U型金属阻尼器力学性能研究及参数分析

赵 丹，许育文

（1.杭萧钢构有限公司海南分公司，海南 儋州 578101；2.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013）

随着工程技术的发展，现代建筑工程对于抗震以及抗风的性能需求增加，提高建筑物的抗震性能减少地震带来的损失是现在建筑工程的重点。提高建筑物的抗震性能可以通过直接提高结构的抗震能力来实现或者通过增加减震耗能构件来实现。其中，金属阻尼器因性能稳定、制作方便等优点是目前广泛应用的减震耗能构件之一。

邓开来等研究分析了U型金属阻尼器在面外横向荷载作用下发生扭转变形时的力学性能。种迅等收集了17个U型金属阻尼器的试验数据，对不同类型钢材的U型金属阻尼器的面内受力性能进行了分析和比较。Y.Jiao和Diana Ene针对隔震结构中的USD在双向荷载作用的力学性能进行研究，明确其在双向荷载作用下其耗能性能均有退化。

金属阻尼器耗能时的变形特点不同可划分为三类，分别为：轴向屈服型、剪切屈服型、弯曲屈服型。文章提到的U型金属阻尼器为弯曲型的受力模式。通过ANSYS软件建立多种尺寸模型，对平直段长度、宽度、厚度以及半径四个参数进行研究，分析其参数对U型金属阻尼器纵向力学性能的影响。

1 U型阻尼器构造

文章采用的为软钢弯曲制作的U型金属阻尼器，U型金属阻尼器主要是由三大部分组成，如图1分别为上平直段、弯曲段、下平直段。通过固定一侧平直段在另一侧平直段上施加沿平直段长度方向的荷载，从而阻尼器受力变形。当U型金属阻尼器由弹性状态进入屈服状态时，阻尼器开始发挥其耗能作用。在地震时，U型阻尼器必须先于梁柱等主体结构进入塑性阶段吸收能量，从而保护主体结构不受破坏。

图1 U型金属阻尼器结构

U型金属阻尼器的主要几何参数平直段长度L、宽度w、厚度t以及圆弧段半径r。在设计时为符合实际工程的需求，需要通过调整U型阻尼器的各个几何参数来对比阻尼器的刚度及其耗能性能。因此，文章将对其主要几何参数进行参数分析。

2 有限元分析

2.1 模型介绍

为研究单个阻尼器沿平直段长度方向受力的力学性能，采用ANSYS软件对阻尼器建立精确的有限元模型。U型阻尼器选用弹塑性8节点Soild实体单元，材料的弹性模量为205 000 MPa，屈服强度为306 MPa，极限强度为450 MPa泊松比为0.3。材料模型选用服从Voin-mises屈服准则的多线性等强化模型首先以长度为30 mm，宽度90 mm，厚度为10 mm和半径为40 mm的模型为初始模型，分析阻尼器在拟静力循环荷载作用下的力学性能。图2为其有限元模型图。拟静力循环加载采用位移控制，加载制度如图3所示。

图2 有限元模型

图3 加载制度

2.2 有限元结果分析

图4为U型金属阻尼器在循环荷载作用下得到的滞回曲线。由图可知，有限元数值模拟得到的滞回曲线饱满，呈纺锤形，结果表明U型金属阻尼器具有良好的耗能性能。

图4 滞回曲线

式中，EDS为滞回阻尼耗能，等于最大位移处曲线包围的面积，ES为最大位移处割线刚度围成的面积。且，等效粘滞阻尼系数越大，耗能性能越好。有限元模拟可得其等效粘滞阻尼系数为0.486 4，表明其耗能性能良好。

2.3 参数分析

几何参数对U型金属阻尼器的力学性能有重要影响。对此为对阻尼器的力学性能做进一步的分析，通过ANSYS有限元软件对U型金属阻尼器的主要几何参数进行敏感性分析。对不同平直段长度、宽度、厚度以及圆弧段半径这四个参数下的初始刚度进行对比分析。

图5为平直段长度和初始刚度的关系曲线。平直段长度参数范围为15～200 mm。其他参数与原模型保持一致。由图可知，随着U型阻尼器长度增大，其初始刚度逐渐增大。且在15～35 mm区间较为敏感。

图5 平直段长度和初始刚度关系曲线

图6为宽度与初始刚度的关系曲线，除宽度外其他参数均与原模型保持一致。宽度参数范围为10～200 mm。由图可知，随着U型阻尼器宽度增大，其初始刚度增大，敏感度在全区间基本一致。

图6 宽度和初始刚度关系曲线

图7为厚度与初始刚度的关系曲线，除厚度外其他参数均与原模型保持一致。其厚度范围为4～30 mm。随着U型阻尼器的厚度增大，其初始刚度不断增大，且厚度数值越大越敏感。

图7 厚度和初始刚度关系曲线

图8为半径与初始刚度的关系曲线，除半径外其他参数均与原模型保持一致。其半径范围为10～62 mm。半径增大，其初始刚度减小。且在10～22 mm区间较为敏感。

图8 半径和初始刚度关系曲线

由此可知，U型阻尼器参数对其初始刚度影响较大，在设计应用中应合理考虑。

3 结论

以U型金属阻尼器为研究对象，对其沿平直段受力进行滞回性能分析以及参数化分析。其结论如下：

（1）通过对U型阻尼器进行拟静力循环加载模拟，结果所得滞回曲线饱满，呈纺锤形，表明U型金属阻尼器具有良好的耗能性能。

（2）通过对U形金属阻尼器的平直段长度、宽度、厚度以及圆弧段半径这些主要几何参数进行参数化分析，圆弧段半径的增大会导致其初始刚度的减小；平直段长度、宽度以及厚度的增大会导致其初始刚度的增大。且在各区段敏感程度不同，在实际工程应用中应合理考虑。