一種翼緣彎折式剪切型軟鋼阻尼器試驗研究與數(shù)值模擬

朱嬌嬌 楊曉東 周建龍 潘加寶

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.云南省抗震工程技術研究中心 昆明 650500； 3.云南震安減震科技股份有限公司 昆明 650041)

0 引言

軟鋼阻尼器的消能減震技術原理，是利用低屈服點鋼材的屈服強度低，在地震時先于結構屈服，通過塑性變形進行能量耗散[1]。剪切型軟鋼阻尼器以腹板在平面內(nèi)受剪切為主要耗能方式，翼緣板為腹板界，對腹板的強度具有重要影響。傳統(tǒng)剪切型軟鋼阻尼器在翼緣上下端處的焊縫會發(fā)生應力集中，為調(diào)整焊縫區(qū)和非焊縫區(qū)較大的剛度差，ZHANG CH F等[2]研究了多種直角連接形式的翼緣板發(fā)現(xiàn)，通過削弱翼緣中部來改變板的形狀，不僅不能有效地降低板角應力集中效應，而且會引起翼緣中部的平面外屈曲。宋中霜等[3]研究了多個因素對剪切阻尼器滯回性能的影響發(fā)現(xiàn)，側(cè)翼緣有助于增強腹板耗能能力，在核心耗能板設置十字加勁肋，可以有效地約束面外屈曲，提高阻尼器的極限承載力。朱奇云等[4]提出在軟鋼阻尼器滯回模型中應考慮應變硬化，主要有等向硬化和隨動硬化。陳之毅等[5]提出設計時不能忽略翼緣板承受的抗彎承載力，并借助有限元分析翼緣板和耗能板的寬厚比、加勁肋的剛度和形狀系數(shù)等參數(shù)對剪切型阻尼器的性能影響。唐亞男[6]研究了不同幅值下循環(huán)加載對剪切型阻尼器的疲勞性能影響，抗疲勞性能會隨著加載幅值的增加而降低，捏縮現(xiàn)象也會更加明顯，出現(xiàn)破壞現(xiàn)象的阻尼器的耗能能力沒有顯著降低。本文提出一種翼緣彎折式剪切型軟鋼阻尼器，通過翼緣受彎來改善板角焊縫斷裂和剛度損失問題。

1 翼緣彎折剪切軟鋼阻尼器

圖1為翼緣彎折式剪切型阻尼器形狀尺寸，圖2為試件模型。上下連接板和翼緣板采用Q355B鋼材，加勁肋采用Q235B鋼材，腹板采用國產(chǎn)軟鋼LYP160。翼緣板在靠近上下兩端處彎曲90°圓弧后貼緊連接板，并向外延伸一定距離，板厚保持不變。該阻尼器設計屈服承載力為300 kN，設計屈服位移為1 mm。

圖1 阻尼器的平面幾何尺寸(單位：mm)

圖2 試件模型

2 低周反復試驗研究

2.1 試驗設備

本次試驗在昆明理工大學建工實驗室進行，該試驗加載設備及系統(tǒng)是位移相關型阻尼器測試平臺及控制分析系統(tǒng)。試驗加載設備由1 000 kN伺服加載作動器、連桿式位移傳感器、平行鋼加載框架、YHD-100型位移計(量程為±100 mm，量程精度為0.01 mm)等組成。

2.2 試驗方案

阻尼器通過螺栓固定于加載設備上，構件前后分別布置1個水平位移傳感器，實際位移為2個外采位移的平均值。腹板被加勁肋劃分為6個子剪切板，在各板中心貼上溫度測試貼紙，方便觀察該種新型軟鋼阻尼器耗能情況。由于規(guī)范中加載方式較為復雜，實驗室現(xiàn)階段采用一種較為簡單方便的經(jīng)驗加載方式。表1為試驗加載制度，表2為作動器輸入控制位移。參照工況1～5進行基本力學試驗，參照工況6進行疲勞試驗，加載設備按照三角波式位移控制加載。

表1 試驗加載制度

表2 作動器輸入控制位移

3 試驗現(xiàn)象及結果分析

3.1 試驗現(xiàn)象

試件的子剪切板正面和背面交替貼有溫度測試紙，貼法如圖3所示。試驗過程中，中間層子剪切板變形明顯、溫度上升較快且溫度較高，上層和下層子剪切板的溫度上升較慢，溫度較中間層低，且經(jīng)過一段時間后，溫度達到一個相對穩(wěn)定的度數(shù)。

隨著循環(huán)反復加載試驗的進行，中間層子剪切板先出現(xiàn)了X形變形，進而沿著4個角發(fā)展成X形裂縫，沿裂縫邊緣又出現(xiàn)小裂縫，如圖3所示。最終低周疲勞裂縫出現(xiàn)在中間層子剪切板與翼緣的焊接處，此時試件完全破壞失效。試驗過程中，彎折式翼緣角始終沒有發(fā)生損壞，為該構件提供不可忽略的抗剪承載能力。

圖3 溫度測試紙貼法及構件破壞實物

3.2 結果分析

3.2.1 基本力學試驗分析

圖4為工況1～5的滯回曲線，曲線較飽滿，呈紡錐體。最大正向承載力達到403.01 kN，最大正向位移為22.51 mm。該試件隨著加載工況的增加，相同位移處承受的阻尼力也隨之增大，低周變幅循環(huán)加載的強化效果明顯。

圖4 工況1～5的滯回曲線

目前大部分初始剛度是通過目測得到，采用雙線性模型進行參數(shù)識別可以較為準確地識別出初始剛度。由于工況1屬于預加載，因此選擇工況2進行初始剛度、屈服后剛度和屈服點的參數(shù)識別，具體識別方法如圖5所示，兩條擬合直線的交點即為屈服點。表3為基本力學試驗值和設計值對比，誤差在±15%以內(nèi)，符合相關規(guī)范要求[7]。

表3 基本力學性能試驗值與設計值對比

圖5 線性擬合阻尼器初始剛度

3.2.2 疲勞性能試驗分析

試件在疲勞性能試驗時具有穩(wěn)定的滯回性能。表4為疲勞性能試驗值和設計值的對比，表中在零位移處對應的最大和最小阻尼力的誤差值>5%，主要原因是出現(xiàn)了較為明顯的包興格效應。腹板材料為LYP160，進行循環(huán)反復加載時會出現(xiàn)混合應變硬化現(xiàn)象，主要由等向硬化和隨動硬化兩部分組成。試驗試件在20倍的設計位移下，循環(huán)圈數(shù)達53圈時腹板出現(xiàn)明顯面外屈曲和裂縫，前30圈的疲勞衰減曲線誤差<15%，符合要求。圖6為阻尼器疲勞循環(huán)圈數(shù)對應的最大阻尼力。

表4 疲勞性能試驗值與設計值對比

圖6 阻尼器衰減曲線

等效粘滯阻尼系數(shù)[8]是衡量阻尼器耗能性能的另一個關鍵參數(shù)，與滯回面積成正比。圖7為疲勞循環(huán)圈數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)的關系曲線。曲線呈下降趨勢，下降速率緩慢，該系數(shù)的最大值為0.55，最小值為0.40，達到疲勞破壞時，阻尼器依舊能繼續(xù)穩(wěn)定耗能。

圖7 等效粘滯阻尼系數(shù)

式中，ζeq為等效粘滯阻尼系數(shù)；ED為滯回曲線包圍面積，kN·mm；ES為等效線性體系應變能，kN·mm。

4 數(shù)值模擬分析

利用 ABAQUS軟件進行真實幾何尺寸建模，共有25 848個節(jié)點和17 867個單元，單元類型為減縮積分實體單元C3D8R，構件模型的網(wǎng)格劃分如圖8所示，各板件交界面采用綁定約束。上下連接板對阻尼器耗能能力影響較小，則采用剛體建模，其他板件采用變形體建模。在上連接板設置參考點RP1，在下連接板設置參考點RP2。在RP1處施加漸增循環(huán)位移如圖9所示，在RP2處約束6個自由度。為更加精確地進行有限元模擬，加載位移采用與阻尼器實際外采位移一致的加載制度，耗能板厚度方向劃分4層網(wǎng)格，其他板件厚度方向劃分3層網(wǎng)格。

圖8 網(wǎng)格劃分

圖9 時間-位移加載歷程

模擬過程中，材料本構參數(shù)參考的是Chaboche混合模型,包括各向同性強化模型和隨動強化模型[9-10]。阻尼器達到最大位移22.51 mm時，翼緣彎折處的表層單元和腹板進入屈服階段，應力云圖如圖10所示。圖中腹板應力分布從中間層子剪切板向上下兩側(cè)減小，腹板板角處無焊縫區(qū)應力最小。

圖10 最大位移對應的應力云圖

5 數(shù)值模擬和試驗結果對比

選取工況2第1圈正向加載和卸載的模擬數(shù)據(jù)進行線性擬合，得出初始剛度為277.385 kN/mm，屈服荷載為273.987 kN，屈服位移為0.988 mm，屈服后剛度為2.943 kN/mm。模擬值、試驗值與設計值差異<15%，符合相關規(guī)范要求[7]。

圖11為試驗滯回曲線和模擬滯回曲線對比，可以看出，兩者滯回曲線形狀相似，無明顯強度和剛度突變，且差距較小。模擬阻尼力在靠近屈服荷載區(qū)域略大于試驗值。圖12為試驗骨架曲線和模擬骨架曲線對比，兩者都呈現(xiàn)倒Z字形，模擬曲線比試驗曲線略高，其原因可能是試件的初始變形和焊縫處的殘余應力導致阻尼力降低。

圖11 試驗和模擬滯回曲線對比

圖12 試驗和模擬骨架曲線對比

6 結論

本文對一種翼緣彎折式剪切型軟鋼阻尼器進行低周反復加載試驗研究和有限元模擬分析，主要結論如下：

(1)在循環(huán)反復加載試驗中，阻尼器耗能性能良好，整體剛度滿足設計和規(guī)范要求，翼緣彎折結構為核心耗能板提拱足夠的邊界約束和側(cè)向剛度支撐，有效改善了傳統(tǒng)翼緣板角處的應力集中問題。

(2)基于試驗結果和有限元模擬對比分析，選取了雙線性力學模型，通過回歸分析對屈服位移和屈服力等各項力學性能參數(shù)進行辨識。

(3)由于忽略了初始缺陷和焊縫工藝造成的承載力降低，實測屈服段阻尼力在循環(huán)反復荷載作用下，隨著控制位移的增加略小于模擬結果。