金属橡胶耗能减震阻尼器参数确定方法

闫旭雯，赵亚哥白，丁甫政，于 鑫，邱宇欣，王志强

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 引 言

金属橡胶是由相互交错的空间网状结构的金属丝缠绕而成的一种弹性多孔材料。目前在工程机械、航天航空等领域，金属橡胶用作耗能隔震部位的材料比较广泛。在高低温、腐蚀环境等特种工况下，由金属橡胶制成的隔震器具有良好的隔震性能，所以目前在工程机械、海洋船舶等领域均有应用，但是作为耗能减震装置，在土木工程领域很少被使用，因此开发金属橡胶材料，制成具有自复位能力的新型金属橡胶材料耗能减震装置是有一定得工程前景的。

基于此材料的耗能减震装置的存在会对耗能减震结构的动力特性和动力反应产生较大影响，地震反应的控制效果由耗能装置出力的大小和能量的耗散而决定。为使金属橡胶阻尼器在连梁剪力墙结构中的耗能作用最大程度的发挥，使其既最大程度降低结构的地震反应，又避免附加给结构过大刚度而导致结构损伤。故需要对金属橡胶阻尼器进行合理的参数设计。本文主要初步设计金属橡胶阻尼器基本参数，为地震响应分析中，安装该阻尼器的耗能减震结构提供分析依据。

2 阻尼器基本参数初步确定

根据建立金属橡胶本构模型的方法，金属橡胶试验曲线按照0.27为相对密度，30%的应变幅值建立拟合的本构模型如图1所示。基于金属橡胶材料的阻尼器置于连续梁中时，当金属橡胶进入应力加强段时，本构模型的割线刚度增大，MR阻尼器的出力增加，随着连接梁附加刚度的增大，结构整体刚度增大，这使得加速度地震响应增大。因此，需要采用阻尼器的最大应变达到本构折线的拐点时(即未进入应力强化段)的应力和应变设计阻尼器长度和面积，以避免控制效果不佳。下面金属橡胶试验曲线按照相对密度0.27，应变幅值30%建立拟合的本构模型如图1所示，假设应变为24.3%即第一拐点时，为阻尼器达到最大出力。

图1 能力谱曲线和弹塑性需求谱曲线

3 阻尼器出力与横截面积设计

目前国际广泛采用的评价抗震能力的方法主要是静力弹塑性分析方法(Pushover方法)，这种方法是实现基于性能-位移抗震设计方法的关键之一。在12阶振型模式中，本文采用的是第一阶振型即倒三角形力加载模式，逐步施加静力荷载。应用ABAUQS有限元软件建立12层剪力墙连梁结构模型，对其进行静力荷载分析，进过数据的提取，得出基底剪力-顶层位移的Pushover曲线，如图2所示。然后再采用MATLAB软件折线拟合计算，得到的结果是：当Pushover整体结构屈服时，屈服点处对应基底剪力FS=2.02×106N，此时刻第3层右侧为连梁端部剪力最大值，用ABAQUS软件程序中的freebodycut命令提取数据，得到基底剪力值为456 KN，如图3、图4所示。

图2 倒三角形荷载pushover曲线

图3 整体结构屈服时刻连梁两侧剪力

图4 第3层连梁两端剪力

阻尼器的出力近似可认为是此剪力值，即阻尼器的出力为45.6吨。阻尼器横截面积A：

(1)

4 阻尼器长度L设计

图5 整体结构屈服时刻层间位移

应用静力弹塑性分析方法施加静力荷载推覆分析时，当结构到达屈服点时，通过ABAQUS软件处理数据，得到模型所有12层的层间位移，如图5所示，由图中可以看出，最大位移值为第8层层间位移，即Δfy=3.31 mm。图6表达的是连梁端部相对变形与层间位移之间的几何关系，由图中可以分析得出，连梁端部相对位移与层间位移有一定的关系.

图6 层间位移与连梁端部位移的关系

(2)

式中：lc—连梁长度；H—连梁高度；Δfy—层间位移

按照上述位移设计阻尼器的长度

(3)

5 结 论

本文应用静力弹塑性方法(pushover)，在12阶振型中选取第一阶振型即倒三角形荷载加载模式，对ABAQUS建立的12层有限元模型进行推覆分析，绘制出剪力墙结构的基底剪力-顶层位移pushover曲线，根据上述曲线确定整体结构屈服点时刻的连梁端部剪力与屈服位移，初步设计出金属橡胶阻尼器的基本参数。得到如下结论：

将整体结构屈服时刻对应连梁端部的剪力作为阻尼器的出力的方法是可行而有依据的，按照此方法计算出该阻尼器的出力为45.6 t，再由阻尼器出力进而确定阻尼器横截面A=0.316 m2。

当整体结构推覆至屈服时刻，根据12层中最大的层间位移计算得到的连梁端部相对位移作，根据几何关系得出阻尼器变形，进而确定阻尼器长度L=34 mm。

在后续研究工作中可按照上述参数作为基准参数，设计不同的阻尼器参数组合，分析金属橡胶阻尼器的特征参数对结构地震反应及损伤的影响规律，根据上述规律，设计出最佳的阻尼器参数组合，为最终达到金属橡胶阻尼器作为土木工程结构减震用阻尼器的应用奠定研究基础。