间隙对横向钢阻尼装置性能的影响

张银喜，郝红肖，曹志峰

(中国中车株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

间隙对横向钢阻尼装置性能的影响

张银喜，郝红肖，曹志峰

(中国中车株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

为研究生产装配以及施工过程中横向钢阻尼装置设计间隙大小对阻尼性能的影响，利用非线性有限元分析软件Abaqus对横向钢阻尼装置不同间隙值下竖、横向的阻尼性能进行了模拟计算。计算结果表明:在计算间隙范围内，横向钢阻尼装置的横向阻尼性能受竖向和横向间隙变化影响较小，等效阻尼比约减小6.5%;竖向阻尼性能受竖向间隙影响较横向阻尼性能更为显著，约减小12.1%，在装配和安装的过程中要重点控制竖向间隙值。

钢阻尼器;间隙;阻尼性能;数值模拟

目前，钢阻尼装置已作为一类重要部件广泛应用于建筑与桥梁减隔震领域，如目前应用较多的E型钢阻尼器［1］、C型钢阻尼器［2］、ε型钢阻尼器［3］等。现有阻尼器大多数采用了整体装配的方式形成稳定、可靠的连接，装置间只存在由于机械加工的需要而产生的必要间隙。横向钢阻尼装置［4］根据桥梁变形的特点——日常使用时，温度变化等引起的纵向位移，在纵桥向设计了可以滑动并具有导向作用的导轨，导轨与横向钢阻尼元件间通过间隙配合的方式保证在正常使用时不对梁体产生附加力。当地震来临时，横向钢阻尼装置可以为梁体提供附加阻尼力，耗散地震能量，维持桥梁体系的安全。由于上述间隙的存在，在生产装配以及现场安装过程中，实际间隙大小均会与设计值产生一定的误差，有必要对间隙变化对阻尼性能的影响进行研究。考虑到采用实际装置试验探究间隙对装置阻尼性能影响成本较高，且部分因素在试验过程中不易严格控制，本文借助非线性有限元数值分析技术，对某型横向钢阻尼装置的阻尼性能进行了数值模拟分析。

1 计算模型与工况

本文设计了1套横向钢阻尼装置如图1所示，含有横向钢阻尼元件1件。对于钢阻尼装置而言，其阻尼性能主要由钢阻尼元件决定，为简化计算，本文忽略了耳板及下底板的变形，横向钢阻尼元件下端所用销轴以刚体代替。在本装置中，主要的间隙有竖向间隙和横向间隙，相应的设计值分别为5 mm及2 mm。

根据文献［5］试验结果可知，在正常使用条件下，钢阻尼装置阻尼性能对速度变化不敏感。为进一步简化计算，本文利用静态分析方法(Static)对上述装置进行了模拟。计算过程中固定横向钢阻尼元件下端的刚体销轴，位移边界条件加载在上底板上。其中水平向(横向)和竖向最大位移分别为48 mm及20 mm，幅值曲线如图2所示。

图1 计算模型及间隙位置示意

图2 有限元分析加载幅值曲线

本文计算了下列3种工况下的横向钢阻尼装置的阻尼性能:

工况1——横向间隙对装置横向阻尼性能的影响;

工况2——竖向间隙对装置横向阻尼性能的影响;

工况3——竖向间隙对装置竖向阻尼性能的影响。

2 数值模拟结果分析

本文利用非线性有限元分析软件Abaqus，在不同间隙数值条件下，计算得到模型的应变云图，如图3和图4所示，不同的变形方向下，装置中的主要变形部位不同。该装置的不同方向的典型滞回曲线如图5所示，可见对于不同变形方向，其耗能特性存在明显差别，在竖向位移作用下，由于装置中存在较大的竖向间隙，滞回曲线呈双旗形［6］，整体耗能效率明显低于横向变形。

图3 竖向位移变形后的应变云图

图4 水平位移变形后的应变云图

钢阻尼装置的重要作用是为桥梁体系提供额外的阻尼来耗散输入能量，其耗能效率可以用等效阻尼比ξ来进行评判。

等效阻尼比ξ按下式进行计算［7］

式中:ED为相应滞回曲线所包络的面积，可由Origin软件通过求取滞回曲线面积的方式获得［8］;F0为最大位移u0时对应的力，可在滞回曲线中直接获得。

图5 装置耗能滞回曲线

不同间隙条件下的等效阻尼比如表1所示。

表1 不同间隙条件下的等效阻尼比

由表1可知:当间隙由3 mm增加到7 mm时，工况1下，装置等效阻尼比逐渐减小，ξ约减少6.5%;工况2下，竖向间隙的增大几乎对横向变形等效阻尼比不产生影响;工况3下，由于直接增大了装置的竖向间隙，变形过程中装置的空行程增大，等效阻尼比减小较为明显，由0.212 90减小到0.187 04，约减小12.1%。上述等效阻尼比的变化满足文献［9］所定义的允许变化范围。

表1各工况下的等效阻尼比数据表明:该装置的横向变形等效阻尼比满足相关标准［9］规定的0.20～0.35，数值变化幅度较小，装配和安装过程中的微小误差不会对装置的阻尼性能产生显著影响。当竖向间隙＞5 mm时，竖向变形等效阻尼比小于上述标准所规定的0.20，装配和安装过程中要特别注意对竖向间隙进行控制。

3 结论

本文利用有限元仿真分析软件Abaqus就间隙对横向钢阻尼装置阻尼性能的影响进行了研究。结果表明:在生产装配和实际安装过程中，即使装置中的横向间隙或竖向间隙出现小幅度的误差也不会显著影响装置整体横向耗能能力;但竖向间隙对竖向阻尼性能影响较大，需要对此进行严格控制，且该装置竖向阻尼性能不如横向显著。

［1］潘晋，吴成亮，仝强．E型钢阻尼器数值仿真及试验研究［J］．振动与冲击，2009，28(7):192-195．

［2］吴成亮，仝强．两种弧形钢阻尼器设计与性能研究［J］．地震工程与工程振动，2009，29(5):158-163．

［3］刘军，律伟，张小锋，等．ε形钢阻尼器设计仿真分析及试验研究［J］．铁道建筑，2015(2):21-24．

［4］陈彦北，李鹏，郝红肖，等．防落梁装置:CN102444085A［P］．2012-05-09．

［5］张银喜，陈彦北，郝红肖．双弧形钢阻尼器试验研究［J］．山西建筑，2015，41(30):159-160．

［6］张纪刚，卢爱贞，欧进萍．PFD-SMA支撑体系滞回性能［J］．北京工业大学学报，2011(11):1713-1719．

［7］ANIL K C．结构动力学［M］．谢礼立，吕大刚，译．北京:高等教育出版社，2010．

［8］方安平，叶卫平．Origin8.0实用指南［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［9］中华人民共和国交通运输部．JT/T 843—2012公路桥梁弹塑性钢减震支座技术条件［S］．北京:人民交通出版社，2013．

Influence of Clearance on Performance of Transverse Steel Damper Device

ZHANG Yinxi，HAO Hongxiao，CAO Zhifeng
(Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China)

T he objective of this research is to study the influence of the design clearance on the performance of transverse steel damper device(T SDD)during production，assembly and construction．T he damper performance of T SDD was simulative calculated with non-linear finite element software Abaqus，with consideration of different clearances．T he results show that the longitudinal and transverse clearances changes have little effect on transverse damping performance，and the equivalent damping ratio decreases about 6.5%，while the clearance is within the calculated clearance．T he longitudinal damping performance is more significantly affected by the longitudinal clearance than the transverse damping performance and the decrease of the former is about 12.1%．T hus，the longitudinal clearance shall be controlled during assembly and installation．

Steel damper device;Clearance;Damping performance;Numerical simulation

U443．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．09

1003-1995(2016)12-0030-03

(责任审编孟庆伶)

2016-08-19;

2016-09-28

张银喜(1985—)，男，工程师，硕士。