几种软钢阻尼器对建筑安全的影响

李辉跃 白羽 张田庆

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.中国建筑第二工程局有限公司 昆明 650500)

0 引言

为了保证建筑物在地震用下的安全性或者控制风荷载下的摇摆幅度，传统的思想是增加建筑物的水平刚度。增加水平刚度的确可以在一定程度上减小建筑物在地震作用或风荷载下的水平位移，但是建筑物刚度的增加，必然导致内部结构的应力也随着增大，建筑物的经济性就越来越小，这是一种恶性循环。而随着减隔震技术的出现，很好地规避了这种问题，在减震技术中，通过阻尼器在地震作用中或风载下消耗能量来减小建筑物承受的能量，以此降低它们对建筑的伤害。

阻尼器有多种类型，如粘滞阻尼器、金属阻尼器、磁流变阻尼器等。他们在风载作用和地震作用下都有很好的表现。金属阻尼器在阻尼器中已经较为成熟。1989年WHITTAKER等[1]提出了X型阻尼器；1993年TASI等[2]提出了三角阻尼器；2003年邢书涛等[3]提出中空菱形阻尼器；2011年徐艳红等[4]提出抛物线外形阻尼器；2012年周云等[5]提出椭圆阻尼器。剪切板阻尼器也是金属阻尼器的一种，即把一定厚度的钢板焊接在方形管中，阻尼器刚度小于结构刚度，在地震作用下，进入塑性阶段，吸收地震能量。

在结构中，阻尼器的刚度和能耗性影响着建筑在地震作用下的安全性。刚度过小，在小震情况下，阻尼器即进入塑性，需要经常更换；刚度过大，结构已被破坏，阻尼器还未进入塑性状态；阻尼器消耗能量少，结构依然会被破坏。可以使用对钢板开缝、开洞等措施减小钢板的面积，改变阻尼器的刚度和耗能性。通过这些方式设计了4种形式的阻尼器，并用不做处理的阻尼器进行对比分析。

1 模拟分析

首先对阻尼器建模，阻尼器高度为150 mm, 沿X方向宽150 mm，沿Y方向100 mm，上下翼板厚度为5 mm，腹板高140 mm，宽90 mm，厚5 mm。第1种为未开洞阻尼器(后称Ⅰ型)，第2种在腹板中间开半径为25 mm的圆(后称Ⅱ型)，第3种在腹板开6 mm×96 mm和4 mm×64 mm两种缝，二者交替出现(后称Ⅲ型)，第4种跟据蜂窝状阻尼器改进，改变蜂窝的纵横向方向(后称Ⅳ型)，第5种根据Ⅱ型的缺点改进，开洞类似水滴形(后称Ⅴ型)。5种阻尼器的腹板模型图如图1所示。

图1 5种阻尼器腹板情况

为了增加阻尼器的平面外刚度，在腹板两侧增加竖向肋板，Ⅰ型阻尼器建模图如图2所示(其他仅是腹板不同)，模型所有六面体单元采用C3D8R减缩积分。模型底部使用绑定约束，模型使用水平位移控制，水平位移依次是0.5，1.5，3，6，9 mm和12 mm。

图2 Ⅰ型阻尼器的三维建模

1.1 Ⅰ型阻尼器模拟分析

通过对Ⅰ型阻尼器模拟分析发现，阻尼器中最大拉应力和最大压应力出现在腹板，竖向肋，上下翼板的交接处，肋板承受了较大的应力，腹板承受应力有限，阻尼器的最大拉应力为404.5 MPa,最大压应力为387.6 MPa，应力以阻尼器的节点为中心，逐渐向四周扩散，应力逐渐降低，Ⅰ型阻尼器的应力图如图3所示，几种循环情况下，Ⅰ型软钢阻尼器的水平刚度依次为130.68，54.20，32.01 ，17.67，12.26 kN/mm和9.41 kN/mm。计算软钢阻尼器的等效水平刚度可以用下式

图3 I型阻尼器应力分布

式中，Kh为阻尼器水平等效刚度，Q2为最大水平剪力，Q1为最小水平剪力，D2为最大水位移，D1为最大水平剪力。

通过刚度对比发现，在水平荷载0.3 mm之前，软钢阻尼器处于弹性状态，弹性水平刚度为183.11 kN/mm，之后软钢阻尼器开始进入塑性状态，位移0.5 mm时，软钢阻尼器的水平等效刚度为130.68 kN/mm,软钢阻尼器进入塑性后，刚度退化较快，0.3至0.5 mm刚度退化率为262.14 kN/mm2，进入塑性后阻尼器开始吸收能量，阻尼器的滞回曲线较为饱满，耗能性较为优异，阻尼器的最大水平作用力为110.14 kN。I型阻尼器的滞回曲线如图4所示。

图4 I型阻尼器的滞回曲线

1.2 Ⅱ型阻尼器模拟分析

Ⅱ型阻尼器主要是对Ⅰ型阻尼器的改良，通过对比分析发现，Ⅰ型阻尼器的腹板承受的荷载有限，为了增加材料的利用率，将阻尼器的腹板中心开洞，洞的大小半径为25 mm，Ⅱ型阻尼器的应力图如图5所示。

图5 Ⅱ型阻尼器的应力分布

模拟结果显示，Ⅱ型阻尼器的材料利用率比Ⅰ型阻尼器利用率高，Ⅱ型阻尼器的应力分布可以看出，在Ⅰ型阻尼器的基础上，Ⅱ型阻尼器应力分布还集中在板结点与圆心的直线上，最大拉应力和最大压应力集中在圆周围，圆有较大的平面内变形，未出现明显的平面外变形。与Ⅰ型阻尼器相比，Ⅱ型阻尼器的最大应力明显增加，最大拉应力为310.9 MPa,最大压应力为457.9 MPa。

Ⅱ型阻尼器在几种循环情况下的水平刚度分别为37.71，30.19，16.78，9.02 ，6.33 kN/mm和4.83 kN/mm，在0.29 mm位移内，阻尼器为完全弹性，阻尼器弹性刚度为95.96 kN/mm,是0.5 mm位移情况下刚度的1.54倍，差距较大。弹性刚度为Ⅰ型阻尼器的52.05%，进入塑性阶段后，阻尼器刚度退化加快，在水平位移6 mm后，刚度退化幅度减小。在能耗性方面，Ⅱ型阻尼器消耗的能量虽没有Ⅰ型阻尼器高但其滞回曲线较Ⅰ型阻尼器更为规则饱满，Ⅱ型阻尼器的最大水平力为57.79 kN。Ⅱ型阻尼器的滞回曲线如图6所示。

图6 Ⅱ型阻尼器的滞回曲线

1.3 Ⅲ型阻尼器模拟分析

Ⅲ型阻尼器，在腹板上开缝，上下连通，与Ⅴ型阻尼器不同，与Ⅰ型阻尼器比，Ⅲ型阻尼器的材料利用率也较高，与前两种阻尼器相比，Ⅲ型阻尼器较大应力基本分布在腹板上，竖向勒应力较小，腹板应力分布较为均匀，阻尼器并未发生平面外变形。

模拟结果显示，Ⅲ型阻尼器的最大拉应力为464.2 MPa，出现在右侧竖向勒与腹板右下角的交接处，最大压应力为478.1 MPa，出现在右侧竖向勒与腹板右上角的交接处。区域最大应力出现在开缝的上下两端。Ⅲ型阻尼器的应力分布如图7所示。

图7 Ⅲ型阻尼器应力分布

Ⅲ型阻尼器在几种水平位移情况下的水平刚度分别为8.19，4.30，2.63，1.46，1.07 kN/mm和0.84 kN/mm，在5 mm水平位移情况下，Ⅲ型阻尼器为弹性状态，5 mm以后开始进入塑性状态，与前两种阻尼器相比，刚度较小，原因是Ⅲ型阻尼器开洞面积较大，腹板面积为Ⅰ型阻尼器腹板面积的75.95%，Ⅱ型的89.96%。Ⅲ型阻尼器能快速的介入减震工作，前两种阻尼器的滞回曲线比Ⅲ型阻尼器的滞回曲线饱满。Ⅲ型阻尼器的滞回曲线如图8所示。

图8 Ⅲ型阻尼器的滞回曲线

1.4 Ⅳ阻尼器模拟分析

Ⅳ型阻尼器主要是结合剪切板阻尼器和蜂窝状阻尼器[6]，与蜂窝状阻尼器不同的是开洞的布置方向，蜂窝状为横向布置，Ⅳ型阻尼器为纵向布置。两开洞之间预留的区域为塑性区，起到耗能作用。通过对Ⅳ型阻尼器的应力分布图进行分析发现，预留的塑性区起到的作用没有横向预留塑性区的蜂窝状阻尼器作用大，考虑原因是水平剪力一定的情况下，预留的塑性区越宽，水平刚度就越大，越难以起到预留作用。Ⅳ型阻尼器因为开洞为正六边形，在六边形顶点处，出现了较大的应力集中，Ⅳ型阻尼器的应力分布如图9所示。

图9 Ⅳ型阻尼器的应力分布

Ⅳ型阻尼器在几种水平位移情况下的水平刚度分别为28.89，13.67，8.24，4.59，3.05，2.40 kN/mm。该阻尼器的弹性刚度为34.89 kN/mm，阻尼器的滞回曲线较横向放置的蜂窝状阻尼器相比更加饱满，消耗地震能量更多。Ⅳ型阻尼器的滞回曲线如图10所示。

图10 Ⅳ型阻尼器的滞回曲线

1.5 V型阻尼器模拟分析

V型阻尼器主要改变开缝方式，两端缝宽小，缝宽随着往腹板中部靠近逐渐增大。为了避免出现应力集中，开缝选择光滑过度，两边开缝并不连接，腹板中部保留一块区域提供水平刚度。

对V型阻尼器的应力云图分析，阻尼器的应力分布类似Ⅲ型阻尼器，最大应力区域出现在开缝周围，因为Ⅲ型阻尼器开缝为贯通式，所以其腹板中部应力较V型阻尼器大，并且V型阻尼器因为保留了腹板中部提供水平刚度，所以V型阻尼器的水平刚度比Ⅲ型阻尼器大。V型阻尼器的应力分布如图11所示。

图11 V型阻尼器的应力分布

经计算，V型阻尼器在几种循环荷载情况下的水平等效刚度分别为23.03，11.26，6.39，3.73，2.59 kN/mm和2.04 kN/mm。其水平刚度与Ⅳ型阻尼器刚度相近，分析原因是二者都保留了腹板中部区域提供刚度，V型阻尼器的最大水平剪力是23.987 kN，为IV阻尼器最大水平剪力的84.95%。V型阻尼器的滞回曲线也与IV型类似，但没有IV型饱满。V型阻尼器的滞回曲线如图12所示。

图12 V型阻尼器的滞回曲线

2 5种阻尼器的综合对比

5种阻尼器在材料利用方面，利用率最高的是Ⅲ型阻尼器，利用率最低的是Ⅰ型阻尼器，通过应力分布发现，阻尼器的腹板中部应力最小，Ⅱ型阻尼器在腹板中部开洞，增加了腹板中部材料的利用率。在腹板开洞后，腹板易出现应力集中，但更适合建筑减震。

5类阻尼器的水平等效刚度最大的是Ⅰ型阻尼器，其次是Ⅱ型，再次是Ⅳ型，然后是V型，最后是Ⅲ型，水平等效刚度大小与开洞面积相关，开洞面积越小，刚度越大。对于单个阻尼器，阻尼器的位移越大，等效水平刚度越小，刚度退化的幅度随着位移的增加而减小，初始刚度越大，刚度退化越快。5种阻尼器在每种循环位移下的水平等效刚度如图13所示。

图13 5种阻尼器刚度变化

5种阻尼器的能耗性方面，选取每个阻尼器在位移6 mm的滞回曲线，耗能性最好的是Ⅰ型阻尼器，也较为饱满，其次是Ⅱ型，能耗性最差的是Ⅲ型阻尼器。经过计算，Ⅰ型阻尼器滞回曲线的包络面积为1 603.76 J,Ⅱ型阻尼器滞回曲线的包络面积为961.21 J，Ⅲ型阻尼器滞回曲线的包络面积为126.37 J，Ⅳ型阻尼器滞回曲线的包络面积为400.25 J，V型阻尼器滞回曲线的包络面积为318.71 J。5种阻尼器在6 mm位移下的滞回曲线如图14所示。

3 结论

通过对5种软钢阻尼器的模拟分析，得到以下结论。

(1)5种软钢阻尼器都有良好的耗能性，能量消耗最大的是Ⅰ型阻尼器，其水平位移6 mm的滞回曲线包络面积为1 603.76 J,但其水平等效刚度较大，在刚度较小的结构中，并不能起到保护建筑安全的作用，可以根据建筑的类型，确定结构刚度，选取5种阻尼器中刚度最适合的，以此起到对建筑最大的保护作用。

图14 5种阻尼器6 mm滞回曲线

(2)5种软钢阻尼器应力分布最均匀的是Ⅰ型阻尼器，但其材料利用率较低，水平刚度过大，对建筑安全保护有限，应力分布最不均匀的是Ⅳ阻尼器，原因是开洞各边过度不平缓，产生了应力集中，开洞后的阻尼器，腹板利用率较高，尤其是Ⅲ型阻尼器。每个洞周边的区域，都是区域应力的最大处。

(3)5种软钢阻尼器都有着良好的减震性能，能够保证建筑在地震作用或风荷载下的安全，同时也可以应用到建筑物的抗震加固改造中。