新型T型软钢阻尼器耗能性能研究*

许 超 牛永锋 赵勇燮

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

自古以来，地震灾害严重威胁着人类的生存和发展,1976年唐山大地震,时隔32年后,2008年的汶川地震、2010年的玉树大地震,都造成了严重的人身和财产损失.随着科学技术和人民生活水平的提高,预防和抵御地震灾害的能力也在不断提高,结构的耗能减震控制技术由于其经济适用、构造简单、维护方便,最重要的减震效果良好等特点,越来越受到国内外学者的重视,因此，该技术是耗散地震输入能量的一种有效方法.

结构耗能减震控制方法通过消能器的设置来控制预期的结构变形,从而使结构主体在罕遇地震下不发生严重破坏.其中,软钢阻尼器由于其屈服点低,有较高的柔性和延展性,有较好的变形跟踪能力,环境和温度对其性能影响较小,在弹塑性变形过程中能吸收大量的能量,并且钢材造价低廉等特点,逐渐的被作为一种合理的耗能器提上日程.

1 T型软钢阻尼器的ABAQUS分析

1.1 T型软钢阻尼器建模

图1 开孔形式的T 型钢阻尼器示意图

T型软钢阻尼器由钢Q235加工而成,阻尼器由T形钢为原材料制作而成,型钢型号为宽翼缘 T200×204×12,长度为300mm(见图1)[1].

该阻尼器选择平面内受力方式,由于平面内受力形式下钢板的刚度较大,易发生剪切屈服耗能.为了克服阻尼器钢板平面内受力形式存在的缺陷,本文选择在钢板平面内开孔,实现多点的同时屈服.材料的本构关系采用理想的弹塑性模型,有关参数见表1.表中，fy为屈服应力;fb为极限强度;E为弹性模量;ωy为屈服应变;ωu为极限应变[2].

表1 Q235钢材的有关性能参数

1.2 T型软钢阻尼器的设计

T型软钢阻尼器由Q235钢材制成,截面形式如图2所示,该阻尼器通过人字支撑与主框架连接(如图3所示)[3-4].

图3中,H为肢高；B为肢宽,本文通过以控制肢高和肢宽为变量,对软钢阻尼器的滞回性能进行研究,共分为7种工况，相关参数见表2,分别对其进行ABAQUS有限元分析.

表2 T型软钢阻尼器单肢设计参数

图2 T型软钢阻尼器 图3 T型软钢阻尼器连接 图4 加载制度

1.3 加载制度

本次模型试验加载制度采用的控制位移加载法,常以屈服位移或最大层间位移的某一百分比来控制加载.根据加载幅值的不同可分为3种：变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载.本文选择变幅位移加载模式,在耦合点施加水平位移荷载如图4所示.

1.4 滞回特性静力试验ABAQUS分析

(1) 肢高对阻尼器耗能性能的影响. 图5所示为肢宽相同,均为30mm,肢高不同的试件TMH1～TMH4的滞回曲线对比情况.从图中滞回曲线看出,四个构件的屈服位移均为0.43mm,TMH1的屈服力、初始刚度均大于其他三个构件,但屈服后刚度也较大.表明肢宽相同时,肢高越小,阻尼器吸收的能量越多,耗能性能越好，数值分析结果见表3[5-6].

表3 开孔T 型钢阻尼器试件不同肢高数值分析结果

图5 TMH1～TMH4不同肢高试件的滞回曲线

图6 TMB1～TMB3,TMH2不同肢宽试件的滞回曲线

(2) 肢宽对阻尼器耗能性能的影响. 在表2中选取肢高同为100mm,肢宽分别为20mm,26mm,30mm,36mm的TMB1,TMB2,TMB3和TMH2进行有限元分析对比.图6所示滞回曲线中,四个构件的屈服位移同样均为0.43mm,在肢高同为100mm的情况下,随着肢宽的增加,各构件的屈服力和初始刚度也随着增大;肢宽越大,屈服后的刚度也越大,而且各个构件都出现了应力强化现象,肢宽越大,应力强化现象越明显;滞回曲线呈梭形,形状饱满,滞回性能良好，数值分析结果见表4.

表4 开孔T 型钢阻尼器试件不同肢宽数值分析结果

2 结论

通过对不同开孔尺寸的新型开孔 T型钢阻尼器进行数值分析,得到如下结论:

(1) 新型开孔T 型阻尼器屈服位移较小,滞回性能良好,耗能曲线饱满,具有良好的耗能性能;

(2) 对于影响开孔的肢高和肢宽进行对比,开孔率越小,屈服位移没有变化,但试件的初始刚度,屈服力,和屈服后的刚度越大,滞回曲线越饱满,呈现的耗能性能越稳定.

参 考 文 献

[1] 王 爽.新型开孔H型钢阻尼器参数分析与抗震性能研究[D].广州:广州大学,2012.

[2] 龙晓鸿,李 黎,唐家祥.I-型钢槽阻尼器的ANSYS仿真分析[J].华中科技大学学报(自然科学版),2002,30(8):79-80.

[3] 周 云.金属耗能减震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2006:10-40.

[4] 张文元,张敏政,李东伟.新型加劲软钢阻尼器性能与试验[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(12):1888-1891.

[5] 张文元,李姝颖,李东伟.菱形开孔软钢阻尼器及其在结构减震中的模拟分析[J].世界地震工程,2007,23(1):151-153.

[6] 李冀龙,欧进萍.X形和三角形钢板阻尼器的阻尼力模型(I)—基于双线性本构关系[J].世界地震工程,2004,20(1):10-15.