开孔型防屈曲钢板阻尼器抗震性能研究

白洁BAI Jie；王强WANG Qiang；邱威威QIU Wei-wei；杨帆YANG Fan；刘蕴文LIU Yun-wen；闫玉翟YAN Yu-di

（沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168）

0 引言

阻尼器按照耗能变形方式主要分为剪切型阻尼器和弯曲型阻尼器。剪切型阻尼器具有构造简单、初始刚度大、耗能能力良好等特点，在消能减震结构中得到广泛应用。常见的剪切型阻尼器主要由软钢或者低碳钢制作而成，其耗能原理是在水平荷载的作用下，钢板阻尼器发生面内剪切塑性变形进而消耗地震产生的能量。

Seki[1]首先提出了剪切型钢板阻尼器，其构造由腹板、翼缘、端板组成，腹板为耗能板，利用腹板和翼缘钢材的剪切塑性变形消耗能量。随后，聂建国[2]对剪切型钢板阻尼器的初始刚度、承载力、耗能性能以及延性展开研究，结果发现，钢板角部面外屈曲显著，且存在撕裂现象，滞回曲线捏缩现象严重。针对这一问题，孔子昂[3]等学者试图在钢板表面开设不同形式的孔洞，结果发现，开孔可使钢板应力分布均匀，减小钢板角部的应力集中和面外屈曲，但是钢板角部还存在严重的面外屈曲现象，导致钢板的耗能曲线产生捏缩。Tanaka[4]通过设置加劲肋来抑制内嵌钢板的面外屈曲，结果发现，该方法可在一定程度上抑制钢板的面外屈曲，但是焊接处存在焊接残余应力，极易发生撕裂破坏。郭彦林[5]提出防屈曲钢板剪力墙，在钢板两侧设置约束混凝土板，混凝土板只承受内嵌钢板的挤压作用，不承担水平剪力作用。结果得出，防屈曲钢板剪力墙相比于普通钢板剪力墙可明显改善其耗能能力，但是钢板角部还存在较为严重的面外屈曲。金双双[6]对内部钢板开斜缝外部约束为混凝土板的组合形式的防屈曲钢板剪力墙进行研究，结果表明将二者进行组合具有良好的耗能能力，但是该构件钢板角部还存在着一定的面外屈曲，同时开斜缝构造复杂，不利于制作施工。

基于上述钢板在承受水平荷载作用的过程中，在弯矩和剪力共同作用下，角部存在应力集中产生的面外屈曲问题。本文将钢板开孔与外部防屈曲相结合，提出一种开孔型防屈曲钢板阻尼器，并通过有限元数值模拟研究钢板开孔、面外约束对阻尼器内嵌钢板的面外屈曲、应力分布及耗能能力的影响。

1 开孔型防屈曲钢板阻尼器的提出

本文提出的开孔型防屈曲钢板阻尼器主要由内嵌开孔钢板、外部约束混凝土板以及螺栓组成，内嵌钢板通过角钢和螺栓与结构梁的上下翼缘板进行连接。该阻尼器构造简单可适用于在工程现场进行组装，并便于后期的维护更换。翼缘板在承受水平荷载作用时，带动内嵌钢板发生剪切塑性变形，进而消耗地震产生的能量。为提高阻尼器耗能能力，在内嵌钢板中部开设均匀圆孔，通过削弱钢板中部的面积使应力分布均匀，改善钢板角部的面外屈曲。

2 有限元模型验证

为验证利用有限元软件Abaqus 进行有限元分析的正确性，基于文献[7]对已有纯钢板剪力墙试验进行有限元模拟分析。文献中纯钢板剪力墙尺寸为1200×1100mm，厚度为2.75mm，钢材为Q235 钢，钢板与框架上下梁通过高强螺栓和角钢进行连接，底梁通过锚固螺栓与地面进行锚固。试验中采用电液伺服加载装置对试件进行低周往复加载试验。

2.1 有限元模型建立

有限元模型严格按照文献中所述试验模型进行建模分析。钢板采用壳单元进行建模。将钢板与框架梁端之间的接触认为完全固结，忽略螺栓滑移对其耗能性能的影响，在内嵌钢板顶部和底部分别设定耦合其位移的参考点。按照试验的边界条件约束钢板底部参考点的平动自由度与转动自由度，并按照试验加载制度在顶部参考点进行水平位移往复加载。

2.2 钢材本构模型

对于钢材国内外学者提出了不同的本构模型，包括理想弹塑性模型、双折线模型以及三折线模型等。其中，双折线的随动强化模型可以反映往复加载过程中材料的包辛格效应，能够较好地描述钢材的力学性能。故本文中钢材选用双线性随动强化模型。按照试验材性测试，钢材弹性模量为215083MPa、泊松比为0.31、屈服强度为294MPa以及极限强度为429MPa。

2.3 计算结果对比分析

将有限元模拟分析所得的钢板顶部位移—荷载滞回曲线以及面外变形分布与试验结果进行对比，如图1、图2所示。可以看出模拟所得的阻尼器承载力、加卸载刚度、滞回曲线形状与试验结果基本一致，且面外变形分布也基本相同，其中角部存在严重的面外屈曲变形。模拟结果能够较好反映试件在加载过程角部面外屈曲造成滞回曲线的捏缩现象。有限元分析得出的滞回曲线相比于试验结果略微饱满，因为有限元分析是在理想状态下进行的，忽略了试验过程中螺栓滑移、人为干扰因素以及外部构件加工等因素影响。根据有限元模拟结果和实际试验结果的对比，可以得出有限元数值模拟可以较好地反映真实试验的受力情况。

图1 结果曲线对比

图2 面外变形对比

3 开孔型防屈曲钢板阻尼器有限元模拟

本节采用有限元软件Abaqus 对开孔型防屈曲钢板阻尼器在单调加载以及往复加载情况下进行数值模拟，研究其应力分布以及面外屈曲情况，并与纯钢板阻尼器以及开孔型钢板阻尼器进行对比分析。试件钢板尺寸为1200×1500mm，厚度为8mm，钢材取Q235，采用双折线随动强化模型，弹性模量为200000MPa、泊松比为0.3、屈服强度为235MPa 以及极限强度为360MPa。混凝土板厚度为40mm，强度等级C30，混凝土本构采用混凝土塑性损伤模型。考虑到制作加工精度，外部约束混凝土板与内嵌钢板初始间隙取为3mm。

3.1 单调加载情况下应力变形分析

在水平单调加载位移至30mm（试件高度/50）时，纯钢板阻尼器、开孔型钢板阻尼器以及开孔型防屈曲钢板阻尼器的Mises 应力分布以及面外屈曲变形结果分别如图3、图4 所示。

图3 应力分布对比

图4 面外变形对比

由图3 可知，纯钢板阻尼器的最大应力达到了349.6MPa，高应力区主要集中在钢板角部，钢板大部分没有进入屈服。开孔型钢板最大应力降低了12%，钢板中部应力有所提高，应力分布较为均匀。开孔型防屈曲钢板最大应力降低了20%，高应力区由角部扩展至钢板中部，钢板面积约80%进入屈服，应力分布明显均匀。开孔型防屈曲钢板最大应力的降低能够提高阻尼器的抗疲劳性能，减轻内嵌钢板角部的撕裂破坏。

由图4 可知，纯钢板阻尼器在角部区域发生较大面外变形，且最大变形为46.42mm。开孔型钢板面外变形分布相对分散，最大变形为42.99mm。开孔型防屈曲钢板在外部约束混凝土板的约束下，面外位移较小，最大面外位移仅为3.89mm，面外变形集中现象得到明显改善。钢板中部开孔减缓了钢板角部的面外屈曲，有利于降低对约束混凝土板以及约束螺栓的刚度要求，而约束混凝土板可有效抑制内嵌钢板的面外屈曲。

3.2 往复加载情况下滞回性能分析

在水平往复加载位移至30mm（试件高度/50）时，纯钢板阻尼器、开孔型钢板阻尼器以及开孔型防屈曲钢板阻尼器的滞回曲线结果如图5 所示。

由图5 可知，三种阻尼器具有相近的初始刚度、屈服位移和屈服荷载，且屈服位移较小，约为试件高度的1/500。加载位移较小（小于5mm）阶段，滞回曲线形状基本一致，这表明开孔和约束板对阻尼器的小位移阶段性能几乎没有影响。随着加载位移的增加，纯钢板和开孔钢板的承载力出现强度退化现象，滞回曲线存在明显的捏缩，其中开孔型钢板滞回曲线趋缓：而开孔型防屈曲钢板承载力呈稳定上升，滞回曲线呈饱满的梭形，且卸载阶段明显大于其余二者。

图5 滞回曲线对比

图6为三种阻尼器加载位移幅值与单圈滞回面积的关系曲线。可以看出在加载位移较小（小于5mm）阶段，三种阻尼器耗能能力基本一致，随着加载位移的增大，纯钢板和开孔钢板的耗能能力缓慢增加，而开孔型防屈曲钢板的耗能能力增长明显。当加载位移达到30mm 时，开孔型防屈曲钢板的耗能能力约为其余二者的2.6 倍。这是由于将开孔和防屈曲相结合，使得钢板的应力分布较为均匀、面外屈曲受到抑制，材料塑性耗能能力得以充分发挥。

图6 单圈滞回面积对比

4 结论

本文提出一种开孔型防屈曲钢板阻尼器，并通过有限元数值模拟研究钢板开孔、面外约束对阻尼器内嵌钢板的面外屈曲、应力分布及耗能能力的影响。得出如下结论：

①纯钢板阻尼器在承受水平荷载作用时，角部产生严重的应力集中和面外变形，滞回曲线产生明显的捏缩现象。②通过在钢板中部进行开孔可降低钢板角部的最大应力，使钢板中部应力有所提高，且应力分布均匀，同时减小了钢板角部的面外变形，耗能能力有所提高。③在钢板两侧添加约束混凝土板可有效抑制内嵌钢板面外屈曲，高应力区由角部扩展至钢板中部，钢板面积约80%进入屈服，应力分布明显均匀，滞回曲线呈明显梭形，耗能能力较好。