剪切金属软钢阻尼器设计与试验研究

徐瑞祥 张亚军 李 炯

(1.丰泽智能装备股份有限公司，河北 衡水 053000； 2.河北省减隔震技术及装置工程技术研究中心，河北 衡水 053000)

0 引言

地震发生给人类社会带来了巨大的灾难，尤其是近期全球地震活动比较频繁，在中国先后发生了汶川、玉树较大级别的地震，小震更是多次发生。在此背景下，中国也提高了地区的抗震级别，这给建筑的抗震、减震设计带来了挑战，也带来机遇。然而，在提高抗震等级的同时，工程设计人员将面临在建建筑的抗震加固，一般工程设计人员在原有建筑的结构中增加消能减震措施，降低建筑层间位移角，实现建筑的地震设防。建筑消能减震技术有：

1)隔震技术，其代表产品是叠层橡胶支座，优点：明显降低地震作用，对上部和下部的减震效果均比较明显。缺点：这类产品需要在原有结构中单独设置隔震层，在建建筑无法设置隔震层。

2)位移型阻尼器技术，代表产品是屈曲约束支撑，优点：屈曲约束支撑的刚度和屈服力都比较大，应用在框架结构中可以明显降低结构的层间位移角，小震一般按弹性设计，产品在中大震下进入屈服状态耗能。缺点：屈曲约束支撑布置方式为斜向布置，给建筑隔墙的砌筑带来较大困难，住宅结构，影响更加明显。

3)速度型阻尼器，代表产品是黏滞阻尼器，优点：黏滞阻尼器一般不考虑其对结构的附加刚度影响，对降低结构的地震力有一定的帮助。缺点：黏滞阻尼器一般需要定期维护和检查，因此建筑方面比较难处理。对于住宅而言黏滞阻尼器的使用年限也有一定的限制。另外，黏滞阻尼器在大震阶段的出力和耗能与金属型阻尼器相比有一定的差距，大震的安全余量较低。

4)金属阻尼器：代表产品是剪切型金属阻尼器。优点：剪切型金属阻尼器的初始刚度较大，耗能效果较好，既可以为上部结构提供一定刚度，又可以给整个结构提供一定的阻尼比。产品的体积小，放置在隔墙中可以不影响建筑功能。缺点：对建筑的隔墙有一定影响，可能会引起墙体的裂缝，需要采取措施控制产品与墙体之间的缝隙。

综上所述，综合考虑对在建建筑的加固，金属剪切型阻尼器对原有结构影响最小。现在国内钢材技术日益成熟，本次设计了剪切金属软钢阻尼器，主要受力部分采用LY160软钢，加工了2组不同截面尺寸，每组3个试件，进行水平滞回试验，研究其力—位移水平滞回曲线、疲劳性能及耗能性能，为剪切金属阻尼器的工程应用提供参考。

1 剪切金属软钢阻尼器的构成及各部件功能

剪切金属软钢阻尼器主要由腹板、翼缘板、连接板构成，如图1所示。腹板为阻尼器主要受剪切力的部件，当阻尼器承受大的水平载荷时，腹板将沿宽度方向发生剪切变形，腹板应力不超过钢材的屈服应力阶段变形为弹性变形，超过屈服应力后将发生塑性变形，两侧翼缘板同时发生弯曲变形，利用钢材的弯曲实习耗能。为了保证腹板沿其宽度方向有较大的水平变位能力和足够的稳定性，翼缘板与腹板焊接到一起，用翼缘板的刚度约束腹板的扭转。

2 试验

2.1 试验用试件

表1 A，B组剪切金属软钢阻尼器设计参数

试验设计了2组不同截面尺寸，每组3个剪切金属软钢阻尼器试件，2组试件编号分别为A1～A3，B1～B3。表1列出了2组试件的具体部件尺寸，L1为腹板宽度；L2为腹板高度；L3为腹板厚度；L4翼缘板宽度；L5为翼缘板厚度；2组试件的上、下连接板厚度均为20 mm。腹板采用LY160钢材制作，钢材拉伸曲线见图2，拉伸数据见表2，钢材力学性能稳定，三个试样的伸长率均超过50%，其伸长率明显大于普碳钢Q235，说明试验具有更好的塑性，能够承受较大的冲击载荷，试样力学性能符合JG/J 209—2012建筑消能阻尼器[1]对金属屈服型阻尼器的要求。

表2 LY160软钢拉伸数据

2.2 试验设备及加载方式

试验采用的加载设备如图3所示，为长春机械科学研究院有限公司制造的橡胶支座压剪试验机(ZYDL-YJ10000)系统，试验机水平三个推力油缸，最大水平力2 000 kN，单油缸水平推力700 kN，水平最大速度200 mm/s，试验机液压系统采用电液伺服控制，力和位移由相应的动态传感器采集。

剪切金属软钢阻尼器的试验包括水平滞回试验、极限位移幅值循环加载和等位移幅值疲劳加载试验。进行水平滞回试验和极限位移幅值循环加载试验的试件为A1，A2，B1，B2，加载历程如图4所示。试件为A3，B3进行±20 mm，30个循环低周疲劳试验。

3 试验结果与分析

3.1 试验过程与现象

试件A1，A2，B1，B2进行水平滞回性能试验，位移幅值由0.4 mm逐步增加至22 mm，每个幅值进行3个循环后，试件保持完好，随即进行极限位移幅值循环加载试验，试件A1，A2，B1，B2极限位移幅值均达到42 mm后出现试件破坏。其中A1，A2试件连接板与翼缘板连接处发生破坏，B1，B2件破坏发生在腹板加强肋处。试件A3，B3进行低周疲劳试验，位移幅值20 mm，循环30次，试件未发生破坏，且刚度稳定，符合相关标准规定。由表1数据所知，A型试件宽高比明显小于B型试件，试验现象表明阻尼器腹板的宽高比较小时，翼缘板与连接板处弯矩过大，翼缘板与连接板的连接焊缝开裂，引发连接板破坏；阻尼器腹板的宽高比较大时，腹板中间加强肋处焊缝引发腹板剪切开裂破坏；阻尼器破坏处都是在阻尼器加工焊缝处开始，说明阻尼器加工引起的应力集中现象明显。

3.2 水平滞回加载及等位移幅值疲劳加载

图5绘制了各个试件水平滞回加载曲线，随着加载位移幅值的逐步增加，滞回曲线包络面积越来越大，呈饱满稳定的梭形，在其设计使用位移20 mm处，A1，A2，B1，B2试件均表现出稳定的力学性能，承载力没有下降。A3，B3进行了位移幅值20 mm的30次低周疲劳，承载力下降不明显，滞回曲线光滑，无异常，由此可见2组阻尼器具有稳定的滞回性能及良好的疲劳性能。

3.3 极限位移幅值循环加载

极限位移循环加载曲线如图6所示，随着位移幅值的增加，滞回曲线包络面积也随之增加，最终以试件发生破坏停止试验，其中A2试件连接板与翼缘板连接处发生断裂，导致承载力严重下降。

3.4 耗能能力

等效阻尼比是衡量构件吸收耗散外界能量的指标，图7绘制了试件的等效阻尼比—位移关系曲线。根据图7所示，在设计位移20 mm下，A型和B型试件最大等效阻尼比可达36.4%～39.5%。在位移2 mm工况下，A型试件等效阻尼比B型试件高56%，A型试件腹板的宽高比0.325，B型试件腹板宽高比0.5，腹板的宽高比对阻尼器的小位移的等效阻尼比影响较明显。A型和B型试件在中等位移工况下，等效阻尼比均有明显的台阶，可认为钢材进入屈服后对等效阻尼比的影响。

4 结语

通过对2组不同截面尺寸的剪切金属软钢阻尼器试件的不同位移幅值下水平滞回试验研究，分析了剪切金属软钢阻尼器的极限位移幅值下的破坏形式和截面尺寸对水平滞回性能的影响。

1)采用软钢制造剪切金属阻尼器具有良好的水平位移变位及耗能能力，可满足建筑标准对阻尼器的要求。

2)剪切金属软钢阻尼器的极限位移是设计位移的2倍，提供了安全保障。

3)通过试验现象分析，剪切金属软钢阻尼器的破坏是发生在阻尼器加工时的焊缝处，所以剪切金属阻尼器的加工引起的应力集中需加以重视。