铅盘阻尼器耗能减震的性能研究

尹新生 孙 浩

(吉林建筑大学寒地绿色建筑技术工程中心,长春 130118)

0 引言

目前,由于建筑结构的要求对减震技术的研究已经越来越广泛,比如隔离减震技术、耗能减震技术.随着社会的发展,新设备的不断更新和研发,应用程序的增多,铅金属阻尼器逐渐发挥了其在某些关键领域的重要地位.这主要利用了铅受外力时发生弹塑性变形消耗地震能量转化为内能,从而达到减震、隔震的目的.

1 铅的基本性质

铅之所以能成为理想的弹塑性材料之一,是因为铅具有高密度、高电阻率、低熔点、低强度、导热率小、耐腐蚀、可塑性强、线膨胀系数大等特点.而且铅在发生较小变形时就能获得很好的耗能性能.铅在结构特征方面属于芯立方体结构,其刚度小、柔性高、延展性良好,并且具有良好的变形跟踪能力,这就注定铅在变形时可以吸收和消耗大量能量.

铅在变形过程中会发热,甚至溶化导致再结晶(室温以下温度),铅在变形的同时，会产生动态恢复过程,此时铅会进行动态再结晶,在此过程中，铅的应变硬化情况也会消失,其结构组织和性能会逐渐恢复到变形前的状态.

所以从理论上讲,铅是在普通金属之中唯一做塑性循环时(在室温下)不会产生累积疲劳现象的[1].综上所述,铅是一种极好的耗能材料,并有望广泛的应用到耗能减震装置里.铅的各项性能见表1和表2.

表1 纯铅的主要物理性能

表2 铅的室温力学性能

2 模拟铅盘受周期荷载滞回曲线

通过ABAQUS建模分析,铅盘直径采用400mm,厚度50mm,周期2hz,在铅盘周边均匀布置八个直径20mm的螺杆固定铅盘,盘中心布置直径20mm的随动杆,对随动杆施加周期荷载,测出力与位移数据,绘制滞回曲线.装配结构如图1,铅盘应力图如图2,滞回曲线如图3.

图1 装配结构 图2 应力图 图3 滞回曲线

采用同样模型分析,其他尺寸保持不变,对铅盘进行叠加,盘间距50mm,通过ABAQUS进行双盘分析,分别采用不同频率,不同振幅来研究对铅盘滞回曲线的影响如图4～图6所示.

(a)0.5Hz (b)1Hz (c)1.5Hz图4 铅盘阻尼器在不同加载频率时滞回曲线

(a)振幅±1mm (b)振幅±2mm图5 铅盘阻尼器在不同振幅时滞回曲线

20次循环加载图6 铅盘阻尼器在多次循环加载后的滞回曲线

3 结论

从图中模拟的滞回曲线分析发现,本文研究的铅盘阻尼器具有如下特点:

(1) 对于不同的试验加载频率,保持其他一切条件相同,频率从0.2Hz到5Hz,所得的滞回曲线基本一致,从而可知铅盘阻尼器的耗能性能与频率基本无关;

(2) 对于不同的试验加载位移,保持其他一切条件相同,位移从5mm到10mm,所得的滞回曲线更加饱满,从而可知铅盘阻尼器的阻尼力、阻尼比增加,而刚度降低,可塑性性质强,体现了铅盘阻尼器良好的耗能性能;

(3) 对实验模型进行多次循环加载后可以看到铅还能保持几乎原有的耗能性能,这正是由于铅具有动态再结晶功能,这也表明了铅盘阻尼器不仅没有累计疲劳,而且具有良好的耗能性能[4].

由此可见,铅盘阻尼器有很多优点:优秀的耗能性能、构件简单 、方便制作,是一种十分优秀耗能减振装置.它不仅可以作为耗能元件或限位装置应用在隔震系统中,又可以做为风振阻尼装置安装在建筑结构中.因此,铅盘阻尼器具有很大的研究空间和广阔的应用前景.

参 考 文 献

[1] 阎维明.房屋建筑减震控制理论和试验研究[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,1998.

[2] 丁于强.工程结构振动半主动控制发展现状与前景[J].湖南工业大学学报,2010,24(5):42-43.

[3] 张同忠.粘滞阻尼器和铅阻尼器的理论与试验研究[J].北京工业大学学报,2004,42(6):10-11.

[4] Hanson Robert D,Aiken Ian D,Nims Douglas K,et al.State-of-art and State-of-practice in Seismic Energy Dissipation[A].Proceeding of ATC-17-1 on Seismic Isolation[C].Springer-verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co.K,2013.