ε形鋼阻尼器設(shè)計(jì)仿真分析及試驗(yàn)研究

劉軍，律偉，張小鋒，郭紅鋒

(湖南株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

ε形鋼阻尼器設(shè)計(jì)仿真分析及試驗(yàn)研究

劉軍，律偉，張小鋒，郭紅鋒

(湖南株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

ε形鋼阻尼器是一種尺寸小、性能優(yōu)越的金屬阻尼器，可廣泛應(yīng)用于各種工程抗震結(jié)構(gòu)中。首先對(duì)影響ε形鋼阻尼器性能的因素進(jìn)行分析，并應(yīng)用工程力學(xué)推導(dǎo)出ε形鋼的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，可用來快速估算其性能;其次通過仿真分析驗(yàn)證計(jì)算公式;最后通過性能試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。本文所推導(dǎo)的公式可用來便捷地設(shè)計(jì)ε形鋼阻尼器。

ε形鋼阻尼器 抗震 消能 設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)工程結(jié)構(gòu)的抗地震方法是“硬抗”，即通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來抵抗地震力。但是結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，勢(shì)必增加結(jié)構(gòu)的剛性，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)增加;同時(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)增加造價(jià)，消耗資源。因此，越來越多的工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)引入了“阻尼消能”抗震理念。

所謂“阻尼消能”抗震，就是在工程結(jié)構(gòu)加入阻尼器，地震時(shí)阻尼器通過往復(fù)地震位移(阻尼滯回移動(dòng))先于主體結(jié)構(gòu)消耗地震能量，衰減地震力(所謂減震)，甚至阻斷地震力的傳遞(所謂隔震)，保護(hù)工程主體結(jié)構(gòu)免遭地震力破壞。因此，工程結(jié)構(gòu)中阻尼器的性能決定了結(jié)構(gòu)的抗震性能，有時(shí)甚至?xí)饹Q定性作用，決定結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。

目前國(guó)內(nèi)外已研制出了大量的阻尼器，其中金屬阻尼器具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點(diǎn)，使其在實(shí)際工程中的應(yīng)用前景極為廣闊［1］。目前應(yīng)用較多的金屬阻尼器有E形、C形、非線性阻尼輻等阻尼器［2］。而ε形鋼阻尼器是一種最新研發(fā)的新型金屬阻尼器，其重量比同類金屬阻尼器更輕，占用空間也更小，阻尼消能性能也更加優(yōu)良。可以廣泛用于各種工程結(jié)構(gòu)中，特別是橋梁工程領(lǐng)域。

ε形鋼阻尼器(以后簡(jiǎn)稱為ε形鋼)目前已應(yīng)用于阻尼抗震橋梁支座中，可以有效減少橋梁支座尺寸，節(jié)約寶貴橋墩墩頂空間。而ε形鋼阻尼器目前尚無設(shè)計(jì)計(jì)算公式指導(dǎo)設(shè)計(jì)，只能在設(shè)計(jì)完后通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證其性能，設(shè)計(jì)開發(fā)成本高、難度大，影響其推廣應(yīng)用。

1 ε形鋼阻尼器設(shè)計(jì)

影響金屬阻尼器性能的主要是材料和阻尼器的外形。

1.1 材料選擇

金屬阻尼器主要是通過金屬的塑性變形來阻尼消能的。在形狀相同的情況下，材料的屈服強(qiáng)度決定阻尼元件的阻尼力，材料的塑性決定阻尼元件的阻尼疲勞壽命(低周疲勞性能)。為保證阻尼器具有良好的阻尼疲勞性能，盡量采用塑性好的軟鋼材料。但使用二級(jí)高強(qiáng)鋼在同樣阻尼力的情況下可以節(jié)約50%以上的材料成本［3］，因此，在滿足阻尼疲勞性能情況下，阻尼器盡量采用屈服強(qiáng)度較高的二級(jí)高強(qiáng)鋼。

1.2 外形設(shè)計(jì)

在材料相同的情況下，金屬阻尼器的性能是由其外形決定的。金屬阻尼器的平面形狀影響其阻尼運(yùn)動(dòng)塑性變形時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變的分布。良好的形狀能夠使阻尼器塑性變形時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變分布均勻，阻尼器的大部分材料能參與阻尼消能。提高材料利用率，使阻尼器重量更輕、體積更小，同時(shí)還可以減少阻尼器的應(yīng)力應(yīng)變集中，提高其阻尼疲勞壽命。阻尼器的厚度與阻尼器的阻尼力成正比，通過厚度可以調(diào)整阻尼力。

ε形鋼外形設(shè)計(jì)借鑒了E形鋼阻尼器和C形鋼阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，采用雙C形鋼結(jié)構(gòu)，既有E形鋼阻尼器阻尼力大的優(yōu)點(diǎn)，又能如C形鋼阻尼器一樣塑性變形時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變分布均勻。正是由于ε形鋼獨(dú)特的外形設(shè)計(jì)，使其重量?jī)H為同性能E形鋼阻尼器的三分之一，占用空間也僅為二分之一，而阻尼消能性能卻相當(dāng)于兩個(gè)C形鋼阻尼器。

1.3設(shè)計(jì)計(jì)算

ε形鋼設(shè)計(jì)計(jì)算主要計(jì)算阻尼器的屈服力(初始阻尼力)Fy、屈服位移dy、最大塑性應(yīng)變?chǔ)舖ax等。

ε形鋼阻尼器原型如圖1。其中:b為ε形鋼臂段的寬度;h為ε形鋼的力臂;L為ε形鋼的單段長(zhǎng)度。

圖1ε 形鋼阻尼器原型

ε形鋼可簡(jiǎn)化為兩邊鉸支、中間可以運(yùn)動(dòng)的曲梁模型?？紤]到軸力對(duì)ε形鋼的影響較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，理論計(jì)算公式推導(dǎo)只考慮彎矩的作用(如圖2)。根據(jù)材料力學(xué)推導(dǎo)，矩形梁純彎曲時(shí)，橫截面的屈服彎矩My和塑性彎矩Mp可分別由以下公式求得［4］

式中:σy為材料的屈服應(yīng)力，s為ε形鋼鋼板的厚度。

圖2ε 形鋼阻尼器彎矩

如圖3，假設(shè)ε形鋼在Fy的作用力下A點(diǎn)出現(xiàn)屈服彎曲和極限彎曲，則A點(diǎn)的屈服彎矩My為

圖3 屈服彎矩

那么ε形鋼的屈服力Fy為

通過有限元仿真分析和試驗(yàn)研究，A點(diǎn)一般出現(xiàn)在ε形鋼的腰部位置，此時(shí)α=45°，由此可以推算出

那么

計(jì)算ε形鋼的屈服位移dy時(shí)，取ε形鋼弓形的一半，并簡(jiǎn)化為小曲率曲梁(如圖4)，dy即為ε形鋼受到屈服力Fy時(shí)的位移。

圖4 屈服位移

此時(shí)小曲率梁任意截面上荷載引起的彎矩為

單位荷載引起的彎矩為

根據(jù)摩爾積分原理，可以推導(dǎo)出小曲率梁在荷載下的位移為［4］

對(duì)于ε形鋼屈服后的位移和應(yīng)變，不能通過彈性力學(xué)推導(dǎo)計(jì)算公式，本文引入經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算

那么

在抗震設(shè)計(jì)中，ε形鋼的最大地震位移是一個(gè)給定的輸入量，因此可以由公式(3)求出ε形鋼的最大應(yīng)變?chǔ)舖ax，而εmax決定了ε形鋼疲勞阻尼壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其值不宜大于0.06。

為了驗(yàn)證ε形鋼計(jì)算公式的有效性，采用有限元仿真分析方法來進(jìn)行驗(yàn)證。

2 仿真分析

按照ε形鋼阻尼器原型，取s=50 mm，b=41 mm，h=145 mm，L=120 mm。采用二級(jí)高強(qiáng)鋼:σy=345 MPa，設(shè)計(jì)最大地震位移dmax=60 mm。

有限元仿真采用ABAQUS6.10軟件進(jìn)行，分析中所用單位系統(tǒng)為SI，即mm，N，MPa。分析模型主要由固定連接結(jié)構(gòu)、活動(dòng)連接結(jié)構(gòu)(中間部分)與ε形鋼三部分組成。在分析過程中，ε形鋼是分析重點(diǎn)，視為柔性體，由于連接結(jié)構(gòu)不是分析重點(diǎn)，因此將其簡(jiǎn)化為剛體進(jìn)行;在網(wǎng)格劃分時(shí)，型鋼阻尼器采用C3D8R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，每個(gè)ε形鋼阻尼器劃分為29 523個(gè)單元。

2.1 材料參數(shù)

材料參數(shù)采用由鋼材試棒拉伸曲線轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線參數(shù)(見圖5)，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。

圖5 真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.2 仿真分析結(jié)果

有限元仿真分析表明，ε形鋼滯回曲線都非常飽滿。從模擬滯回曲線看，ε形鋼屈服位移為5.5 mm，屈服力為205 kN，在設(shè)計(jì)最大位移(60 mm)時(shí)等效塑性應(yīng)變?yōu)?.055(參照?qǐng)D6和圖7)，基本符合設(shè)計(jì)計(jì)算公式(1)，(2)，(3)的計(jì)算值。

圖6ε 形鋼應(yīng)變?cè)茍D

圖7ε 形鋼仿真滯回曲線

另外對(duì)不同尺寸的ε形鋼進(jìn)行了有限元仿真分析驗(yàn)證，也基本符合設(shè)計(jì)計(jì)算公式的計(jì)算值(見表1)。由此可以斷定，公式(1)，(2)，(3)完全可以指導(dǎo)ε形鋼的設(shè)計(jì)，能夠?qū)Ζ判武摰男阅苓M(jìn)行快速估算。

表1 公式計(jì)算與仿真分析結(jié)果比較

3 ε形鋼阻尼器性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證ε形鋼阻尼器的性能，選取樣品1進(jìn)行阻尼性能試驗(yàn)。

本試驗(yàn)?zāi)M鋼阻尼橋梁支座的使用工況，依照交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)《公路橋梁彈塑性鋼減震支座》(JT/T 843)附錄A中的要求進(jìn)行［5］。

3.1 力—位移循環(huán)試驗(yàn)

力—位移循環(huán)試驗(yàn)，將豎向荷載施加到2 000 kN，通過試驗(yàn)平臺(tái)施加水平荷載。荷載以正弦波形式分3級(jí)加載，分別是:±15 mm(±0.25dmax)，5次;±30 mm (±0.5dmax)，5次;±60 mm(±1.0dmax)，5次;平均速度為2 mm/s。

圖8為ε形鋼的試驗(yàn)滯回曲線。從試驗(yàn)曲線可以看出，ε形鋼屈服力約為230 kN?？紤]到支座本身摩擦力約為20 kN(試驗(yàn)曲線的臺(tái)階部分縱坐標(biāo))，實(shí)際屈服力約為210 kN。ε形鋼的屈服位移7 mm，去掉試驗(yàn)裝置間隙(試驗(yàn)曲線臺(tái)階部分的水平長(zhǎng)度)2 mm，實(shí)際屈服位移約5 mm。由此可以看出，試驗(yàn)結(jié)果得出的屈服力和屈服位移與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果相符，最大應(yīng)變主要通過超載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)反映，如果兩者都能滿足JT/T 843標(biāo)準(zhǔn)要求，說明設(shè)計(jì)最大應(yīng)變完全合理。

3.2 超載試驗(yàn)

完成位移循環(huán)試驗(yàn)后，同一組試驗(yàn)樣品接著做超載試驗(yàn)，按照正弦波形式以1 mm/s速度循環(huán)加載，位移±72 mm(±1.2dmax)，5次。

完成5次超載試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品完好，遠(yuǎn)超JT/T 843標(biāo)準(zhǔn)要求的一次超載試驗(yàn)要求。

3.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)更換另一組試驗(yàn)樣品做，疲勞試驗(yàn)按照正弦波的形式，以2 mm/s速度循環(huán)加載，±60 mm (±1.0dmax)，30次。

疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)樣品一直進(jìn)行了32.5個(gè)加載循環(huán)，才開始出現(xiàn)ε形鋼性能下降直至開裂斷裂。性能遠(yuǎn)超JT/T 843標(biāo)準(zhǔn)要求的11次加載循環(huán)要求。

超載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)表明，樣品1的設(shè)計(jì)最大應(yīng)變非常合理。

圖8ε 形鋼力—位移循環(huán)

4 結(jié)論

通過對(duì)影響ε形鋼阻尼器性能的因素進(jìn)行研究，應(yīng)用工程力學(xué)推導(dǎo)出ε形鋼的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，可快速估算其性能。并通過仿真分析驗(yàn)證計(jì)算公式，最后以性能試驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。這樣，在通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了ε形鋼設(shè)計(jì)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，即可以用這些公式來便捷地設(shè)計(jì)ε形鋼阻尼器，從而解決了ε形鋼的設(shè)計(jì)難題，便于這種尺寸小、性能優(yōu)良的金屬阻尼器的應(yīng)用推廣。

［1］潘晉，吳成亮，仝強(qiáng)，等.E形鋼阻尼器數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2009(3):192-195.

［2］劉軍，寧響亮，李文斌，等.彈塑性鋼阻尼元件在橋梁減震中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2012(2):22-24.

［3］黃曉吉.某高層建筑采用粘滯阻尼器的抗震設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道建筑，2008(6):102-105.

［4］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1987.

［5］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JT/T 843—2012公路橋梁彈塑性鋼減震支座［S］.北京:人民交通出版社，2013.

Simulation analysis and experimental study on design for ε-shaped steel damper

LIU Jun，Lü Wei，ZHANG Xiaofeng，GUO Hongfeng
(Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412007，China)

ε-shaped steel damper is a metal damper with smaller size and superior performance.It can be widely applied to various anti-seismic engineering structures.T he factors affecting ε-shaped steel damper was analyzed.T he design formula of ε-shaped steel damper was proposed to predict its performance rapidly.T he design formula of εshaped steel damper is validated by simulation and performance test.T he formula to design the ε-shaped steel damper may be conveniently used for design.

ε-shaped steel damper;Anti-seismic;Energy dissipation;Design

U443.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.02.06

1003-1995(2015)02-0021-04

(責(zé)任審編趙其文)

2014-03-20;

2014-11-07

劉軍(1970—)，男，湖南新化人，高級(jí)工程師。