U形金属阻尼器沿开口方向的力学性能参数分析

赵丹，许育文

（1.杭萧钢构（海南）有限公司，海南 儋州 578101；2.东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013）

1 引言

地震作为一种常见的自然现象，对建筑结构的安全有着极大的威胁，其严重影响工程结构的安全性，造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失，因此，减震成为建筑设计的重要研究课题[1-2]。目前，建筑中减震构件多为金属阻尼器，其主要作用是对建筑所受的地震荷载以及强风荷载进行消能，从而减少灾害对建筑的破坏。其中，U形金属阻尼器是金属阻尼器的典型代表，因其具有形式简单、性能优良、取材方便等优点被广泛应用在建筑工程结构中[3]。其中金属阻尼器被国内外学者研究设计[4-9]，尤其是U形金属阻尼器具有良好的耗能性能，因此，被大量学者进行研究，但多是对扭转方向的性能进行研究，对沿开口方向的性能研究较少。

本文对U形阻尼器开口方向的性能进行研究，分别研究平直段长度、宽度、厚度以及圆弧段半径4个参数对沿开口方向受力性能的影响。通过ANSYS软件对构件进行数值模拟得到U形阻尼器的阻尼性能，对获得的参数进行参数分析。

2 U形金属阻尼器的构造

本文采用的阻尼器为软钢弯曲制作的U形金属阻尼器，U形金属阻尼器主要是由三大部分组成，分别为上平直段、弯曲段、下平直段。通过固定一侧平直段在另一侧平直段上施加沿开口方向的荷载，此时弯曲段会受压弯或者受到拉弯，U形金属阻尼器会由开始的弹性变形慢慢转为塑性变形进而开始耗能。

如图1所示，U形金属阻尼器主要几何参数有平直段长度L、宽度W、厚度t、半径r。

图1 阻尼器构造

3 有限元分析

3.1 模型介绍

为研究单个阻尼器沿开口方向拉压的力学性能，通过ANSYS软件建立精确的有限元模型。U形阻尼器选用8节点solid185进行建模，材料的弹性模量为205 000 MPa，泊松比为0.3，屈服强度为306 MPa，极限强度为450 MPa。材料模型选用服从Von-mises屈服准则的多线性等强化模型，首先以长度为40 mm，宽度为100 mm，厚度为10 mm和半径为40 mm的模型为初始模型,研究其在循环荷载作用下的力学性能。图2为其有限元模型图。拟静力循环加载采用位移控制，加载制度如图3所示。

图2 有限元模型

图3 加载制度

3.2 有限元结果分析

U形金属阻尼器在循环荷载F作用下得到的滞回曲线如图4所示。由有限元分析得到的滞回曲线饱满，呈纺锤形，说明U形金属阻尼器具有良好的耗能性能。

等效黏滞阻尼系数ξe是判别结构或构件在抗震中的耗能能力的一个重要指标，计算公式为：

式中，EDS为滞回阻尼耗能，等于最大位移处曲线包围的面积；ES为最大位移处割线刚度围成的面积。

图4 滞回曲线

等效黏滞阻尼系数越大，耗能性能越好。有限元模拟可得其等效黏滞阻尼系数为0.4176，表明其耗能性能良好。

3.3 参数分析

几何参数对U形金属阻尼器的力学性能有重要影响。通过ANSYS有限元软件对U形金属阻尼器参数进行敏感性分析。对不同平直段长度、宽度、厚度以及圆弧段半径这4个参数下的初始刚度进行对比分析。

图5为平直段长度和初始刚度的关系曲线。平直段长度参数范围为15~200 mm。其他参数与原模型保持一致。由图可知，随着U形阻尼器长度的增大，其初始刚度逐渐减小。且在15~55 mm区间较为敏感。

图5 平直段长度和初始刚度关系曲线

图6为宽度与初始刚度的关系曲线，除宽度外其他参数均与原模型保持一致，宽度参数范围为10~200 mm。由图6可知，随着U形阻尼器宽度增大，其初始刚度增大，且在10~40 mm区间其灵敏度较大。

图6 宽度和初始刚度关系曲线

图7为厚度与初始刚度的关系曲线，除厚度外其他参数均与原模型保持一致。其厚度范围为4~30 mm。随着U形阻尼器的厚度增大，其初始刚度不断增大，且厚度数值越大越敏感。

图7 厚度和初始刚度关系曲线

图8为半径与初始刚度的关系曲线，除半径外其他参数均与原模型保持一致。其半径范围为11~63 mm。半径增大，其初始刚度减小。且在11~23 mm区间较为敏感。

由此可知，U形阻尼器参数对其初始刚度影响较大，在设计应用中应合理考虑。

4 结论

以U形金属阻尼器为研究对象，通过有限元软件对其进行滞回性能分析以及参数化分析。其结论如下：

1）通过对U形阻尼器进行拟静力循环加载模拟，所得滞回曲线饱满，呈纺锤形，表明U形金属阻尼器具有良好的耗能性能。

图8 半径和初始刚度关系曲线

2）通过对U形金属阻尼器的平直段长度、宽度、厚度以及圆弧段半径进行参数化分析，平直段长度以及圆弧段半径的增大会导致其初始刚度的减小；宽度以及厚度的增大会导致其初始刚度增大，且在各区段敏感程度不同，应合理考虑。