼器承载力为303.8 kN，耗能钢片全部进入塑性，剪切型钢片在平面内均匀剪切变形，弯曲型钢片在平面外呈S形变形，反弯点在钢片几何中心；所有钢片颈部或根部都未出现裂纹或因应力集中、大应变产生钢片扭曲破坏，焊缝情况良好，未见断裂脱焊等现象。从图6可以看出阻尼器的第一屈服位移约为1.5 mm，第二屈服位移约为6.5 mm，阻尼器的延性系数为4.6。阻尼器的延性系数较小是由于本次滞回加载至30 mm时，并未达到阻尼器的极限位移，因此当位移继续加大后，其延性系数还会有较大的提高。

图5　渐增位移低周反复荷载试验加载谱Fig.5 Loading spectrum of incremental displacement low-cycle loading experiment

图6　阻尼器滞回曲线图Fig.6 Hysteretic curve of the damper

由试验结果可看出，滞回曲线总体上呈纺锤体，形状饱满、耗能稳定。每次加载循环接近X轴时会发生微小漂移，分析认为这可能是加载设备与阻尼器之间的空隙造成的。阻尼器的分阶段屈服耗能效果较好，曲线上表现出两次屈服的特征。

2.4抗疲劳性能试验

位移幅值设计值为12 mm(对于层高3 m的结构，相当于位移角为1/250，中震水平)，循环加载60圈(大于建筑抗震设计规范规定的30圈)，加载制度如表4所示。

表4　阻尼器疲劳性能测试加载制度

在12 mm的设计位移幅值下往复循环加载60圈后，阻尼器耗能钢片没有发生明显弯曲或剪切破坏，滞回曲线也没有明显变形，滞回环面积即耗能能力和屈服承载力的衰减量都低于15%，位移历程累计达到3 613 mm，阻尼器没有出现明显的低周疲劳现象。表明该阻尼器力学性能稳定，耗能性能良好，满足实际应用的要求。通过试验得到的滞回曲线如图7所示，图8给出疲劳性能试验第1圈和第60圈曲线的对比图。

图7　阻尼器疲劳性能测试滞回曲线图Fig.7 Hysteretic curve of the damper A of fatigue test

图8　阻尼器疲劳性能测试滞回曲线第一与第六十圈对比图Fig.8 Comparison diagram of fatigue test hysteretic curve of the damper for the 1st and 60th cycle

3分阶段屈服型软钢阻尼器力学性能的数值模拟

首先采用ABAQUS有限元软件对2种钢片分别进行模拟，之后建立试验阻尼器的实体模型，模拟试验工况。采用可变形实体单元(deformable solid) 模拟耗能钢片，采用离散刚体(discrete rigid) 模拟顶部连接钢板。耗能钢片弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.3。加载工况与试验相同。

3.1弯曲型钢片力学性能的模拟

建立X形软钢钢片的实体模型，模拟低周反复加载下的力学性能，下面给出钢片加载至30 mm时变形应力云图，如图9所示。

图9　加载至30 mm时X形钢片的应力云图Fig.9 Stress cloud chart of X shaped steel sheet when load is 30 mm

如图9可看出，加载位移为30 mm时，耗能钢片接近于全截面屈服，Mises应力在钢片顶部应力较大，，最大应力达到490 N/mm2，超过受拉强度；颈部应力约为250 N/mm2，颈部钢片出现屈服，但应力未达到抗拉强度。表明X形钢片能够承担相当于层间位移30 mm的地震力，此时钢片颈部不折断，钢片整体进入塑性，耗能良好。

3.2剪切型钢片力学性能的数值模拟

建立矩形软钢钢片的实体模型，模拟低周反复加载下的力学性能，下面给出钢片加载至30 mm时变形应力云图，如图10所示。

图10　加载至30 mm时矩形钢片的应力云图Fig.10 Stress cloud chart of rectangular steel sheet when load is 30 mm

模拟结果表明其滞回曲线饱满，位移较小时钢片保持弹性，随后出现软化线性，荷载降低到一定值时趋于稳定。滞回曲线在位移较大时接近矩形，为典型的理想弹塑性模型，钢片耗能能力强。将数值分析结果与式(5)~式(8)计算结果进行对比，结果如表5所示。

表5　剪切型钢片计算结果

剪切型软钢钢片的数值模拟结果与力学公式计算结果误差在10%以内。不论力学计算还是数值模拟都反映了同样的规律，即厚度不变的情况下耗能钢片的屈服位移主要由钢片的高度决定，承载力则主要由钢片的宽度决定。

3.3分阶段屈服型软钢阻尼器的有限元模拟

对试验阻尼器进行数值模拟，采用线性完全积分单元C3D8R。整个阻尼器模型共有62424个节点，41238个单元，全部为六面体单元。软钢的应力-应变关系采用软钢材性试验曲线，连接钢板采用理想弹塑性模型模拟，取屈服强度为235 MPa。

加载初期，剪切型钢片首先进入塑性状态，而弯曲型软钢钢片应力水平仍较小；随着位移的不断加大，剪切型钢片不断耗能，弯曲型钢片也进入了塑性状态，两种钢片开始共同工作；加载位移为30 mm时，软钢钢片全部进入塑性状态，上下连接钢板仍处于弹性状态。图11给出位移加载到30 mm时阻尼器的变形应力云图。

图11　加载至30 mm时阻尼器的应力云图Fig.11 Stress cloud chart of damper when load is 30 mm

数值模拟滞回曲线与试验结果对比如图12所示，结论如下：

1)两者的滞回曲线非常接近，均呈六边形，曲线饱满、稳定。

2)数值模拟曲线的第一刚度比试验的第一刚度稍大，即试验所得的第一屈服位移比数值模拟的稍大，同时数值模拟的延性系数为6.7大于试验得到的4.6，这是由于数值分析时采用的软钢应力-应变关系与试验用软钢的材性存在微小误差。而极限荷载、第二刚度、第三刚度以及分阶段屈服的特征点等参数吻合度较高，同时反向加载时阻尼器表现出的应变硬化现象也模拟得非常精准，阻尼器的耗能能力(即滞回环的面积)误差在10%以内。

可以认为该阻尼器的分阶段耗能效果明显，耗能能力较强。

图12　阻尼器数值模拟与试验滞回曲线对比Fig.12 Numerical simulation and test of hysteretic curve of damper contrast

4结论

研发了分阶段屈服软钢阻尼器，并对足尺试验模型进行基本力学性能试验、抗疲劳性能试验和数值模拟，研究了软钢阻尼器的耗能性能，所得结论如下：

(1)分阶段屈服型软钢阻尼器由剪切型矩形钢片及弯曲型X形钢片组成，小震下剪切型钢片耗能，中震或大震下弯曲型钢片耗能，实现两阶段屈服耗能机制。

(2)通过调整矩形钢片和X形钢片的数量及高度、厚度等参数，可制作具有不同性能参数的软钢阻尼器。

(3)软钢阻尼器具有较好的耗能能力与工作性能，基本力学性能试验所得滞回曲线呈纺锤形，形状饱满，性能稳定，加载位移达到30 mm时，最大荷载为303.8 kN，变形性能良好。

(4)软钢阻尼器具有较稳定的耗能能力与工作性能，经过60圈固定位移循环加载后，阻尼器耗能钢片没有发生明显扭曲破坏，滞回曲线也没有明显变形，抗疲劳性能良好。

(5)耗能钢片的数值模拟结果与理论结果吻合良好；试验工况的数值模拟结果与试验结果非常接近，进一步表明该阻尼器的分阶段效果明显，耗能能力强，能够满足实际工程应用需求。

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Experiments and numerical prediction on a new type of mild steel damper with separable phase yielding

LIUWei-qing,MIAOZhuo-jun,WANGShu-guang,DUDong-sheng

(College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Abstract:To compensate for the shortcomings of existing mild steel dampers, the shape of energy dissipating steel sheets and their combination type were improved and a new type of mild steel damper with shear-bending combined-stage yielding was presented. The performances of the damper, consisting of shear energy dissipation components and bending energy dissipation components, were analyzed by experiments and finite element simulation. The experimental results show that the damper possesses the stable hysteretic capacity and fatigue resistance capacity, so has strong energy consumption capability and great damping effect. It achieves a two-stage energy-yielding mechanism. The results of numerical simulation are in good agreement with those of experiments. This kind of damper has such advantages as obvious phased energy character, superior performance and simple structure. It can be designed by the method of module and assemble. The damper would have wide application prospect in future.

Key words:mild steel damper; hysteretic behavior; low cyclic loading test; numerical simulation

中图分类号:TU317；TU352.1

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.03.014

收稿日期：2014-11-12修改稿收到日期：2015-03-09

基金项目：国家科技支撑计划资助(2012BAJ07B00);国家科技支撑计划资助(2012BAJ06B00)

第一作者 刘伟庆 男，博士，教授，1964年5月生