新型开孔连梁金属阻尼器抗震性能研究★

韩松霖，宋 奇

(大连交通大学，辽宁 大连 116028)

近年来高层建筑得到了广泛发展，但其一旦发生破坏将造成巨大的经济财产损失，且高层建筑的震后修复时间及成本极大影响其震后功能恢复能力。为此，学者们提出了可更换耗能构件，将其应用于结构的主要耗能部位，通过其屈服变形进行能量的吸收，进而避免主体结构发生破坏带来的巨大经济财产损失。连梁作为剪力墙结构的主要耗能构件，其可设计为可更换耗能构件。国内外学者在可更换耗能连梁的抗震性能方面已进行了大量研究。Fortney等[1]最早提出了可更换耗能连梁，其提出的连梁由消能梁段和两端的固定梁段组成。滕军等[2-3]提出了一种带缝金属连梁阻尼器，并通过拟静力加载试验研究了其抗震性能。李冬晗等[4-6]提出了一种X型钢板金属连梁阻尼器，并对其抗震性能进行了数值分析。陈云等[7]提出了一种菱形开孔连梁阻尼器，并对其力学性能和破坏过程进行了分析。本文在设有附加面外约束的圆形钢板上进行开孔，提出了具有不同开孔形式的新型连梁阻尼器，并对其开孔形式进行了分析，研究了不同开孔形式新型连梁阻尼器的抗震性能。

1 连梁阻尼器设计

本文提出的阻尼器通过内部设有孔洞的钢板进行剪切屈服耗能，外部钢管式约束板可约束内部耗能钢板，防止其发生平面外屈曲而导致阻尼器过早发生破坏，连梁阻尼器具体见图1。采用3种开孔形式，分别为开单孔、三孔和五孔，内部剪切耗能钢板厚度为30 mm，外部约束钢管内径、外径尺寸分别为150 mm和180 mm，宽度为200 mm。各开孔形式下其开孔面积均保持一致，均为31.4×103mm2。针对不同开孔形式，研究各工况下连梁阻尼器的力学性能。

通过上下加载板和约束板分别对连梁阻尼器进行加载和固定，上部加载板施加低周往复位移荷载，内部耗能开孔板通过剪切屈服进行耗能，同时外部约束板发生弯曲变形进行屈服耗能，并对内部耗能钢板起到约束作用。本文连梁阻尼器选用Q235级钢，其屈服强度为235 MPa，弹性模量为210×103MPa,泊松比为0.3。

2 有限元模型建立

基于ABAQUS软件建立连梁阻尼器的有限元模型，上下加载和固定钢板、外部约束钢管和内部剪切钢板均采用八节点三维实体减缩积分单元C3D8R，各组部件之间的焊接关系并未在建模过程中加以考虑，采用整体式建模方式进行建模，通过切割完成各工况的设置。上部加载板通过参考点进行刚体连接，位移荷载施加于参考点之上，下部约束板则进行完全固结，其有限元模型如图2所示。阻尼器各组件材料均采用双线性随动强化本构模型。

3 力学性能分析

3.1 滞回性能

采用前述建立的有限元模型，加载板刚体耦合参考点上施加低周往复位移荷载，模拟地震过程中产生的外部循环往复荷载。计算得到各工况下连梁阻尼器的荷载-位移滞回曲线如图3所示。从图3中可以看出，同等开孔面积条件下，耗能剪切板开设五孔的阻尼器承载力显著高于单孔阻尼器，其最大承载力值提高87.5%；三孔阻尼器承载力值同样高于单孔阻尼器，其提高幅度为28.7%。通过观察滞回环可以看出，开设无控的阻尼器滞回曲线更加饱满。

3.2 耗能能力

耗能能力是连梁装置弹塑性变形过程中重要的力学性能指标。可用累计滞回耗能及等效黏滞阻尼比ξeq加以描述，其具体表达式见式(1)。

(1)

其中，ED为每周滞回环包含的能量；ES为最大位移处割线刚度包含的面积，本文取不同工况下节点累计滞回耗能E和最大位移幅值对应的等效黏滞阻尼系数ξeq进行对比，具体见表1。

表1 各工况下的耗能性能

从表1可以看出，开设三孔的阻尼器累计滞回耗能低于单孔和五孔阻尼器，耗能能力最差，而设有五孔的阻尼器耗能能力最强。同时，三种开孔形式下等效黏滞阻尼系数均在30%～40%之间，差异不大。可见，开孔数量并不是本文连梁阻尼器的唯一决定性影响因素，应综合考虑开孔形式、位置和数量对连梁阻尼器耗能能力的影响，以此对连梁阻尼器进行性能设计和优化。

3.3 应力-应变分析

完成位移加载后，阻尼器von-mises等效应力云图见图4。

从图4可以看出，开设五孔的阻尼器应力、应变分布更加均匀，屈服区域更大；外部屈曲约束板随着开孔数量的增加其屈服区域也更加分散，而开设单孔的连梁阻尼器其应力、应变分布较为集中，进入屈服的区域更加有限，耗能效果也随之下降。可以看出，随着阻尼器开孔数量的增加，阻尼器进入屈服区域的面积显著增大，阻尼器减震耗能能力显著提高。

4 结语

本文基于金属阻尼器的减震耗能特点提出了一种新型开孔软钢连梁阻尼器，通过数值模拟获得了以下结论：

1)该新型连梁阻尼器能够通过外部约束板避免剪切耗能钢板过早进入屈曲状态，其剪切耗能板能够提供较好的减震耗能能力。2)针对不同开孔形式发现，开设五孔的连梁阻尼器的抗震性能最佳，其承载力也显著增强，耗能能力最佳。3)随着开孔数量的增加，耗能金属板的屈服区域更加分散，应力、应变分布更加均匀，阻尼器的耗能能力也随之增强。