组合隔震装置力学性能试验研究

李玉琳赵玉鹏范夕森韩保润李莹

(1.山东青年政治学院 现代服务学院，山东 济南250103；2.济宁海达融创置业有限公司，山东 济宁272073；3.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；4.山东建大工程鉴定加固研究院，山东 济南250010)

0 引言

隔震建筑的隔震层要求有较小的水平刚度、足够的恢复力和一定的阻尼。在地震作用下，其上部结构的地震反应显著减小，但隔震层会产生较大的位移，阻尼装置在隔震层位移过程中消耗地震能量。铅芯橡胶隔震支座中的铅芯是提供阻尼的元件，但其生产和使用会有一定的环境污染，因此需要探究与天然橡胶支座配套使用的阻尼装置，以替代铅芯的作用。将位移相关型的金属阻尼器与天然橡胶支座组成隔震层，前者的初始刚度可以帮助后者抵抗风荷载和微小地震的影响，其阻尼可以增强隔震层的耗能能力，从而减小上部结构的地震反应[1]。

1992年，李树信等[2]研究了软钢实体圆锥棒的限位、消能性能，提出了软钢实体圆锥棒的刚度、强度的计算公式；另外，姚谦峰[3]分析了软钢U型带片的限位和消能性能，提出了U型带片的强度、刚度计算公式，给出了U型带片的弯曲半径、板厚、板宽以及外伸长度较为理想的取值范围；赵世峰等[4]组合了软钢棒与叠层橡胶支座，形成一种带限位钢棒的夹层橡胶隔震垫，通过模拟分析组合支座在罕遇地震作用下的力学性能，提出限位钢棒也可以作为安全储备成为结构抗震第二道防线的结论；郝红肖等[5]研制了一种S型钢阻尼装置，运用试验和数值分析方法，分析该阻尼器有较高的初始刚度和塑性变形能力，有良好的多向耗能能力，在纵向和横向好能作用基本一致；张令心等[6]优化了菱形开孔剪切性金属阻尼器的形状，提出了按受弯受剪条件下屈服强度相等的曲线确定菱形金属阻尼器的形状，研究发现优化形状的菱形钢板阻尼器塑型分布更加均匀，面内变形能力有所提高；陈云等[7]提出了一种环形Q235钢板阻尼器，通过低周反复加载试验，发现该阻尼器能实现多截面屈服，有大变形能力，饱和的滞回环和优良的抗疲劳能力，在试验研究基础上，提出了此类钢板阻尼器的力学性能计算式和恢复力模型，研发了一种内外环的分级屈服型金属阻尼器[8]，运用低周反复加载试验研究了其滞回性能、等效粘滞阻尼和抗疲劳性能，提出了三折线的力学模型，建立了骨架曲线性能点的计算公式。

合金阻尼器的研究主要集中在形状记忆合金阻尼器的力学性能和减震效果上[9-10]，锌铝合金具有常温下超塑性特性，有较好的变形能力，可以制成阻尼器。学者们通过数值分析方法，研究了Zn-22Al合金阻尼器的性能，结果表明，Zn-22Al合金具有很好的延伸率，在变形过程中没有明显的拉伸硬化，是制作减震阻尼器的理想材料[11-14]。文章旨在研究一种合金阻尼器，用以替代铅芯橡胶支座的铅芯，并通过低周反复加载试验，研究Zn-22Al合金棒阻尼器及其与天然橡胶支座组成的组合装置的力学性能。

1 棒型合金阻尼器力学性能试验研究

1.1 Zn-22Al合金棒形阻尼器的制备

等截面棒体耗能元件的长细比对其性能影响较大[15]，所以需要根据棒形元件长细比的要求、橡胶支座的高度、安装条件等因素，确定合金阻尼器的几何尺寸。

用R-45型石墨坩埚在650℃的熔炼温度下将22%的A00电解铝和78%的0号蒸馏锌熔化，除渣除气处理后搅拌均匀，静止10 min，熔液在600℃时浇筑到金属模具里，得到Φ92×340的Zn-22Al合金坯锭。Zn-22Al合金的铸态组织为粗大的树枝晶，存在严重的成分偏析，适当的热处理可改善锌铝合金的稳定性[9]，获得良好的力学性能和阻尼性能。挤压可以使初生的树枝状富铝相细化[16]，Zn-22Al合金的塑性会有大幅度提高。

将Zn-22Al合金坯锭放入加热炉，在360℃下固溶处理24 h，在250～290℃温度间挤压成直径为Φ20×81的合金棒，冷却后经过机加工，形成棒形Zn-22Al合金阻尼器，如图1所示。

图1 棒型合金阻尼器试件图

1.2 棒型合金阻尼器力学性能试验

棒型合金阻尼器的力学性能通过低周反复加载试验研究，试验装置如图2所示。将合金阻尼器试件10固定在连接件7和底座12之间，液压伺服作动器4通过球形铰转换头5与7相连，千斤顶6施加竖向荷载，并起到限位调节作用。调整千斤顶6使阻尼器不受竖向力作用，连接件7的左右设置了约束装置，以保证仅发生水平位移。通过作动器施加水平荷载，加载制度采用位移控制的等幅加载，位移增幅为5 mm，每级荷载循环一周，位移计9记录水平位移。

试验中侧向位移加载到10 mm时，棒型合金阻尼器上、下端截面处出现一圈较小的弹塑性变形；加载到25 mm时，阻尼器下端截面开始产生裂缝；而加载到40 mm时，阻尼器上端截面处开始产生颈缩；加载到65 mm时，阻尼器在套丝位置“被剪断”，失去耗能作用。

图2 合金阻尼器力学性能试验装置图

1.3 结果分析

低周反复加载试验得到的3组棒型合金阻尼器滞回曲线和骨架曲线分别如图3、4所示。3组滞回曲线饱满，说明试件在低周反复荷载作用下，有明显的塑性变形能力。骨架曲线正负向基本对称，有明显的屈服点和刚度退化点。

图3 3组合金阻尼器试验滞回曲线图

图4 3组合金阻尼器试验骨架曲线图

3组棒型合金阻尼器的刚度退化曲线，如图5所示。可以看出，阻尼器具有一定的初始刚度，能够抵抗建筑物正常使用过程中风荷载和小震作用的影响，随着位移的增加，刚度有明显退化后趋于平缓。

图5 3组合金阻尼器试验刚度退化曲线图

根据滞回曲线，棒型合金阻尼器的等效粘滞阻尼系数由式(1)表示为

式中ζeq为等效粘滞阻尼系数；S(ABC+ACD)为图6中的滞回曲线包围的面积，mm2；S(OBE+OCF)为两个三角形面积之和，mm2。3组阻尼器等效粘滞阻尼系数为0.22～0.35，计算结果如图7所示。

图6 合金阻尼器等效粘滞阻尼系数图

图7 3组合金阻尼器试验等效粘滞阻尼系数曲线图

棒型合金阻尼器的延性系数由式(2)表示为

式中μ为延性系数；Δu为极限位移，取棒型合金阻尼器的承载力下降到85%时所对应的位移，mm；Δy为屈服位移，取初始屈服时所对应的位移，mm。

计算棒型合金阻尼器的延性系数为11.4～11.7，说明阻尼器具有良好的延性。

2 组合隔震装置力学性能试验研究

组合隔震装置由2个LNR200型天然橡胶支座和2个Zn-22Al棒形合金阻尼器组成，其刚度和阻尼通过低周反复加载试验获得，试验装置如图8所示。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[17]的规定，按隔震支座的压应力8 MPa确定竖向荷载，考虑钢筋混凝土梁及分配梁等辅助设备的重量，通过千斤顶施加竖向荷载492 kN，通过液压伺服作动器水平加载，采用位移控制的等幅加载制度，位移增幅为5 mm，每级荷载循环一周。

仅对2个天然天然橡胶支座进行低周反复加载试验，再安装2个Zn-22Al棒形合金阻尼器，对组合装置的进行低周反复加载试验，记录两个过程的荷载—位移滞回曲线。侧向位移加载到10 mm时，棒型合金阻尼器的上、下端截面处出现一圈较小的弹塑性变形；加载到30 mm时，1个阻尼器端截面产生细微裂缝；加载到45 mm时，1个阻尼器上端截面产生颈缩；加载到60 mm时，阻尼器上端截面发生破坏；继续加载到70 mm，另一个阻尼器也会遭到破坏。

两次试验的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和等效粘滞阻尼系数对比如图9所示。

图8 组合隔震装置力学性能试验装置图

图9 天然橡胶支座和组合隔震装置的力学性能对比曲线图

组合装置的滞回曲线比天然橡胶支座更加饱满，有明显的耗能能力；天然橡胶支座的骨架曲线基本为直线，接近弹性，组合装置的骨架曲线正负向基本对称，有明显的刚度退化现象；天然橡胶支座的刚度基本是常数，而组合装置的刚度退化曲线有初始的急剧下降段和平缓下降段；组合装置的粘滞阻尼系数比天然橡胶支座有所增加。

3 组合隔震装置力学性能的数值分析与试验结果对比

3.1 合金阻尼器的分析模型

运用ABAQUS软件，将Zn-22Al合金材料属性简化为双线性强化模型，棒形阻尼器选用三维实体模型，采用扫略方式进行网格划分，单元类型采用八结点六面体单元(C3D8R)。下端截面设置为固定，上端面固定x、y向的平动及3个方向的转动，在z向设置弹簧和阻尼器，模拟天然橡胶支座，弹簧刚度和阻尼取试验得到的橡胶支座等效刚度(311 kN/mm)和阻尼(0.1)，沿z方向分步施加位移。

棒型合金阻尼器侧向位移为30和45 mm的等效塑性应变云图如图10所示，弹塑性变形首先发生在上、下变截面处，随着位移的增加，塑性变形区由变截面处向上、下两侧发展，直至在端截面发生颈缩。

图10 棒型阻尼器等效塑性应变云图

3.2 数值分析与试验结果对比

数值分析方法计算Zn-22Al棒型合金阻尼器的骨架曲线、刚度退化曲线和等效粘滞阻尼系数，与试验结果的对比如图11所示，数值分析结果与试验结果相吻合。

同样的，数值分析方法求得组合隔震装置的骨架曲线、刚度退化曲线和等效粘滞阻尼系数，与试验结果的对比如图12所示，其结果与试验数据相吻合。

图11 3组合金阻尼器试验与数值分析结果对比曲线图

图12 组合隔震装置力学性能数值分析与试验结果对比曲线图

3.3 组合隔震装置的力学参数确定

组合隔震装置是由Zn-22Al棒型合金阻尼器与天然橡胶支座组合而成，阻尼器不承担竖向荷载。因此，组合装置的竖向刚度就是天然橡胶支座的竖向刚度，其水平刚度等于阻尼器和天然橡胶支座水平的刚度之和，计算与试验结果的对比曲线如图13所示，组合装置的刚度也随位移的增加有明显的退化现象。

根据滞回环计算的组合隔震装置的等效粘滞阻尼系数略高于阻尼器和天然橡胶支座的阻尼系数之和，将两组数据在MATLAB软件中采用最小二乘法进行线性拟合方分析，得到组合装置的阻尼系数由式(3)表示为

式中ζcb为组合隔震装置的等效阻尼系数；ζa为Zn-22Al合金阻尼器等效阻尼系数；ζb为天然橡胶支座等效阻尼系数。

式(3)的计算结果与试验值对比如图14所示，二者较吻合，这说明组合隔震装置的等效粘滞阻尼系数与二者的阻尼系数之和成线性关系。由两个直径200 mm的天然橡胶支座和两个高度为81 mm的直棒阻尼器组成的组合装置，相应于100%应变的等效刚度为1.041 kN/mm，等效阻尼系数为0.078。实际工程中，可以通过调整尼器的数量来调节组合隔震装置的力学性能，以期获得较好的隔震效果。

图13 组合隔震装置的刚度计算曲线图

图14 组合隔震装置的等效粘滞阻尼系数图

4 结论

针对Zn-22Al合金制成的棒形阻尼器，采用低周反复加载试验和数值分析方法，研究了Zn-22Al棒型合金阻尼器以及与天然橡胶支座组成的组合隔震装置的力学性能，计算了组合隔震装置的刚度和等效阻尼系数，得出如下结论:

(1)Zn-22Al棒型合金阻尼器在水平往复荷载作用下，上、下两端率先屈服，塑性变形区域集中在受弯矩和剪力共同作用的上下端部区域，而且Zn-22Al棒型合金阻尼器有一定的初始刚度，能够抵抗风荷载和微小地震作用的影响，滞回曲线饱满，能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数较大，有较好的耗能能力。

(2)Zn-22Al棒形合金阻尼器与天然橡胶支座组成的组合隔震装置滞回曲线饱满，刚度和等效效粘滞阻尼系数高于天然橡胶隔震支座；组合隔震装置的刚度等于阻尼器与天然橡胶隔震支座的刚度之和，等效粘滞阻尼系数与二者粘滞阻尼系数之和成线性关系。