软钢阻尼器发展及应用综述

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510000)

引言

地震和风振作用相当于能量的输入，因此在强震和大风作用下的结构物应有足够的耗能能力，才能够避免发生破坏。结构消能减震技术是一种新的主动的抗震防灾技术，在采用消能减震技术的结构体系中，结构的某些非承重构件被设计成具有较大耗能能力的特殊元件——阻尼器，小风小震时，结构本身具有足够的侧向刚度以满足使用要求，结构处于弹性状态；大震大风时，随着结构侧向变形的增大，阻尼器率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，集中地耗散结构的地震或风振能量，迅速衰减结构的振动反应，从而避免或减小主体结构的损伤。而消能减震结构的实现主要依赖于研制出简便实用的消能减震装置——阻尼器，目前国内外已研制出大量的阻尼器，其中软钢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。

一、软钢阻尼器的研究和应用

软钢阻尼器是结构被动控制中耗能减震装置的一种，在地震或风振时，通过软钢发生塑性屈服滞回变形而耗散输入结构中的能量，从而达到减震的目的。由于软钢阻尼器构造简捷，力学概念明确，技术性能可靠且易实现，自1972年美国学者J·T·P·Yao提出结构振动控制概念以来，各国学者不断地对软钢阻尼器进行理论和试验研究，并开发出各种构造形式的软钢阻尼器。

1972年，新西兰的Keiiy等人首先提出金属屈服耗能器，并进行了软钢阻尼器的研究和试验，该阻尼器由数块矩形钢板叠加组成。1975年，新西兰的Skinney等人提出U形钢板阻尼器，并于1980年最早将钢阻尼器应用于新西兰政府办公楼这一实际工程中。1978年新西兰的Tyier提出的锥形软钢阻尼器在意大利NapieS的一幢29层的钢结构建筑中采用。1981年美国的Stiemer等人提出的钢管阻尼器在新西兰的一幢6层政府办公楼中应用。目前较具特色的软钢阻尼器是三角形软钢阻尼器(TADAS)和X形软钢阻尼器(XADAS)两种，分别是Whittaker等人和TSai等人研究开发的，是目前应用较多的软钢阻尼器。美国旧金山的两幢和墨西哥的三幢结构成功地采用了XADAS进行抗震加固。值得提出的是：日本和美国新近出现的抑制屈曲支撑软钢阻尼器，在其内核钢支撑和外包层(钢管、钢筋混凝土或钢管混凝土)之间形成无粘结滑移界面，防止内核钢支撑在压力作用下屈曲，从而获得丰满的滞回曲线。该阻尼器具有方便耐用、滞回耗能性能良好的特点，逐渐得到工程界的广泛认可。至今为止，国外采用软钢阻尼器建筑已超过百幢，以结构控制技术应用发展较快的国家如美国、日本、加拿大、新西兰、墨西哥为主，意大利、法国、俄罗斯、新加坡等国家也在实际工程中积极地应用。

我国自1980年王光远院士提出了高耸结构风振控制开始，已有越来越多的学者投入到软钢阻尼器的研究和开发中，1995年台湾学者高健章和叶瑞孝考虑到加劲阻尼装置的X形和三角形钢板排列过于紧密，提出改进型加劲阻尼装置。1997年，哈尔滨工业大学的周云、刘季研制出了软钢圆环耗能器，随后为避免耗能器初始刚度和屈服力低、耗能量有限的缺点，又加以改进提出双环软钢耗能器和加劲圆环耗能器，并分别进行了试验研究。2003年中国地震局力学所的邢书涛等人将矩形钢板阻尼器改进为中空菱形钢板阻尼器，使阻尼器钢板沿高度方向在相同厚度处各点同时达到屈服，从而大大提高了耗能能力。2004年，哈尔滨工业大学的李玉顺等人提出了极低屈服点软钢阻尼器，并进行了室外足尺拟动力试验。但我国软钢阻尼器实际应用较少。

二、软钢阻尼器消能减震结构体系的抗震设计方法

软钢阻尼器通常安装在主体结构的交叉支撑、人字型支撑或单斜支撑上组成耗能减震体系。结构抗震设计采用的是“二阶段”的设计方法，消能减震结构也采用“二阶段”的设计方法：第一阶段，在小震或风载作用下，主体结构及耗能减震装置处于弹性状态，可以提供足够的附加刚度使耗能减震体系满足第一和第二水准要求；第二阶段，在强烈地震下，耗能装置通过往复滞回变形消耗输入结构体系的能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态从而实现第三水准的要求。

耗能减震结构体系的运动方程为：

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三、软钢阻尼器消能减震结构存在的问题和发展方向

虽然软钢阻尼器耗能减震技术的研究和应用已取得较大的进展，但还有许多问题有待研究和解决。

1.目前国内外开发的软钢阻尼器形式和构造均较复杂，故研究较多，实际应用较少。开发方便耐用、耗能能力强、便于大规模应用于实际工程的软钢阻尼器成为当务之急。

2.低屈服点的软钢阻尼器在较强的地震和风振下才会起作用，且需装设相当数量，需寻找极低屈服点材料的阻尼器，使其更有效。

3.软钢阻尼器在工作时整体屈曲和局部屈曲以及钢板的薄膜效应都会对阻尼力-位移滞回模型产生影响，需进一步探讨更准确的本构关系。

4.尚无消能减震体系的有关设计、施工等定量定性标准规范，还需编制相应的计算分析软件。无论如何，软钢阻尼器耗能减震结构体系比传统的抗震体系能更加有效地减震，并具有技术简明、稳定可靠、适用性广等优点，必将成为一种在实际工程中广泛应用的耗能减震体系。