ε型钢阻尼器滞回疲劳性能分析及试验

刘军，律伟，张小锋，王京雁

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

ε型钢阻尼器滞回疲劳性能分析及试验

刘军，律伟，张小锋，王京雁

（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

ε型钢阻尼器是一种尺寸小、性能优越的金属阻尼器，可广泛应用于各种工程抗震结构中。本文分析了影响ε型钢阻尼器滞回疲劳性能的因素，应用数值仿真对该类阻尼器的滞回疲劳性能进行了分析及试验验证。结果表明：ε型钢阻尼器在循环载荷作用下具有良好的耗能作用，并且抗疲劳性能优越；在地震中可往复循环多次耗能，保护主体桥梁的安全。

ε型钢阻尼器；抗震；滞回疲劳分析；试验

近年来，随着铁路、公路建设的快速发展，对铁路桥梁和公路桥梁的抗震性能的要求也越来越高。传统的结构抗震方法是通过增强结构本身来抵抗地震力，但这种被动抗震的方法对于大跨度结构及桥梁结构会造成严重的制约［1］；同时增强结构会增加造价，消耗资源。弹塑性钢阻尼器具有良好的阻尼消能能力，在地震时通过往复塑性变形（滞回移动）消耗地震能量，减少对主体结构的损害。

目前国内外已研制出了大量的阻尼器，其中金属阻尼器具有稳定的滞回特性、良好的低周疲劳特性、不受环境温度的影响等优点，使其在实际工程中的应用前景极为广阔［2-3］。目前应用较多的金属阻尼器有E型钢、C型钢、非线性阻尼辐等阻尼器［4］。而ε型钢是一种最新研发的新型金属阻尼器，其重量比同类金属阻尼器更轻，占用空间也更小，阻尼消能性能优良，可以广泛用于各种工程结构中，特别是桥梁工程领域［5］。

目前ε型钢阻尼器已应用于阻尼抗震桥梁支座中，ε型钢阻尼器地震耗能的滞回循环次数即滞回疲劳寿命，反映了阻尼器的耗能能力和抗震能力，在设计时必须保证，在抗震标准和规范中也有相应要求。

1　影响ε型钢阻尼器滞回疲劳性能的关键因素

在一般的金属结构中，结构受力后材料处在弹性范围内，影响结构疲劳寿命的主要因素是应力，人们一直应用S-N曲线进行疲劳寿命分析，设计时主要考虑结构的最大应力。ε型钢阻尼器在地震滞回耗能时，已处在塑性范围内，不能再用经典的S-N曲线分析疲劳寿命，而应采用低周疲劳分析方法来分析滞回疲劳寿命。低周疲劳的研究使人们进一步认识到，在描述材料的疲劳性能时，应变是比应力更直接的物理量［6］。因此，对于ε型钢阻尼器滞回疲劳性能分析，采用应变寿命曲线（ε-N曲线）更为合理。

美国钢结构协会钢结构抗震规定ANSI/AISC 341-05、美国抗震规范FEMA450中滞回耗能试验均规定了钢阻尼器（如防屈曲支撑）最低累积塑性变形要求，这也表明了钢阻尼器滞回耗能时应变是影响其滞回寿命的主要因素。

因此，在进行ε型钢阻尼器滞回疲劳性能分析时，主要考虑其滞回耗能时的最大应变。

2　ε型钢阻尼器滞回疲劳性能分析

2.1ε型钢阻尼器最大应变的计算

ε型钢阻尼器原型如图1。其中a为ε型钢臂段的宽度，h为ε型钢的高度，L为ε型钢单段长度。

图1　ε型钢阻尼器原型

在给定外形的情况下，ε型钢屈服后的最大应变εmax主要与最大屈服位移dmax相关，引入经验公式进行估算。

在抗震设计中，ε型钢的最大地震位移dmax是一个给定的输入量，因此可以由上述公式求出ε型钢的最大应变εmax，而εmax关系到ε型钢疲劳阻尼寿命，根据本文作者的经验，其值不宜＞0.06。

下述仿真分析中将验证公式（1）的准确性。

2.2仿真分析

对构件进行疲劳分析时，首先进行结构的静态分析，得到相应的静态应力结果后再进行疲劳分析。

2.2.1静态计算

1）静态计算结构模型及载荷

按照ε型钢原型图，取a=41 mm，h=145 mm，L=120 mm，设计最大地震位移dmax=60 mm。静态计算采用有限元软件ABAQUS 6.11进行模拟，有限元模型及边界条件见图2。上下部分的连接板结构不是研究的对象，设为刚体；ε型钢设为变形实体，实体模型采用C3D8R单元，共划分网格23 613个。

图2　有限元模型及边界

阻尼元件材料采用Q345B钢材，具体参数如表1。

表1　Q345B材料参数

2）静态计算结果

图3　ε型钢应变云图

将ε型钢阻尼器按照±60 mm设计位移加载，得到在最大位移处的应变结果，见图3。应变的最大值为0.055。进入塑性阶段时，支座水平反力为205 kN。位移荷载和支座反力的滞回曲线见图4。滞回曲线呈梭形，形状饱满，耗能良好。

图4　ε型钢仿真滞回曲线

另外再选择两组不同尺寸的ε型钢进行了有限元仿真分析验证，并与公式（1）的计算结果进行了对比，见表2。

表2　公式计算值与仿真分析结果比较

从表2来看，公式（1）计算值与有限元结果相近，公式（1）对设计有指导意义。

2.2.2动态计算

1）疲劳寿命计算曲线

根据上述应力分析的结果，将静态计算的结果导入疲劳软件Fe-Safe，对组件进行疲劳寿命计算。由于此分析是在材料超过屈服强度的应力作用下的低周疲劳分析，因此采用应变疲劳分析方法。

此类疲劳特征是循环应力水平高、寿命短，屈服后应变变化大，应力变化小。其计算依据并不是常规的S-N曲线，而是低周应变疲劳曲线ε-N，表达式为

式中：σ'f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε'f为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数。曲线构建方式见图5。

2）疲劳寿命计算结果

按照ε型钢的工作方式确定疲劳分析谱为：60 mm—0 mm—-60 mm—0 mm。为得出较精确的寿命，以一个循环为设计寿命进行分析。产品表面粗糙度为50 μm。

图6是疲劳计算结果云图。从图6可知，ε型钢阻尼产品的疲劳寿命为32.8次，因此该产品可以完成32次疲劳分析谱的循环。

图5　低周应变疲劳曲线

图6　ε型钢阻尼产品疲劳寿命云图

3　ε型钢阻尼器滞回疲劳性能试验

为了验证ε型钢阻尼器滞回疲劳性能的分析结果，选取表2中的样品1，2进行了滞回疲劳性能试验。

试验采用的设备是1 000 t压剪试验机，试件按照实际尺寸制造。试验模拟钢阻尼桥梁支座的使用工况，依照交通运输部标准《公路桥梁弹塑性钢减震支座》（JT/T 843—2012）附录A中的要求进行［7］。

疲劳试验按照正弦波形式，以2 mm/s速度循环加载，位移±60 mm，直到ε型钢失效。图7及图8是ε型钢试验模型实物及试验设备图。

实物试验结果：试验设置循环加载至25次时，试件状态良好，阻尼性能稳定（见图9）；循环加载至32.5次时，样品出现明显裂纹，阻尼性能下降；35次循环加载后，试件1出现明显裂纹但未断裂，试件2断裂（见图10）。

从试验结果来看：支座反力为200 kN，可以完成的循环疲劳次数为32次，与有限元计算结果相符合。试验样品的滞回曲线饱满，与有限元计算的滞回曲线结果也接近，交通运输部标准JT/T 843—2012要求的加载循环仅为11次，而ε型钢远远超出其规定的循环次数，可见其优良的抗疲劳性能。亦即，ε型钢阻尼器在地震中可以循环往复多次不会失效，更加有效地耗散地震能量，保护主体桥梁结构。

图7　ε型钢试验模型实物

图8　ε型钢试验装置

图9　25次循环滞回曲线

图10　试件2试验结果

4　结论

通过对ε型钢阻尼器的滞回疲劳性能分析及试验，可以得出如下结论：

1）影响ε型钢阻尼器滞回疲劳性能的主要因素是其最大应变。

2）通过经验公式可以大致估算ε型钢阻尼器滞回耗能时的最大应变，并根据经验预估阻尼器的滞回疲劳性能，提高设计准确性。

3）试验表明，通过基于低周应变疲劳曲线ε-N的仿真分析，可以准确分析出ε型钢阻尼器滞回疲劳性能。

4）分析和试验表明，ε型钢阻尼器滞回疲劳性能优良，可以广泛用于各种抗震工程结构中。

［1］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.

［2］李世珩，陈彦北，胡宇新，等.E型钢阻尼器及其在桥梁工程中的应用［J］.铁道建筑，2012（1）：1-4.

［3］潘晋，吴成亮，仝强，等.E型钢阻尼器数值仿真及试验研究［J］.振动与冲击，2009（3）：192-195.

［4］刘军，宁响亮，李文斌，等.弹塑性钢阻尼元件在桥梁减震中的应用［J］.铁道建筑，2012（2）：22-24.

［5］刘军，律伟，张小锋，等.ε形钢阻尼器设计仿真分析及试验研究［J］.铁道建筑，2015（2）：21-24.

［6］靳慧.低周疲劳结构弹塑性分析与可靠性分析［D］.上海：同济大学，2005.

［7］中华人民共和国交通运输部.JT/T 843—2012公路桥梁弹塑性钢减震支座［S］.北京：人民交通出版社，2013.

Analysis and Test of Hysteretic Fatigue Performance of ε-shaped Steel Damper

LIU Jun，LYU Wei，ZHANG Xiaofeng，WANG Jingyan
（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China）

ε-shaped steel damper，a metal damper with small size and good performance，is widely applied to various anti-seismic engineering structures.T he factors affecting hysteretic fatigue performance of ε-shaped steel damper were analyzed through numerical simulation and experimental tests in the article.T he results indicate that the ε-shaped steel damper has good effect of energy dissipation and good anti-fatigue performance.T hrough multiple times of cyclic dissipation of energy，it may be used to prevent the main bridge from earthquake.

ε-shaped steel damper；Anti-seismic；Hysteretic fatigue analysis；T est

U442.5+5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.08

1003-1995（2016）09-0031-04

（责任审编孟庆伶）

2016-02-04；

2016-06-15

刘军（1970—），男，教授级高级工程师。