方钢管铅芯阻尼器性能研究

胡强 陈劲飙 唐咸远

摘 要：针对方钢管更具适应性、节点构造简单、施工方便等特点，本文提出方钢管铅芯阻尼器.采用有限元方法对方钢管铅芯阻尼器的力学性能进行分析，并与圆钢管铅芯阻尼器进行对比研究. 结果表明，与圆钢管铅芯阻尼器相比，方钢管铅芯阻尼器的延性和屈服剪力略低、屈服后刚度略高、初始刚度与耗能性能相近. 因此，方钢管铅芯阻尼器能够满足耗能减震的作用.

关键词：方钢管铅芯阻尼器；屈服剪力；耗能性能；有限元

中图分类号：TU352.1 文献标志码：A

0 引言

将阻尼器应用于工程结构中，可大量消耗地震能量，减小地震损失[1-3]，降低地震给工程结构带来的损害.1972年Kelly等[4]首次提出利用金属塑性变形耗能减震，随后出现了各种金属阻尼器[5-6]，如钢阻尼器、铅阻尼器、形状记忆合金阻尼器和组合式阻尼器等.常见的钢阻尼器如梁式阻尼器、圆环阻尼器、钢棒阻尼器及钢板剪切阻尼器等，具有塑性能力强、延性好、工作性能稳定等优点.铅具有塑性高、强度低、润滑能力强等特点，且通过动态恢复与再结晶过程，其组织和性能可以恢复至变形前的状态，因而铅阻尼器具有较高的延性和塑性变形能力，能大量吸收能量，并具有较好的变形跟踪能力.目前的铅阻尼器主要有铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、铅粘弹性阻尼器等[7-9].周云等[7]提出钢管铅芯阻尼器，体现了“多种耗能机制共同耗能”的思想.

鋼管铅芯阻尼器采用内灌铅芯的圆钢管，具有构造简单、加工安装方便、耗能性能优良、工作性能稳定的特点.相对圆钢管而言，相同规格的方钢管的承载力和抗震性能更好，且方钢管与其他构件的连接更为简单方便，因而方钢管更具适应性.本文基于圆钢管铅芯阻尼器，提出方钢管铅芯阻尼器，并对方钢管铅芯阻尼器进行有限元分析，研究其力学性能，并对两者进行对比.

1 钢管铅芯阻尼器的构造

钢管铅芯阻尼器由钢管、铅芯、端板组成，其构造及各参数如图1所示.

如图1（a）所示，方钢管阻尼器对钢管中部外侧进行削弱以使塑性变形集中在削弱处，其中c为钢管非削弱段，l为削弱段，钢管厚度为t，削弱段最小厚度为t'，钢管与端板采用焊缝连接.阻尼器两端若设堵头，则堵头应位于端板中心且堵头为半球形，半径为R.制作时，可将一端端板与钢管焊接，灌铅后再焊接另一侧端板.

为方便对比，以圆钢管铅芯阻尼器[10]（SCD为无堵头，SCD-plug为有堵头）为基础，通过钢管截面面积与惯性矩等效（SSD-AI为无堵头，SSD-AI-plug为有堵头）、钢管截面面积与厚度不变（SSD-At）、钢管截面积与铅芯截面均不变（SSD-AA）、内外轮廓尺寸不变（SSD-Dd）等方式计算得到方钢管铅芯阻尼器的参数如表1所示.

2 钢管铅芯阻尼器的有限元模型

采用ABAQUS软件对阻尼器进行建模，采用C3D8R三维实体减缩积分单元，有限元网格划分如图2所示.模型的材料参数[9]为：钢管钢材弹性模量E=2.1×105 MPa，泊松比v=0.3，屈服强度fy=235 MPa，极限强度fu=400 MPa，极限应变εu=0.2；铅弹性模量为E=1.65×104 MPa，泊松比v=0.42，屈服强度fy=10.5 MPa.建模时，钢管与铅芯、钢管与端板之间采用绑定约束，端板与铅芯之间采用硬接触；试件底端为固定约束，顶端约束除水平方向外的其他自由度，并在顶端施加水平位移.

3 有限元分析结果

3.1 堵头的影响

分别对试件SCD，SCD-plug，SSD-AI，SSD-AI-plug进行推覆分析和滞回分析.如图3和图4所示，其荷载-位移曲线分3个阶段，即直线上升段、屈服后曲线段、下降段.无论圆钢管阻尼器还是方钢管阻尼器，堵头仅对曲线下降段有明显的影响，堵头能有效减缓下降段的降低趋势，使阻尼器的承载力不致降低过多；但对于直线段和屈服后阶段没有显著影响.

如表2所示，圆钢管阻尼器的屈服剪力和极限位移均高于方钢管阻尼器，但无论圆钢管阻尼器还是方钢管阻尼器，屈服剪力在有堵头时仅比无堵头时分别略大1.5%及0.6%，极限剪力分别略大0.83%及1.3%，而延性系数前者下降5.8%，后者增大3.9%，表明堵头对阻尼器的剪切承载力与延性的影响不大.

由图4试件滞回曲线所示，有堵头的阻尼器比没有堵头的阻尼器的滞回环略大，但其滞回曲线形状均非常饱满，均具有优良的滞回耗能能力.

综上所述，设置堵头能使钢管铅芯阻尼器的剪切承载力、延性、滞回耗能性略有提高，但提高有限，且堵头的设置在一定程度上增加了阻尼器构造上的复杂性.因此，本文主要讨论不设置堵头的阻尼器的力学性能.

3.2 圆钢管铅芯阻尼器与方钢管铅芯阻尼器的力学性能对比

为了研究阻尼器的力学性能，对比方钢管铅芯阻尼器与圆钢管铅芯阻尼器的性能，分析以圆钢管铅芯阻尼器SCD为基础，以不同等效方式获得的方钢管试件SSD-AI，SSD-At，SSD-AA，SSD-Dd共5个试件的剪力-位移曲线及滞回曲线，分别如图5及图6所示.

由表3及图5可知，所有试件的剪力-位移曲线均分为3段，即直线上升段、屈服后曲线段和下降段，所有试件直线上升段几乎相同；方钢管阻尼器的屈服后曲线由曲线段和近似直线段组成，而圆钢管阻尼器屈服后曲线的曲线段非常小；方钢管阻尼器的屈服位移、极限位移及延性系数均小于圆钢管阻尼器.

方钢管阻尼器除SSD-Dd外，其它3个试件的屈服剪力和极限剪力均小于圆钢管阻尼器；采用钢管与铅芯截面面积均不变方式的方钢管阻尼器（SSD-AA）的屈服剪力在5个试件中最小，但其剪力-位移曲线屈服后斜率即屈服后刚度与圆钢管阻尼器基本一致；采用面积与惯性矩等效方式的方钢管阻尼器（SSD-AI）的极限剪力小于圆钢管阻尼器，屈服后曲线斜率即屈服后刚度略大于圆钢管阻尼器，但非常接近；采用钢管截面面积与厚度不变方式方钢管阻尼器（SSD-At）的屈服剪力大于试件SSD-AI与SSD-AA，但略小于圆钢管阻尼器，但其屈服后曲线的斜率即屈服后刚度大于圆钢管阻尼器；采用内外轮廓尺寸不变方式的方钢管阻尼器（SSD-Dd）的屈服剪力与屈服后刚度均大于圆钢管阻尼器.

由图6可知，各试件的滞回曲线均较为饱满，都具有较好的滞回耗能性能，但方钢管阻尼器除试件SSD-Dd外，由于屈服剪力略小，导致其滞回曲线面积略小于圆钢管阻尼器，即圆钢管铅芯阻尼器的耗能性能略优于方钢管.

上述分析表明：试件SSD-AI，SSD-At，SSD-AA的屈服剪力与极限剪力小于圆钢管铅芯阻尼器SCD，而试件SSD-Dd则大于圆钢管铅芯阻尼器.究其原因，是由于圆钢管对铅芯的套箍效应强于方钢管，以及采用的不同的等效方式.对比表1所示阻尼器几何参数可知，由于采用钢管面积和惯性矩相等、钢管截面面积与厚度不变、钢管截面积与铅芯截面均不变的等效条件，使得方钢管的轮廓尺寸以及铅芯面积明显小于圆钢管，例如方钢管铅芯阻尼器试件SSD-AI的外轮廓尺寸减小了12.7%，内轮廓尺寸减小了13.6%，钢管厚度减小了9.1%，铅芯面积减小了5%；而采用内外轮廓尺寸不变的等效方法使得试件SSD-Dd的钢管面积增大了27.4%，钢管惯性矩增大了70%，铅芯面积增大了27.4%.

对比表1和表3可知，试件SSD-Dd的屈服剪力和极限剪力大于其它3个试件，表明可通过适当加大轮廓尺寸提高阻尼器的屈服剪力和极限剪力；试件SSD-AI的极限位移大于另外3个试件，表明可通过增大阻尼器高宽比来增大延性；试件SSD-AA的极限位移和延性系数大于试件SSD-At，表明可减小钢管厚度来提高极限位移和延性.

4 結论

综上所述，虽然圆钢管铅芯阻尼器的屈服剪力略高于方钢管铅芯阻尼器，耗能性能好于方钢管阻尼器，但方钢管铅芯阻尼器仍能满足工程需求，其屈服剪力相较圆钢管铅芯阻尼器而言降低并不大，且其延性较好；同时，方钢管铅芯阻尼器可通过适当加大钢管轮廓尺寸获得更好的力学性能，加大高宽比和减小钢管厚度获得更大的极限位移和延性；此外，由于方钢管铅芯阻尼器构造相对简单，制作方便，与其它构件的连接较圆钢管更为方便；因而方钢管铅芯阻尼器具有较好的工程应用价值.

参考文献

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Abstract：Dampers are prevalent in seismic structure on account of the effective reduction of earthquake damage and loss of the structure. Lead-filled circular steel tube damper has excellent energy dissipation and stable working performance， in contrast， the lead-filled square steel tube damper is more adaptive in simple and reasonable joint and convenient construction. Finite element model is built to study mechanical behaviors of the lead-filled square steel tube damper. Then the comparative study of circular and square steel tube dampers is conducted. The results indicate that the square steel tube damper has a little smaller ductility and yielding shear， higher post-yielding stiffness and almost the same energy dissipation. Therefore， the lead-filled square steel tube damper meets the demand of energy dissipation and seismic mitigation.

Key words： lead-filled square steel tube damper； yielding shear； energy dissipation behavior； finite element

（学科编辑：黎 娅）