新型软钢阻尼器的减震性能研究_李钢

振动与冲击

第25卷第3期J OURNAL OF V IBRAT I ON AND SHOCK Vo.l25No.32006

新型软钢阻尼器的减震性能研究

基金项目:大连市建委科技项目

收稿日期:2005-02-18修改稿收到日期:2005-04-15第一作者李钢男,博士生,1979年生李钢李宏男

(大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室,大连116023)

摘要提出了设计软钢阻尼器的新思路:利用钢板平面内受力提高初始刚度,并通过改变钢板平面几何形状增加变形耗能能力。通过对具有不同几何形状的软钢阻尼器模型进行拟静力往复加载试验研究,验证了此种软钢阻尼器具有良好的塑性耗能性能。数值计算表明,在地震动作用下装有新型软钢阻尼器框架体系具有良好的减震效果。

关键词:软钢阻尼器,结构控制,减震性能,参数研究

中图分类号:P315文献标识码:A

0引言

近年来,国内外的研究者在工程结构的隔震、减振与振动控制方面进行了大量的研究工作,取得了丰硕的成果[1-6]。传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用,即利用结构本身储存和消耗地震能量以满足结构抗震设防标准:小震不坏,中震可修,大震不倒。而这种抗震方式缺乏自我调节能力,在不确定的地震作用下,很可能不满足安全性的要求。而结构振动控制技术为结构抗震提供了一条合理有效的途径。其中,耗能减震作为一种被动控制措施是将输入结构的地震能量引向特别设置的机构和元件加以吸收和耗散,从而能够保护主体结构的安全。

软钢阻尼器是目前国内外广泛研究的各种耗能器中,构造简单、造价低廉、力学模型明确的一种被动耗能装置,屈服后在反复循环荷载作用下仍具有稳定的滞回特性。1972年,Ke lly等[3]在提出耗能减概念时就采用了软钢屈服耗能器,其中包括扭转梁、弯曲梁、U 型钢等形式。W h ittaker等[4]和Tsa i等[5]分别研究了X 型钢板和三角形钢板耗能器平面外的特性。日本Ka j-i m a公司提出了一种蜂窝状的软钢屈服耗能器,可安装在墙中或梁内。国内学者对此也做了相应的研究工作,欧进萍等[6]对组合钢板耗能器进行了研究,这种耗能器消除了软钢阻尼器中薄膜效应的影响。邢书涛等[7]提出了一种纵截面为中空菱形的矩形钢板阻尼器。目前,软钢阻尼器已应用于建筑结构中,如新西兰的六层政府办公大楼,其预制墙板的斜撑中采用了钢管耗能器[8];美国旧金山的非延性钢筋混凝土结构的抗震加固和墨西哥的一些建筑中[9]。

上述软钢阻尼器均是利用阻尼钢板平面外等厚度处同时屈服的特性来实现耗能作用,其优越性在于塑性变形较大,滞回性能稳定;不足之处在于这类软钢阻尼器初始刚度较小,承载能力低。若增大初始刚度,则需要增加阻尼器钢板的数量,这使得实际工程应用中存在着经济性与可行性问题。而采用钢板平面内受力方式,则可以在很大程度上提高其初始刚度及屈服力。1997年M ito等[10]通过试验研究了一种矩形剪切板阻尼器,但这种阻尼器由于平面内受力,钢板的四个角点处应力集中,在水平位移很小时就出现断裂现象,使得变形耗能能力相对较差。2003年T irca等[11]提出了一种平面内受力形式的钢阻尼器,并对装有此种阻尼器的中高层结构进行了性能分析,证明此阻尼器具有很好的耗能减震能力。

软钢阻尼器一般安装于梁与支撑的节点处,在正常使用状态下整个耗能体系不发挥作用,只有在地震作用下,阻尼器才通过塑性变形来消耗地震能量。然而,在小震作用下,目前设计的建筑物能够满足抗震设防要求,一般不需要阻尼器工作;在大震或偶然发生超过设防烈度的地震(因地震难以预测)作用下,需要阻尼器耗能以减小结构地震反应。这样,目前利用钢板平面外变形耗能的软钢阻尼器难以满足这种要求。为了最大程度发挥耗能体系的作用,阻尼器应该同时具备初始刚度大和屈服后具有良好变形耗能能力两个特点。针对上述阻尼器中存在的不足,本文提出了一类新型软钢阻尼器,试验和理论计算均表明,所提出的阻尼器满足这种要求。

1新型软钢阻尼器及模型试验

阻尼器钢板平面外受力时具有较强的变形能力,但初始刚度较低。为避免这一现象本文采用钢板平面内受力形式,此种受力方式同时存在一定的缺陷,通常是局部屈服更容易引发应力集中现象,变形能力较差。如何提高变形能力,避免应力集中现象则成为关键问题。通过改变钢板平面几何形状使其出现多点屈服,在屈服后形成若干塑性屈服点的方法来实现更好的

耗能效果。

根据上述思路,这里给出五种自行设计的软钢阻尼器。软钢阻尼器材料均采用Q235板型钢材,钢板厚度为4mm,由于平面形状较为复杂,为防止应力集中现象,阻尼器在加工制作过程中尖角处均以圆弧代替。为考察五种不同形状软钢阻尼器力学性能,进行了拟静力往复加载试验,试验在大连理工大学工程力学实验室MTS 设备上进行,由于金属阻尼器属于位移相关

型耗能装置[12]

,加载速度对其影响可以忽略,故采用频率一致的缓慢加载方式。试验装置如图1所示,由于钢板平面内受力,初始刚度较大,为保证其平动运动状态,试验中对两个形状相同的阻尼器同时进行。在中部滑动钢板两侧固定四个带有轴承的横杆,以保证中部滑动钢板在同一平面内上下滑动。试验过程中,采用力和位移两种加载控制方式,即在弹性阶段采用控制力的方法,当阻尼器屈服进入塑性变形后,采用控制位移的方法。位移步长为1.5mm,当观察到裂缝或承载力下降超过20%时,停止试验,认为阻尼器已破坏。

下面分别介绍五种软钢阻尼器的模型及试验

结果。

图1 钢阻尼器试验装置图

111 工字型软钢阻尼器

工字型软钢阻尼器如图2所示,对其进行拟静力往复加载试验,并测得其滞回曲线如图3

所示。

图2 工字型软钢阻尼器模型图

图3 工字型软钢阻尼器滞回曲线

试验结果表明:滞回曲线中塑性变形较小,屈服力较大,表现出较大的初始刚度。滞回曲线出现了明显的"捏缩"现象,分析其原因主要有如下几个方面:第一,钢板平面出现了应力集中的现象;第二,剪切变形较弯曲变形更为显著,当剪切变形与弯曲变形同时存在时,剪切变形类似于水平滑移现象。由此看出工字型软钢阻尼器初始刚度较大,但变形性能较差,不具备良好的耗能性能。

112 双圆孔型软钢阻尼器

双圆孔软钢阻尼器如图4所示,对其进行静力往复加载试验,并测得其滞回曲线如图5所示。

图4 双圆孔型软钢阻尼器模型图

图5 双圆孔型软钢阻尼器滞回曲线

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