不同形式软钢阻尼器的研究

收稿日期： 2013-12-04 修订日期： 2014-01-11 作者简介： 王桂萱 （１９６０-）， 男， 辽宁省大连市人， 博士， 教授， 现主要从事岩土与地下工程、 工程抗震等方面的研究工作。
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防灾减灾学报
30卷
钢板材料的塑性性能得到充分发挥， 耗能能力 大大提高。
图 １ Ｘ 形 、 三角形和中空菱形阻尼器 Ｆｉｇ.１ Ｘ－ｓｈａｐｅｄ、 ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ－ｓｈａｐｅｄ ｏｐｅｎｉｎｇ ｄａｍｐｅｒｓ
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防灾减灾学报
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缘， 研究比较了不同翼缘形状下剪切钢板阻尼 器的性能。
增大腹板宽厚比， 提高了剪切钢板阻尼器 的屈服力， 改善了面外失稳现象， 但建筑物的 主体结构比阻尼器先屈服， 无法达到理想的减 震效 果 。 １９９９ 年 Ｋｉｙｏｓｈｉ Ｔａｎａｋａ等 研 ［２３］ 究 了 加 劲肋设置数目对剪切钢板阻尼器性能的影响。 设置合理的加劲肋， 一方面腹板的屈服应力提 高了， 腹板面外失稳现象得到延缓； 另一方面 腹板的拉压应力场重新分布， 使腹板截面上多 点同时屈服， 耗能 能力有效 提高。 ２００８年陈之 毅等研究了腹板柔细比参数、 腹板板厚比、 加 劲肋刚度比和形状系数对具有等间距加劲肋的 剪切板阻尼器的性能影响， 并提出了合理的参 数取值范围。
相互平行的数块不同形状钢板 （Ｘ形、 三 角形、 开孔形式等） 和定位装置组成了加劲阻 尼器耗能装置 （ＡＤＡＳ）， 如图１所示， 一般安装 在框架梁之间和人字形支撑的顶部。 地震作用 时， 加劲阻尼器耗能装置在层间相对位移影响 下会产生水平相对运动， 地震输入的能量通过 钢板的弹塑性变形而被耗散。 该阻尼器的最大 优点是， 相同厚度处的各点将同时达到屈服使
１９９５年 欧 进 萍 等 ［５］对Ｘ 形 和 三 角 形 钢 板 阻 尼 器进行了伪静力试验， 比较他们的滞回特性和 疲劳性能， 总结出其力学参数并建立了合理的 计算模型。 在此研究的基础上， 吴斌等进一步 整理试验数据， 深入研究Ｘ形和三角形钢板阻 尼器的疲劳性能， 于１９９６年［６］通 过 疲 劳 试 验 确 定了适合于Ｘ形和三角形钢板阻尼器的疲劳模 型参数， 建立了相应的疲劳 设计准则。 １９９７年 吴斌等［７］对 钢 板 屈 服 阻 尼 器 另 外 一 个 值 得 注 意 的问题— ——薄膜效应进 行讨论， 结 合之前的研 究结果， 提出钢板屈服阻尼器考虑薄膜效应的 疲 劳 验 算 准 则 。 ２００４ 年 李 翼 龙 等 分 ［８-9］ 别基于 双 线 性 本 构 关 系 和 ｒａｍｂｅｒｇ－ｏｓｇｏｏｄ 本 构 关 系 推 导 出Ｘ形和三角形钢板阻尼器的恢复力模型， 为 该类阻尼器的参数设计提供了坚实基础。 ２．１．２ 中空菱形阻尼器
１９９６年周云等 对 ［１７］ 由 低 碳 钢 制 成 的 圆 环 阻 尼器 （图３） （低碳钢的钢板卷成的圆环焊接而 成， 可安装在Ｘ形和Ｋ形支撑上）， 进行了拟静 力试验和理论分析， 对其受力过程、 设计参数 及耗能特性进行研究， 结果显示该圆环阻尼器 的滞回曲线丰满， 滞回环所围面积大， 工作性 能稳定， 变形跟踪能力强， 但存在初始刚度和 承载能力低， 耗能能力有限等缺点。 随后作者 又研制了３种双环阻尼器 （１９９８）［１８］和３种加劲圆 环阻尼 器 （１９９９） 。 ［１９］ 与 普 通 圆 环 阻 尼 器 相 比 ， 这两种阻尼器的初始刚度和屈服力较高， 变形 能力和耗能能力较好， 且抗疲劳性能良好。 其 中加劲圆环阻尼器具有多道耗能减震防线的特 性。
图 ２ 钢棒圆环阻尼器 Ｆｉｇ.２ Ｓｔｅｅｌ ｒｉｎｇ ｄａｍｐｅｒ
图 ３ 圆环阻尼器 Ｆｉｇ.３ Ｒｉｎｇ ｄａｍｐｅｒ
1期
王桂萱， 等： 不同形式软钢阻尼器的研究
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图 ４ 剪切板阻尼器 Ｆｉｇ.４ Ｓｈｅａｒ ｐａｎｅｌ ｄａｍｐｅｒ
２．２ 圆环形阻尼器 两根较细的圆环钢棒组成了早期的圆环阻
为了限制腹板出现面外失稳现象， 并保证 阻尼器有足够的延 性来耗散 地震能量 ， ２００７年
宇佐美勉等 对 ［２４］ 剪 切 钢 板 阻 尼 器 （ 腹 板 采 用 ＬＹＰ２２５钢） 的横向加劲肋作削角处理并对其进 行试验分析。 加劲肋削角处理后， 翼缘、 腹板 和加劲肋协同工作的能力下降， 腹板在加劲肋 削角处因应力集中而拉裂破坏； 腹板同时多处 出现破坏， 表明腹板受力均匀。 为了充分利用 钢材性能， 提高剪切钢板阻尼器的变形能力和 耗能效果， 避免腹板板角过早被破坏， 需要克 服其腹板板角出现的应力 集中现象。 ２０１１年 东 南大学张超锋 等 ［２５］ 采 用 腹 板 中 部 变 薄 、 条 形 压 槽、 开多孔的削弱方式对腹板进行削弱， 研究 不同削弱方式对腹板板角应力集中现象的影响。
尼器 （图２）， 安装于Ｘ形支撑上， 利用软钢的 良 好 滞 回 变 形 耗 能 性 能 来 工 作 。 １９８３ 年 Ｔｙｌｅｒ 等 ［１４］对 钢 棒 制 成 的 圆 环 阻 尼 器 进 行 试 验 研 究 ， 结果 表 明 其 抗 疲 劳 性 能 较 差 。 １９８５年 前 ［１５］ 苏联 中央钢结构设计科学研究院哈萨克分院对由工 字型钢制成的圆环阻尼器进行伪静力试验研究， 结果显示该种阻尼器的单位绝对能容量和平均 单循环能容量均很大， 其耐久性和耗能能力随 塑 性 变 形 的 增 大 而 降 低 。 １９９６年刘伟庆等 对 ［１６］ 安装有由扁钢制成的圆环阻尼器的钢筋混凝土 框架结构也进行了伪静力试验， 其结果表明该 圆环阻尼器的强度和刚度退化较慢， 退化幅度 较小， 耗能能力极强， 且工作性能稳定。
１ 减震原理
为了减小地震 （风振） 给人们带来的巨大 损失， 近年来消能减震技术得到了迅速发展。 传统结构是利用梁柱本身 “硬碰硬” 的抗震形 式消耗能量， 而消能减震技术是在结构的节点、 支撑、 剪力墙、 联结缝、 楼层空间、 相邻建筑 间、 主附结构间等部位设置阻尼装置， 通过阻 尼装置的弯曲、 剪切、 扭转变形来耗散地震能 量， 减小结构的地震反应， 进而减轻结构的损
１９９７年日本学者田中清等 针 ［２２］ 对剪切钢板 阻尼器腹板的宽厚比进行实验分析。 在水平剪 切力的往复作用下， 沿对角线腹板会出现平面 外失稳现象， 且在腹板中心处出现最大平面外 位移。 实验结果显示， 当腹板宽厚比 （ｄ ／ ｔ） 较 大时， 腹板对角线处的失稳变形较大， 腹板中 部易出现开裂， 滞回曲线形状饱满程度不好， 在平衡位置附近有明显的捏合现象； 当宽厚比 （ｄ ／ ｔ） 较小时， 腹板对角线处的失稳变形较小， 开裂出现在腹板的端部， 滞回曲线近似饱满的 平行四边形。 ２０１１年张超锋采用４种不同形状翼
第 30 卷 第 1 期 2014 年 3 月
防灾减灾学报 JOURNAL OF DISASTER PREVENTION AND REDUCTION
Vol.30 No.1 Mar. 2014
不同形式软钢阻尼器的研究
王桂萱， 孙晓艳， 赵 杰
（大连大学 土木工程技术研究与开发中心 ， 辽宁 大连 １１６６２２）
２．１．１ Ｘ形和三角形阻尼器 １９８９ 年Ｗｈｉｔｔａｋｅｒ 等 ［２］提 出Ｘ 型 加 劲 钢 板 阻 尼
器并进行试验研究， 结果表明Ｘ型加劲耗能装 置具有稳定的滞回性能和较强的耗能能力。 为 了消除Ｘ型加劲阻尼装置竖向轴力对其的影响， １９９３年 Ｔａｓｉ 等 ［３］提 出 了 三 角 形 的 加 劲 钢 板 阻 尼 装 置， 并对该阻尼装置进行了伪静力试验和装有 ＴＡＤＡＳ装置的２层足尺钢框架伪动力试验 ［４］。 结 果表明ＴＡＤＡＳ装置是一种 理想的耗能 装置， 能 有效的减小建筑框架的地震反应。
摘要： 总结了国内外研究的多种软钢阻尼器， 对不同形式软钢阻尼器的构造、 原理和性能进行分析， 并提
出了目前软钢阻尼器研究中遇到的问题。
关键词： 地震； 消能减震； 软钢阻尼器
中图分类号： Ｐ３１５．9
文献标志码： Ａ
文章编号： １67４－８５65 （２０14） ０1－0007－０9
０ 引言
地震是地壳运动的一种特殊表现形式， 会 引起建筑结构的严重破坏。 我国地震主要分布 在台湾、 西南、 西北、 华北和东南沿海地区， 分 布 面 积 较 广 。 １９７６ 年 发 生 了 ７．８ 级 的 唐 山 地 震 ， ２００８ 年 发 生 了 “ ５．１２” 汶 川 特 大 地 震 ， ２０１３年４月２０日 四 川 省 雅 安 市 芦 山 县 发 生 的７．０ 级地震， 这些地震造成了大量房屋的破坏与倒 塌， 人民生命财产蒙受了巨大的损失。
Hale Waihona Puke Baidu
伤程度， 达到减震控制的目的［１］。
２ 软钢阻尼器的研究
目前， 研究开发的阻尼器种类很多， 其中 应用最为普遍的一类阻尼器是软钢阻尼器。 它 的滞回特性稳定， 低周疲劳特性良好， 且不受 环境温度影响， 除此之外， 软钢阻尼器构造简 单， 震后更换方便， 减震机理明确， 减震效果 显著。 近年来， 国内外已研究开发了多种形式 的软钢阻尼器， 如加劲阻尼器、 圆环形阻尼器、 剪切板阻尼器、 双功能软钢阻尼器等。 以下主 要介绍这些阻尼器的构造、 原理和性能。 ２．１ 加劲阻尼器
２０１０年Ｓｈｅｒｖｉｎ等 对 ［２０］ 圆 钢 管 截 成 的 圆 环 阻 尼器进行了剪切试验， 研究了填充和非填充混 凝土钢管的耗能能力， 结果表明， 非填充混凝
土的钢管圆环阻尼器滞回性能良好。 圆环钢板 阻尼器一般安装在支撑框架结构中， 水平荷载 往复作用下结构产生侧移变形， 圆环阻尼器首 先产生弹性小变形， 接着由圆形变成椭圆形， 加载结束后又恢复到圆形， 没有残余变形。 随 着结构侧移变形的增大， 圆环阻尼器进入屈服 阶段而产生塑性大变形， 耗散输入结构的地震 能量。
ＹＳＰＤ就 是 把 厚 度 为ｔ的 钢 隔 板 焊 接 在 长 度 较短的方形管中， 耗能系统由阻尼器和支持部 组成， 阻尼器和支持部用螺栓连接起来 （图４）。 阻尼器的刚度远小于支持部的刚度， 这样可以 使阻尼器在主体结构之前进入塑性变形阶段。 当结构发生层间位移时， 通过支持部将水平位 移传给了阻尼器， 使阻尼器产生了相对位移。 在多遇地震下， 剪切屈服板处于弹性状态， 在 罕遇地震下， 剪切屈服板进入塑性状态， 通过 滞回耗能消耗地震能量， 减小主体结构的位移。
２００３年邢书涛和 郭迅 提 ［１０］ 出 了 中 空 菱 形 阻 尼器， 分析了这种阻尼器的力学性能和减震机 理， 依据试验结果给出其恢复力模型， 推导得 出其特征参数的表达式和疲劳验算式； 研究了
阻尼器参数对减震效果的影响， 给出最佳的参 数取值范围。 ２００４年 台湾国立 交通大学陈 清祥 等 结 ［１１］ 合 某加固工程 实 例 证 实 其 具 有 强 大 的 抗 震消能 能力， 能 够 消 减 建 筑 物９０％以 上 的 地 震 反 应 。 随 后 张 文 元 等 于２００７年 提 ［１２］ 出了该阻尼 器在整体结构中的数值模拟方法， 并进行了地 震模拟分析， 证明菱形开洞软钢阻尼器具有良 好的滞回性能， 在整体结构中能够达到较好的 减震效果； 并于２００８年 进 ［１３］ 行 了 多 组 振 动 台 对 比试验研究， 证实其对结构的位移和加速度都 有很好的控制作用。
周云等试验研究中发现连接板与圆环阻尼 器连接处因应力集中， 受力大， 易破坏， 进而 于２０１２年 提 ［２１］ 出 了 安 装 于 交 叉 支 撑 中 的 变 截 面 圆环阻尼器， 在每个阻尼器上加工四个局部削 弱区 （在两连接板中间）， 使阻尼器在这四个区 域内发生主要的塑性变形， 局部削弱的形式有 圆弧式削弱和长条式削弱。 试验结果表明， 局 部削弱圆环阻尼器比不削弱圆环阻尼器的耗能 效果好； 圆弧式削弱形式比长条式削弱形式更 合理； 在其他构造参数相同的情况下， 随着钢 板厚度的增加或者圆环外直径的减小， 圆环阻 尼器的初始刚度、 屈服力和耗能量增加， 屈服 位移减小。 ２．３ 剪切板阻尼器 （ＹＳＰＤ）