同济大学土木工程防灾国家重点实验室考察阻尼器

同济大学土木工程防灾国家重点实验室

同济大学建筑工程系

概括

提出了一种采用钢管加固形式的新型剪切式金属阻尼器。 阻尼器主要由中心剪力板、面外加劲钢管、两侧翼缘加劲板和连接件四部分组成。 主要由中心剪切板剪切。 剪切变形的发展消散了地震输入的能量。 低屈服点钢 LYP225钢屈服强度低，强化水平适中，延展性优良。 适合制作金属阻尼器，故选用LYP225钢制作剪切阻尼器的中心剪切板。

为了评价低屈服点钢LYP225剪切阻尼器的弹塑性滞回响应、超低周疲劳损伤特性和耗能阻尼能力，设计并完成了阻尼器试件的准静态试验。 试验主要针对三个全尺寸试件，采用普通法兰和“狗骨头”弱化法兰两种加劲施工方法，并采用两种滞回加载系统来检验剪切阻尼器在循环加载下的基本力学性能。 对比分析了不同法兰结构对试件失效模式的影响。

试验结果表明，采用LYP225低屈服点钢制成的剪切式金属阻尼器具有良好的延展性，其极限剪切角可达4.7%； 循环加载下无部件失稳现象，滞回曲线饱满； 消耗性能能力强，等效阻尼比可稳定维持在0.5左右； 同时其超低周疲劳性能良好。 在设计位移下经过30个循环加载后，其承载能力水平相对稳定，裂纹发展相对轻微。 虽然剪切阻尼器利用芯板充分发挥剪切变形来耗散能量，但焊脚处两端翼缘板的早期开裂在一定程度上限制了阻尼器的变形能力。 然而，“狗骨头”阻尼器采用弱化凸缘加劲形式，可以有效延缓裂纹的萌生。 试验中测得剪力阻尼器最大超强系数达到1.63。 这种超强现象可以提高阻尼器的滞回耗能能力，但在结构系统设计时需要仔细考虑，避免对主要结构部件造成二次损坏。 破坏。

概述

金属阻尼器作为一种能有效提高结构的侧向刚度、极限承载能力以及消能抗震特性的被动消能装置，不依赖外部能量输入，结构简单、受力清晰、性能稳定。 ，成本经济，安装更换方便。 它已广泛应用于结构的抗风、抗震设计。

目前金属阻尼器的实验和理论研究主要集中在两点：一是金属阻尼器的结构形式，旨在通过调整阻尼器的结构结构来改变阻尼器的受力模式，提高金属材料的利用效率。阻尼器。 ，进一步优化阻尼器的抗震特性； 另一种是用于制作金属阻尼器的材料，旨在改变阻尼器在循环载荷作用下的弹塑性响应，提高延性特性和耗能能力，进一步优化阻尼器的超低周疲劳特性。

本实验研究的对象是由低屈服点钢制成的剪切阻尼器。 如图1所示，金属阻尼器由芯板、加筋方钢管和加筋法兰组成。 它由法兰板和连接件四部分组成。 芯板采用LYP225钢，其余部件采用Q345B钢。 这种金属阻尼器结合了材料和结构的优点。 低屈服点钢LYP225材料屈服强度低，屈服后刚度低，延展性好，耗能能力强。 适用于制作金属阻尼器； 剪力金属阻尼器，结合合理的加劲结构（方钢管加劲和翼缘板加劲），为主体结构提供附加阻尼和刚度，并利用分布更均匀、发展更稳定的塑性剪切变形来耗散能量。

图1 LYP225钢剪切阻尼器示意图

测试概述

2.1 钢材性能

通过单调拉伸试验明确了剪切型金属阻尼器核心耗能件（芯板）用LYP225钢的屈服强度、极限强度、强屈比等基本力学特性。 、伸长率和断裂损伤特性。 单调拉伸试样的标距截面为圆形截面，夹紧截面为矩形截面。 具体尺寸如图2所示。

图2 LYP225单调拉伸试件示意图 mm

单调拉伸试验共有三个材料试样，编号分别为A-1至A-3。 它们的名义应力-应变曲线如图3所示，该曲线还显示了Q235钢的单调拉伸强度。 曲线。 低屈服点钢LYP225与普通钢Q235相比，具有更长的屈服平台。 平台截面的标称应变水平超过6%。 同时，LYP225的标称断裂应变超过40%。 材料具有较好的延展性； LYP225钢实测LYP225钢的名义屈服强度明显高于225MPa，大致在270MPa左右，与Q235钢的名义屈服强度相似。 但LYP225钢的名义极限强度不超过350 MPa，低于Q235钢420 MPa的名义极限强度，表明低屈服点钢LYP225在单调拉伸载荷作用下的强化水平明显低于Q235钢的名义极限强度。与普通钢Q235相比，适合制作金属阻尼器。

图3 LYP225钢单调拉伸材料性能试验名义应力-应变曲线

由上述名义应力-应变曲线可以得到LYP225钢的各项力学性能参数，如表1所示。可以看出，本次试验中LYP225钢的强屈比基本维持在1.24左右。

表1 LYP225钢的基本力学性能参数

2.2 试件结构

采用LYP225和Q345钢材设计了两种不同尺寸的剪切阻尼器试件，如图4所示。

a——采用普通法兰加劲的剪切阻尼器； b——使用“狗骨头”弱化法兰刚度的剪切阻尼器。

图4 两台LYP225钢剪力阻尼器尺寸规格

剪力阻尼器剪力板、加劲法兰和连接件三个部件均采用全熔透坡口对接焊缝连接。 剪板的四个角留有过焊孔，以避免焊接。 接缝交叉引起的残余应力集中； 方钢管与周边角焊缝和剪切板固定，焊腿高度为8毫米。

两种尺寸的剪力阻尼器试件所用剪力板的厚度均为12 mm，两者的区别在于第二个阻尼器的加劲翼缘以“狗骨头”方式弱化。 ，如图4b所示，延缓剪力阻尼器角焊缝的断裂损伤，同时增加其加劲翼缘的厚度。

2.3 加载装置及试验方案

本次试验的加载系统是通过自行设计的加载装置结合试验室反应墙来实现的。 加载装置的实际组装如图5所示。

图5 剪力阻尼器试验加载装置

如图6所示，试验过程中采用两组位移计监测剪力阻尼器试件的相对水平位移。

图6 相对剪切位移测量方案

常用的水平位移测量方案是使用水平放置在剪切阻尼器试件顶部的前后两侧的两个位移计（D1、D2）。 不仅可以通过两个位移计读数的平均值来实时监测试验，还可以反映试件上下端之间的相对水平剪切位移（式（1a）），也可以反映试件的偏心扭转量根据两个位移计之间的差异得出平面； 另一套是对角线测量方案，采用四台沿试件对角线布置的两个垂直位移计（D3~D6）和四个位移计（D7~D10）构成测量系统。 使用转换公式（1b）计算试件的相对水平位移。 这相互支持了水平位移测量的正确性。

δ1=(D1+D2)/2

(1a)

δ2=(D9+D10-D7-D8)/(4cosθ)-(D3+D4-D5-D6)sinθ/(4cosθ)

(1b)

式中：θ为试件对角线与顶边的夹角； D1~D10为位移计D1~D10测得的位移。

2.4 加载系统

参照我国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》、JGJ 297-2013《建筑节能减震技术规程》和JG/T 209-2012《建筑消能阻尼器》，两种加载系统分别设计。 循环加载的基本力学性能（LS1）和超低周疲劳性能（LS2）如图7所示。

对于采用普通法兰的剪力阻尼器试件，加载过程中屈服位移Δy取4.4 mm，剪力阻尼器设计位移Δd取30 mm。 加载过程中，若试件出现明显开裂、损伤或单周期水平载荷峰值降至历史最大值的85%，则视为试件失效，停止试验加载。

a—LS1； b—LS2。

注：Δy为屈服位移； Δd为设计位移。

图7 准静态循环加载系统

2.5 试件数量

根据试件的结构形式和所选加载系统，对本次试验的3个LYP225钢剪切阻尼器试件进行编号，如表2所示。

表2 LYP225剪力阻尼器试件

测试结果与分析

3.1 试件破坏现象及模式

3.1.1 阻尼器表面油漆剥落

为了观察剪切阻尼器在加载过程中变形的发展程度，在试件一侧表面涂上白色油漆，并画出黑色网格线。 随着循环加载的进行，试件的塑性变形越来越充分，表面油漆剥落越来越明显。 以OF20-LS1试件为例，如图8所示，当阻尼器刚开始屈服时，剪力板表面的油漆基本开始剥落，当阻尼器最终失效时，剪力板表面的油漆基本开始剥落。剪切板基本脱落。 干净，表明剪切板在加载过程中已充分发挥出塑性； 同时，方钢管在加载过程中基本保持弹性状态，表面无油漆剥落。

图8 OF20-LS1试件表面油漆剥落

3.1.2 阻尼器裂纹的发展

加载过程中试件上出现的裂纹主要有四种：法兰焊脚裂纹、钢管脚裂纹、过焊孔脚水平裂纹和垂直裂纹，分别出现在OF20-LS2和RF30-LS2试件中。 。 具体分布位置如图9所示，图中序号代表裂纹萌生顺序。 数字越小，裂纹出现越早。

从图9可以看出，剪力阻尼器的裂纹萌生位置位于拉应力集中的角部； 受加载装置刚度分布的影响，剪力阻尼器的裂纹较多分布在底部，试件最终的破坏模式为多条贯穿底部的裂纹； 在普通法兰试件 OF20-LS2 中，法兰焊脚处裂纹萌生较早，而在“狗骨头”法兰试件 RF30-LS2 中，法兰焊脚处裂纹萌生明显延迟，而初始裂纹萌生较早。从钢管的拐角处开始。

a——试件OF20-LS2； b—试件 RF30-LS2。

法兰焊脚裂纹；

钢管拐角处裂纹；

通焊孔底部出现水平裂纹；

焊孔底部出现垂直裂纹。

图9 裂纹分布及失效模式

3.2 滞回曲线

图10为3个试件加载过程中的力-位移过程曲线。 一般来说，剪切阻尼器试件的剪切力-剪切变形曲线饱满，滞回形状呈纺锤形，耗能面​​积大，表现出良好的延性和较强的耗能能力。 结合裂纹的萌生和扩展可以看出，虽然3个试件的加载过程中有部分裂纹萌生较早，但开裂后试件的承载力水平仍然相对稳定，并经历了较大的变形过程（极限剪力）。角度为4%，此后承载力才出现明显下降。

a——试件OF20-LS1； b——试件OF20-LS2； c—试件RF30-LS2。

图10 LYP225钢剪切阻尼器试件剪力-剪切位移滞后曲线

在等幅加载体系下（例如，试件OF20-LS2和RF30-LS2在设计位移下加载30个循环），试件的承载力水平相对稳定，增加幅度较小，但在增加循环中加载系统下的多级位移幅值（例如OF20-LS1试件以屈服位移为递增幅度加载，OF20-LS2和RF30-LS2试件经过30个等幅循环后递增幅度加载）荷载），试件的峰值承载力将随着位移的增加而增加。 振幅随着振幅的增加而增加，这反映了循环强化现象对位移加载振幅的依赖性。 从OF20-LS2和RF30-LS2试件的滞回曲线可以看出，剪切阻尼器在设计位移（±30 mm）下性能相对稳定。 两种规格的阻尼器在设计位移下加载30次循环。 承载能力没有下降。 同时，采用“狗骨式”法兰加劲可以延缓试件的失效，提高阻尼器的超低周疲劳特性。

3.3机械性能特征参数

3个剪力阻尼器试件的力学性能特征参数如表3所示，表中超强系数按式（2）计算：

Ω=Pmax/Py

(2)

即极限剪切承载力Pmax与屈服剪切承载力Py的比值定义为阻尼器的超强度系数Ω，可以定量地反映阻尼器的强化程度。 各试件具体超强系数如表3所示。 从OF20-LS1和OF20-LS2试件对比可以看出，逐步加载（LS1）提高了LYP225钢的循环强化水平，其特点是剪切阻尼器极限承载力提高； 从OF20-LS2试件与RF30-LS2试件对比可知，“狗骨弱化”翼缘加劲板可以提高阻尼器的超低周疲劳性能，同时也提高了阻尼器的超强系数。 金属阻尼器在循环荷载作用下的强化现象虽然在一定程度上提高了阻尼器的滞回耗能能力，但不可控的超强系数很容易对周围的梁、柱、连接节点等结构构件造成二次破坏。 由试验可知，LYP225剪力阻尼器的超强度系数设计值应在1.63以上。

表3 LYP225剪切阻尼器试件力学性能特征参数

3.4 能源消费能力

图11绘制了三个试件的等效粘性阻尼比he随加载循环次数的变化规律。 可以看出，LYP225剪切阻尼器具有更好的耗能能力，等效粘性阻尼比也能更加稳定。 维持在0.5左右。

图11 等效粘性阻尼比he

综上所述

本次试验对低屈服点LYP225钢剪力阻尼器完成了3个足尺试件的准静态循环加载试验，重点研究其循环弹塑性响应和失效模式，以评价剪力阻尼器的性能。金属阻尼器。 抗震性能。 主要结论如下：

1）采用LYP225低屈服点钢制成的剪切金属阻尼器具有良好的延展性（极限剪切角可达4.7%）。 循环载荷下无构件失稳现象，滞回曲线饱满，耗能能力高。 更强（等效粘滞阻尼比可稳定保持在0.5左右），超低周疲劳性能好（在设计位移下加载30次循环后，承载能力水平相对稳定，裂纹发展不明显）是比较轻微的）。

2）阻尼器在利用芯板充分发挥剪切变形耗能的同时，焊脚处两端翼缘板的早期开裂在一定程度上限制了阻尼器的变形能力，出现“狗骨头”现象。型" "削弱翼缘加劲形式可有效延缓其裂纹萌生。

3）试验中实测阻尼器最大超强系数达到1.63。 这种超强度现象可以提高阻尼器的滞回耗能能力，但在结构系统设计时需要仔细考虑，避免对主要结构部件造成二次损坏。 破坏。

资料来源：姚祖成、王伟。 低屈服点钢剪切阻尼器的试验研究[J]. 钢结构，2020，35（12）：16-21。

doi: 10.13206/j.gjgS20091801