分阶段屈服金属阻尼器研究综述

程 扬，许卫晓，*，杨伟松，于德湖，张纪刚

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266525)

随着经济的不断发展，人们对于建筑结构抗震性能的要求越来越高，消能减震技术便应运而生。消能减震结构具有更好的安全性、经济性、合理性和适用性。美国、日本、加拿大、意大利、墨西哥等国家较早地开展了对消能减震技术的研究，各式各样的阻尼器已应用到新建建筑及抗震加固工程中。我国对消能减震技术的研究虽然较晚，却也随着经济水平的提高和科学技术的发展逐渐应用到实际工程中来。如北京饭店西楼、上海展览馆、上海黄浦区某文物保护性建筑以及全国各地的中小学校舍等建筑均采用了阻尼器进行消能减震加固。然而，传统阻尼器因其耗能形式单一已无法满足当今基于性能设计的理念。因此，设计出能够在不同强度地震作用下进行分阶段屈服耗能的阻尼器成为研究的重点。

本文首先介绍了金属阻尼器的耗能原理及基于不同类型恢复力模型的研究进展，进而阐述了4种不同耗能机理的分阶段屈服金属阻尼器的发展现状，并结合分阶段屈服金属阻尼器在工程中应用的案例，提出今后分阶段屈服金属阻尼器的重点研究方向。

1 金属阻尼器耗能原理及恢复力模型

1.1 金属阻尼器耗能原理

金属阻尼器主要利用耗能钢板在地震作用下进入弹塑性屈服状态产生滞回进行耗能，阻尼力主要由耗能钢板的塑性位移决定，可根据这一特性将阻尼器设计成为在不同强度地震作用下依次进行分阶段屈服的金属阻尼器。通过不同的设计参数，如受力机理、截面尺寸、耗能材料的耗能钢板进行组合，形成独立的工作段，使其线性叠加出不同的屈服位移，骨架曲线如图1所示。在输入结构的地震作用较小时，由屈服位移小的耗能钢板进行屈服耗能，屈服位移大的耗能钢板则一直保持弹性状态；随着输入结构的地震作用不断增大，逐渐达到屈服位移大的耗能钢板的屈服点，最终所有耗能钢板全部屈服，阻尼器整体进入塑性状态。

1.2 金属阻尼器恢复力模型

恢复力模型能够将结构在地震作用中的抗震性能反映出来，是一种由恢复力与变形的关系曲线经抽象、简化得到的实用数学模型。常见的金属阻尼器恢复力模型有：理想弹塑性模型、双线性模型、Ramberg-Osgood模型和Bouc-Wen模型，如图2所示，各恢复力模型的性能特点如表1所示。

表1 各恢复力模型性能特点对比

针对基于双线性模型的屈曲约束支撑研究方面，王忠平等[1]对屈曲约束支撑提出了基于双线性模型的试验方法和标准化参数识别的数据处理分析方法。针对基于Bouc-Wen模型的防屈曲支撑研究方面，高向宇等[2]考虑了基于Bouc-Wen模型设计的防屈曲支撑力学参数不对称、塑性硬化等方面不足的因素，设计了6个防屈曲支撑进行拟静力试验，建立了改进的Bouc-Wen模型。李建勤等[3]基于改进的Bouc-Wen模型，对30根防屈曲支撑进行了参数识别。针对基于Bouc-Wen模型的阻尼器研究方面，朱旭东等[4]对开孔式加劲阻尼器进行了基于Bouc-Wen模型的参数识别研究。针对基于Ramberg-Osgood模型的阻尼器研究方面，陈云等[5]基于Ramberg-Osgood模型，利用MATLAB软件对环形阻尼器进行计算，并与试验结果进行对比，研究其力学性能。针对基于不同模型的阻尼器性能对比研究方面，李冀龙等[6-7]对X形和三角形钢板阻尼器分别基于双线性模型和Ramberg-Osgood模型进行了理论与试验对比，验证了理论模型的有效性，并分析了误差存在的原因。王桂萱等[8]利用ANSYS软件对基于理想弹塑性模型、双线性模型和Ramberg-Osgood模型的菱形开洞金属阻尼器进行数值模拟，研究不同本构模型下阻尼器的滞回性能。

基于上述研究可知，对于金属阻尼器恢复力模型的研究已经十分成熟，但对于分阶段屈服金属阻尼器来说，在理论上其恢复力特征应为不同屈服位移耗能钢板恢复力模型的线性叠加，具有多段屈服的特性。因此其恢复力模型可简化为多段折线模型。如三折线随动强化恢复力模型，如图3所示。从恢复力模型中应能看出分阶段屈服金属阻尼器在不同阶段的各级屈服荷载、各级屈服位移及各级刚度等参数。

2 分阶段屈服金属阻尼器发展现状

2.1 弯曲屈服型

弯曲屈服型阻尼器具有良好的塑性变形能力，屈服位移大，滞回性能稳定，能够利用耗能钢板等厚度处同时屈服的特性来进行耗能。目前，国内外大多研究者主要是基于TSAI等[9]研究的X形金属阻尼器和WHITTAKER等[10]研究的三角形加劲阻尼器(TADAS)来对分阶段屈服金属阻尼器展开研究的。XIA，TSAI等[11-12]等经研究发现在加劲阻尼器(ADAS)中平行设置三角形或沙漏形钢板，可使得整个耗能钢板截面同时屈服。

在通过改变耗能钢板的截面尺寸实现分阶段屈服方面，王曙光等[13]设计了一种由2种不同高度的耗能钢板进行组合的分阶段屈服型金属阻尼器，构造简单，具有良好分阶段耗能性能。薛松涛等[14]通过调整耗能钢板的屈服强度和厚度，设计了一种具有不同屈服位移的X形弯曲屈服型金属阻尼器，利用ABAQUS软件对其滞回性能进行了模拟，如图4所示。陈云等[15]设计了一种环形分级屈服金属阻尼器，由2个不同尺寸的耗能环并联连接而成，如图5所示，拟静力试验和ABAQUS有限元模拟结果表明：该阻尼器能实现良好的分阶段屈服耗能功能，且滚动弯曲的变形模式能充分利用普通Q235钢材特性。

在设计不同数量的耗能钢板实现分阶段屈服方面，姜昕[16]提出了一种可调式的分阶段屈服型金属阻尼器，通过拟静力试验和ABAQUS有限元模拟对其力学性能进行分析，结果表明：该可调式分阶段屈服型金属阻尼器能在同一耗能机制下实现分阶段耗能，并可通过增减耗能钢片的数量对其屈服位移和耗能能力进行控制。DAREINI等[17]提出了改进的三角形加劲阻尼器，该阻尼器由2种间隙尺寸不同的耗能钢板组成。通过对不同数量的耗能钢板进行组合来验证其分阶段屈服的特性，结果表明：该阻尼器能在小震及中震作用下进行良好的耗能。

在采用不同屈服点的耗能材料实现分阶段屈服方面，辛岩磊[18]设计了一种多阶段屈服耗能的TADAS，由LYP160(低屈服点钢材，屈服强度为160 MPa)及Q345两种不同材质的耗能钢板组合而成，如图6所示。通过拟静力试验对单板模型和整体模型进行研究，并利用ANASY软件进行了验证，阐述了理论推导结果的适用范围，并分析了在大变形下产生误差的原因。

2.2 剪切屈服型

剪切屈服型阻尼器是利用耗能钢板在平面内的剪切应变进行塑性耗能，使得初始刚度及屈服力得到了极大提高，克服了耗能钢板在平面外受力时初始刚度小、承载能力低的缺点。

在采用耗能材料和抛物线开孔实现分阶段屈服方面，范圣刚等[19]以1块LY120低屈服点钢材作为内侧耗能钢板，以2块普通Q235钢材作为外侧耗能钢板，并对3块耗能钢板采用抛物线开孔。设置了2组不同参数的模型进行拟静力试验，如图7所示，结果表明：新型两阶段耗能装置的滞回曲线饱满，耗能性能优越稳定，分阶段耗能特点明显。

在通过改变耗能钢板的截面尺寸实现分阶段屈服方面，尚春方等[20]设计了1种由不同高度和宽度组合的开抛物线孔金属耗能装置，利用ABAQUS软件对单板模型和整体模型进行了模拟分析，结果表明:该阻尼器既能实现全截面同时屈服又能分阶段屈服耗能。

2.3 轴向屈服型

在结构中增设防屈曲支撑(BRB)可使得结构的滞回耗能性能更加稳定[21-22]，BRB利用内核单元在轴心受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲，能极大地改善钢支撑框架的抗震性能[23-24]。但在地震作用下容易沿建筑高度产生残留的侧向变形和损伤[25-27]。

为使防屈曲支撑在主体结构破坏前进行屈服耗能工作，李亮等[28]设计了一种二阶段屈服方形截面防屈曲支撑，先由无约束屈服段率先屈服耗能，进而整个芯板进行耗能，如图8所示。设计了2组共6个试件进行了静力往复试验，并利用ABAQUS软件进行验证及变参数分析，结果表明：该二阶段方形截面防屈曲支撑分阶段屈服耗能能力良好且无明显的强度和刚度退化。

为克服传统防屈曲支撑因其屈服位移过大难以在主体结构开裂之前进行屈服耗能的缺点[29-31]，杨凡[32]通过将2个厚度不同的耗能钢板进行串联形成相对独立工作段，使得防屈曲支撑具有分阶段屈服的能力。同时，增加了限位装置，能有效避免工作段因塑性应变过大而产生断裂，如图9所示。

为避免楼层变形集中产生层屈服破坏的发生，PAN等[33-34]提出了一种双屈服点约束支撑(DYB)，由2个尺寸不同的普通BRB串联而成，通过增加限制装置使DYB能依次屈服。由拟静力试验研究可知DYB能在地震作用下依次屈服耗能，为结构提高附加刚度，有效地避免了薄弱层的出现，如图10所示。

2.4 弯剪组合屈服型

剪切屈服型阻尼器具有初始刚度较大而屈服位移较小的特点，弯曲屈服型阻尼器则具有初始刚度较小而屈服位移大的特点，两种耗能机理形式不同的金属阻尼器具有各自独特的力学特性，可将两者的优点通过合理的方式进行组合，实现分阶段耗能的功能。第一阶段，剪切屈服型阻尼器因其屈服位移小所以率先进行塑性变形耗能，弯曲屈服型阻尼器则因达不到屈服位移而处于弹性工作状态；第二阶段，弯曲屈服型阻尼器达到其屈服位移开始进行塑性耗能，与剪切屈服型阻尼器共同参与耗能工作。

基于对矩形耗能钢板的力学性能的研究方面，杨林志[35]设计了一种由2块弯曲耗能钢板和1块剪切耗能钢板呈工字形排列的弯剪组合型金属阻尼器，进而实现阻尼器两阶段耗能的目标(图11)，并进行了拟静力试验及有限元参数化分析，推导出了耗能钢板核心性能参数理论公式。在对矩形耗能钢板形状优化研究方面，刘伟庆等[36]设计了一种由矩形加劲剪切耗能钢板和X形弯曲耗能钢板组合成的改进型分阶段屈服金属阻尼器，如图12所示，对其进行拟静力试验研究和有限元模拟分析，结果表明：这种阻尼器具有稳定的滞回性能和抗疲劳性能，同时，可实现分阶段屈服的耗能机制。该型阻尼器构造简单，制作方便，易于在实际工程中应用。刘锋[37]研究了上述改进型分阶段屈服金属阻尼器[36]的分阶段耗能特征，通过ABAQUS软件对各耗能钢板的参数进行设计分析并标准化，确定合理的组合形式，通过拟静力试验和有限元模拟表明：该阻尼器耗能能力优良、性能稳定且分阶段耗能效果明显。DIPTI等[38]设计出了一种弯剪组合阻尼器(SAFYD)，由1块矩形耗能钢板及2块X形弯曲耗能钢板组成，如图13所示，设计了3个不同端板和腹板尺寸的试件进行拟静力试验研究及有限元模拟分析，结果表明：该阻尼器性能稳定，可充分发挥分阶段耗能的功能。在防止剪切耗能钢板面外变形研究方面，郑宏等[39]将X形弯曲耗能钢板和能防止面外变形的形状优化剪切耗能钢板组合成为一种加劲的弯剪组合阻尼器，建立了3个不同形式的有限元模型进行分析并研究了开缝形式对其滞回性能的影响，结果表明：该新型软钢阻尼器的滞回曲线饱满，屈服后承载力和耗能能力较其他阻尼器形式都有不同程度的提高，腹板开缝后阻尼器延性明显增大。

3 分阶段屈服金属阻尼器的工程应用

3.1 钢筋混凝土结构中的应用

陈云等[40-41]以5层混凝土框架结构的新疆石河子某中学学生宿舍楼为原型，取该结构对称的左半部分，在拐角处进行阻尼器布设，如图14所示。利用SAP2000软件对该消能减震结构进行小、中、大震下的时程分析，结果表明：增设阻尼器能明显减小结构的位移响应，避免薄弱层出现，实现层间均匀变形。姜昕[16]以一个8层钢筋混凝土框架结构为原型，建立了一个纯框架结构的无控模型和在结构梁间设置分阶段屈服金属软钢阻尼器的有控模型，利用ABAQUS软件对其进行非线性时程分析，有控模型层间位移明显减小，剪力分布更加合理。余小鹏[42]采取人字形支撑布置的方法，在单榀钢筋混凝土结构中安装了其设计的“工形”芯板二阶段屈服防屈曲耗能支撑，如图15所示，给出各屈服段和连接段的设计参数，进行了位移计算与校核，结果表明：该防屈曲耗能支撑能在混凝土开裂前屈服，可大幅降低主体结构损伤。于军[43]在混凝土框架结构中将“十字形”芯板以单斜杆形的方式进行布设，给出了设计的详细参数，如图16所示。该新型耗能支撑可起到“保险丝”的作用，有效保护主体结构，且震后便于更换，修复成本低，工程应用价值和经济效益显著。杨凡[32]以某大型三甲医院病房楼工程为原型进行设计和分析，采用双层X形的布设方式，布设多屈服段免断裂防屈曲支撑。利用SAP2000软件对该消能减震结构进行小震弹性分析，利用ABAQUS软件对该消能减震结构进行中震不屈服验算以及大震下弹塑性分析。研究表明：多屈服段免断裂防屈曲支撑能够在小震下即可为结构提供附加阻尼比，大震下能充分发挥耗能作用，减小地震能量在主体结构上的累积。潘毅等[44]以某个6层钢筋混凝土框架结构为原型，设计了3个结构体系，分别为纯框架结构体系、含有普通耗能型屈曲约束支撑的常规BRB减震体系以及普通耗能型屈曲约束支撑与早耗能型屈服约束支撑组合的两阶段BRB减震体系。利用SAP2000软件对3种结构体系进行小震、大震作用下的减震性能分析，该耗能减震体系较常规屈曲约束支撑减震体系刚度和地震作用明显降低，塑性铰的发展得到推迟，有效提高了结构的抗震性能。

3.2 钢框架结构中的应用

杨林志[35]以北京市某11层钢结构的办公楼为原型，采用人字形方式布设支撑及两阶段工作金属阻尼器，建立消能减震结构模型。利用SAP2000和MIDAS GEN软件对模型进行了多遇地震及罕遇地震作用下的时程分析。该阻尼器能够很好地实现两阶段耗能目标，有效消耗大震和小震输入结构的能量。刘锋[37]通过对2层两跨、5层三跨以及20层三跨的3个钢框架结构进行设计，以人字形布设方式在边跨上布设阻尼器形成消能减震结构，进行了时程分析。研究表明：增设阻尼器能有效提高结构的抗震性能，实现基于性能化抗震设计的目标。同时，研究了不同支撑形式的工作性能，对钢管、H型钢的2种形式的人字形支撑及普通剪力墙、外围包钢板剪力墙的2种形式的剪力墙型支撑进行了有限元分析，对比了各种支撑在不同荷载作用下的侧向位移，提出了分阶段屈服型阻尼器在不同情况下能满足设计要求的支撑形式，为阻尼器的施工安装设计提供参考。BARBAGALLO等[45]以PAN等[33-34]设计的DYBs为耗能构件，利用OpenSees软件建立了一个8层钢框架消能减震结构，DYBs以人字形支撑的形式布设在模型四周的中间跨上。各层布设的DYBs能随输入地震作用的不同依次发挥分阶段屈服的作用，确保结构发生一致的变形，避免结构因出现薄弱层而发生倒塌破坏。辛岩磊[18]以一个三跨8层钢框架结构为原型，在结构中间跨以人字形布设方式布设支撑及TADAS，设计了梁柱截面较小、梁柱截面较大2种纯框架结构模型，在纯框架结构基础上布设普通钢支撑的加固结构模型以及阻尼器分别采用传统TADAS、多阶段屈服耗能TADAS的2种消能减震结构模型，利用SAP2000软件进行了多遇地震、设防地震以及罕遇地震作用下的时程分析。结果表明：TADAS能够很好地达到预期的性能化设计要求，具有良好的结构响应，在不同的地震水平作用下具有更为明显的优势。

4 结论

本文通过对分阶段屈服金属阻尼器的耗能性能、恢复力模型、发展现状及其在钢筋混凝土框架结构及钢框架结构中的应用案例进行分析，得出以下结论。

1) 分阶段屈服金属阻尼器能够随输入结构的不同强度的地震作用进行分阶段屈服，可有效地解决传统阻尼器耗能水准单一的问题，充分发挥耗能作用，将损伤集中在耗能部件上，减少了地震能量在主体结构上的累积，起到为结构提供多一道抗震防线的作用，可在新建建筑抗震设计及既有建筑加固改造中推广使用。

2) 在进行结构设计时，目前仍以传统金属阻尼器的恢复力模型进行叠加作为分阶段屈服金属阻尼器的理论依据。对于分阶段屈服金属阻尼器的恢复力模型尚未展开深入的研究，未形成完整的理论体系，下一步从试验和数值模拟等方面展开系统的研究。

3) 分阶段屈服金属阻尼器在构造形式上大多采用改变不同耗能钢板截面尺寸和数量、采用不同屈服点的钢材及不同耗能机理的钢板组合来实现分阶段屈服。改变不同耗能钢板截面尺寸和数量会使得耗能钢板不能充分得到利用，造成材料浪费且构造复杂；采用低屈服点钢材会造成制造成本增加，不利于推广使用；不同耗能机理的钢板组合会存在不同耗能机理的钢板的变形能力难以协调一致的问题。所以，在构造形式上，应朝屈服截面能得到充分利用、组合形式简单合理及尽量使用普通钢材作为原材料的方向发展。

4) 在实际应用中，存在安装位置及连接方式不合理的问题，会造成分阶段屈服金属阻尼器未发生作用就先于主体结构破坏的现象。应选择在结构的薄弱位置进行安装，使得结构发生层间一致的变形，确保阻尼器均能发挥耗能作用。尽可能采用柔性的连接方式，既能减小对主体结构的作用，又易于震后及时更换。