金属屈服型阻尼器发展简析

2021-08-27吴凯祺

河南建材 2021年9期

吴凯祺

上海外国语大学（200083）

0 前言

地震作为一种破坏性极强的自然灾害，随着城市化进程的加快，建筑的飞速发展，人员居住的集中，越来越被人们所熟知与警惕。为了减少地震对建筑物及构筑物的损害，阻尼器作为一种良好的被动减震构件，因其良好的耗能性能，被广泛运用在建筑结构中。最早的金属屈服型阻尼器由新西兰的Kelly等人在1972年[1]提出，自此之后金属屈服型阻尼器作为消能减震的构件，开始迅速发展。

1 X形及三角形金属阻尼器

X形及三角形金属阻尼器构成十分相似，皆由若干块X形或者三角形的钢板通过一定的限位装置，平行安装而成，如图1及图2，通过平行钢板的侧向弯曲变形耗散能量。

图1 X形阻尼器

图2 三角形阻尼器

Whittaker等人在1989年[2]研究开发了X形软钢阻尼器（XADAS），并进行了相关试验，证明了X形阻尼器具有良好的耗能能力和稳定的滞回性能。

为了消除X形软钢阻尼器竖向的轴力影响，Tsai等人在1993年[3]研发了三角形软钢阻尼器（TADAS），并进行了循环荷载试验和结构模拟的试验[4]，证实了三角形软钢阻尼器的在建筑结构中的耗能能力。

欧进萍等人在1995年[5]对X形、三角形软钢阻尼器进行了伪静力试验，并通过与摩擦阻尼器的对比试验，总结相关参数，推导了合理的计算模型。

在欧进萍的研究基础上，吴斌等人在1996年[6]、1997年[7]分别提出了适合X形及三角形软钢阻尼器的疲劳参数模型和考虑薄膜效应的疲劳验算准则。

李冀龙等人在2002年[8]根据形状记忆合金的分段线本构关系，推导了X形及三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滞回模型，2004年，其在基于软钢金属的双线性本构关系[9]和R-O本构关系[10]推导了X形及三角形阻尼器的阻尼力模型，并分析了试验结果与模型存在误差的若干原因。

2 圆环式金属阻尼器

Tyler等人在1983年[11]对最早期的圆环阻尼器进行了试验研究。

前苏联中央钢结构设计科学研究院哈萨克分院在1985年[12]对工字钢制成的圆环阻尼器进行了伪静力试验，验证了环形阻尼器对比矩形阻尼器的耗能能力及耐久性有比较明显的提升。

周云等人在1996年[13]设计了扁钢圆环阻尼器，并通过低周反复荷载试验，验证了圆环阻尼器具有稳定且较好的耗能能力，但该阻尼器存在初始刚度、承载能力低等问题，为此周云又分别提出了双环阻尼器[14]、钢屈服-摩擦复合耗能的圆环阻尼器[15]和加劲圆环阻尼器[16]。

之后，周云等人在2012年[18]对圆环阻尼器进行了进一步的优化设计，分析了不同参数对圆环阻尼器性能的影响，提出了局部削弱圆环阻尼器等。同年周云等人[18]又提出并设计了椭圆型阻尼器，如图3所示。

陈云等人在2018年[19]利用Q235钢板制作了环形钢板阻尼器并进行了试验，推导了恢复力模型，验证了其良好的变形能力和抗疲劳性能。

3 腹板开孔式金属阻尼器

Yasushi等人在1998年[20]提出了蜂窝状阻尼器，如图4所示，同时对其进行了拟静力试验，试验表明蜂窝状阻尼器的滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力。

图4 蜂窝状阻尼器

Wada等人在2000年[21]研制出与蜂窝状阻尼器耗能能力类似的槽型阻尼器，如图5所示。

图5 槽型阻尼器

邢书涛等人在2003年[22]研究了一种菱形开孔的金属阻尼器（HADAS），如图6所示，简析了其耗能原理：利用软钢芯板的弯曲屈服耗能，中空菱形的耗能钢板设计使阻尼器耗能芯板沿高度方向同时达到屈服，提高了耗能能力的同时极大程度的节约了阻尼器的制造成本。

图6 中空菱形阻尼器

张文元等人在2007年[23]提出了中空菱形阻尼器的数值模拟分析方法，证明了其具有良好的耗能性能，并于2008年[24]进行了振动台试验，证明了中空菱形阻尼器的滞回性能和抗疲劳能力。

李钢等人在2006年[25][26]提出了腹部开孔的工字形软钢阻尼器，如单圆孔型、双圆孔型、条型、双X型，并进行了拟静力试验，得到了腹板开孔形状对阻尼器滞回性能有较大的影响。其在2010年[27]，对装有“双功能”软钢阻尼器的框架结构进行了振动台分析试验，试验验证了单圆孔型软钢阻尼器、双X型软钢阻尼器具有初始刚度大、耗能能力强的优点。

王爽等人在2012年[28]提出了腹部开孔的H型钢阻尼器，分别是条形孔、椭圆孔及菱形孔，由于选择在H型钢的腹板上开孔，减少了阻尼器相关钢材之间的焊接，减少了焊缝残余应力等因素对阻尼器本身造成的影响，能更好的保证阻尼器的整体性，从而提升阻尼器的质量。

陈聪等人在2018年[29]对菱形开孔的金属阻尼器进行了形状优化，提出了X型腹板的菱形开孔剪切板阻尼器，开孔开于腹板上下两端，且各开半个菱形孔，腹板如同X型。

4 柱体式金属阻尼器

Tyler等人在1978年[30]设计了一款锥形钢悬臂阻尼器，但是这种阻尼器只能提供一个方向上的刚度和阻尼，限制了其发挥。而锥形钢棒阻尼器，可提供任意方向上的刚度和阻尼，性能更加优越。

周云等人在1997年[31]提出了钢管铅芯阻尼器，通过金属铅挤压滞回变形以及钢管滞回变形提供阻尼，并在随后几十年内对钢管铅阻尼器进行了改进和优化，对其性能[32]、耗能机理[33]、滞回性能[34]、疲劳性能[35]进行了更好的研究，验证了其优良的性能，同时提出了更优良的双曲型不钢管铅阻尼器[36]、波纹钢管铅阻尼器[37]。