金属阻尼器的试验研究与应用

　　摘 要：能量耗散是减少建筑结构或构件在地震中损伤和破坏的关键，应用金属阻尼器是耗散地震能量的重要手段之一。金属阻尼器主要是利用金属进入弹塑性屈服状态产生滞回进行耗能，具有造价低廉，耗能能力稳定的优点。 在重点介绍目前几种被广泛应用的金属阻尼器的基础上，阐述了其工作原理、构造要求和工程应用情况。其中，对铅挤压阻尼进行了设计和制作，并对其进行了力学性能测试，测试结果显示：铅挤压阻尼器力-位移曲线接近矩形，符合“库伦摩擦”的特点；力-速度曲线接近双“S”形，阻尼器耗能能力较强且性能稳定。最后，提出今后金属阻尼器的发展方向和需要进一步解决的问题。

　　关键词：能量耗散；金属阻尼器；弹塑性屈服；滞回特性；工作原理

　　中图分类号：TU352.1 文献标志码：A 文章编号：1672-1098（2014）03-0001-05

　　近年来，国内外在工程结构的隔震、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。传统的建筑抗震结构体系是通过提高结构本身的性能，例如加大构件截面尺寸或者采用更高强度的材料来抵御地震作用。但是，由于人们不能准确地预知将来可能遇到的地震作用的大小及特性，而按传统方法设计的建筑结构又不具备对外荷载进行自我调节的能力，因此，按常规的设防烈度来进行设计，一旦遇到超出设防烈度的强烈地震，建筑结构的安全性将无法得到保障。文献[1]提出了结构振动控制的概念，即通过在工程结构的特定部位装设某种装置、机构或某种施加外力的设备，改变或调整结构的动力特性，从而合理控制结构在动力荷载作用下的响应（如位移、速度、应变或者加速度等）。结构控制的提出和发展无疑给现代建筑抗震设计带来了根本性的变化，土木工程振动控制的研究和应用从上世纪开始，至今已有近60多年的历史，各种振动控制的新方法、新形式不断涌现。

　　由于金属在进入塑性状态后具有良好的滞回特性，并在弹塑性滞回变形过程中能吸收大量能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能减震器。目前比较常用的包括金属软钢阻尼器、加劲钢板阻尼器、剪切钢板阻尼器、全钢防屈曲支撑和铅挤压阻尼器等。文献[2-3]认为软钢阻尼器耗能减震的优势：由于软钢阻尼器的存在，结构的刚度增加，导致结构的变形降低。尤其在强震的作用下，软钢阻尼器充分发挥其耗能大的优势，减少了地震对结构的破坏作用；文献[4]设计制作了X型加劲阻尼器，通过数值分析和试验研究，结果表明X型加劲阻尼器能有效提高结构的刚度，增加结构的耗能能力；文献[5]115对铅挤压阻尼器进行了试验研究和数值分析，将铅挤压阻尼器加入到框架剪力墙结构中，采用遗传算法对其进行位置优化并对优化和未优化布置阻尼器的减震效果进行分析，结果表明铅挤压阻尼器能够有效降低剪力墙结构的地震响应；文献[6]提出一种新型的剪切型铅阻尼器，该装置中铅块直接嵌于滑动钢板与固定钢板的凹槽之间，构造简单。同时基于性能试验和有限元分析对该装置的滞回性能及关键参数进行了研究，研究结果表明，该阻尼器的滞回性能可靠，适合工程结构隔减震应用。

　　本文对各种金属阻尼器的性能和应用情况进行分析总结，指出各种金属阻尼器的优缺点，同时提出该类阻尼器今后的发展方向和需要解决的问题。

　　1 软钢阻尼器

　　软钢阻尼器是利用钢材的塑性变形吸收地震能量。其基本形式包括碟型软钢阻尼器和U型软钢阻尼器等（见图1）。该类型阻尼器的特点是具有稳定的能量吸收能力，能够限制结构的水平位移，可以用于抵抗风荷载和地震荷载作用。

　　（a）蝶型软钢阻尼器 （b）U型软钢阻尼器

　　软钢阻尼器设置在基础与上部结构之间，一般与隔震垫配合使用。碟型软钢阻尼器由日本开发，它是利用4根螺旋状的钢材组合在一起形成的（见图1a）。这样，使得阻尼器在加力方向上的阻力以及能量吸收能力的方向性得到减小。钢棒的端部经锻造成形，直接用螺栓连接在连接板上。钢棒和连接板的连接方法，分为能自由转动的铰接法和约束转动的连接法。阻尼器的约束方式一般分为两种，一种是一端采用铰接，另一端采用约束转动的连接法；还有一种是两端都采用约束转动的连接法，通过钢棒直径、环半径和连接部约束条件可以生产出不同型号的环状钢棒阻尼器。对于U型软钢阻尼器（见图1b）。其能量吸收能力主要与4个环形钢棒有关。环的内直径相同时，钢棒越粗屈服力越高，阻尼器的耗能能力越强。另外，钢棒直径相同时，环的内直径越大屈服力越低，阻尼器的耗能能力越弱，这是因为环的内直径增大后阻尼器的屈服力虽然减小了，但到发生破断为止的反复循环次数增加而引起的。