間隙對(duì)橫向鋼阻尼裝置性能的影響

張銀喜，郝紅肖，曹志峰

(中國(guó)中車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

間隙對(duì)橫向鋼阻尼裝置性能的影響

張銀喜，郝紅肖，曹志峰

(中國(guó)中車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

為研究生產(chǎn)裝配以及施工過(guò)程中橫向鋼阻尼裝置設(shè)計(jì)間隙大小對(duì)阻尼性能的影響，利用非線性有限元分析軟件Abaqus對(duì)橫向鋼阻尼裝置不同間隙值下豎、橫向的阻尼性能進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:在計(jì)算間隙范圍內(nèi)，橫向鋼阻尼裝置的橫向阻尼性能受豎向和橫向間隙變化影響較小，等效阻尼比約減小6.5%;豎向阻尼性能受豎向間隙影響較橫向阻尼性能更為顯著，約減小12.1%，在裝配和安裝的過(guò)程中要重點(diǎn)控制豎向間隙值。

鋼阻尼器;間隙;阻尼性能;數(shù)值模擬

目前，鋼阻尼裝置已作為一類重要部件廣泛應(yīng)用于建筑與橋梁減隔震領(lǐng)域，如目前應(yīng)用較多的E型鋼阻尼器［1］、C型鋼阻尼器［2］、ε型鋼阻尼器［3］等?，F(xiàn)有阻尼器大多數(shù)采用了整體裝配的方式形成穩(wěn)定、可靠的連接，裝置間只存在由于機(jī)械加工的需要而產(chǎn)生的必要間隙。橫向鋼阻尼裝置［4］根據(jù)橋梁變形的特點(diǎn)——日常使用時(shí)，溫度變化等引起的縱向位移，在縱橋向設(shè)計(jì)了可以滑動(dòng)并具有導(dǎo)向作用的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌與橫向鋼阻尼元件間通過(guò)間隙配合的方式保證在正常使用時(shí)不對(duì)梁體產(chǎn)生附加力。當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，橫向鋼阻尼裝置可以為梁體提供附加阻尼力，耗散地震能量，維持橋梁體系的安全。由于上述間隙的存在，在生產(chǎn)裝配以及現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，實(shí)際間隙大小均會(huì)與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生一定的誤差，有必要對(duì)間隙變化對(duì)阻尼性能的影響進(jìn)行研究?？紤]到采用實(shí)際裝置試驗(yàn)探究間隙對(duì)裝置阻尼性能影響成本較高，且部分因素在試驗(yàn)過(guò)程中不易嚴(yán)格控制，本文借助非線性有限元數(shù)值分析技術(shù)，對(duì)某型橫向鋼阻尼裝置的阻尼性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 計(jì)算模型與工況

本文設(shè)計(jì)了1套橫向鋼阻尼裝置如圖1所示，含有橫向鋼阻尼元件1件。對(duì)于鋼阻尼裝置而言，其阻尼性能主要由鋼阻尼元件決定，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文忽略了耳板及下底板的變形，橫向鋼阻尼元件下端所用銷軸以剛體代替。在本裝置中，主要的間隙有豎向間隙和橫向間隙，相應(yīng)的設(shè)計(jì)值分別為5 mm及2 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］試驗(yàn)結(jié)果可知，在正常使用條件下，鋼阻尼裝置阻尼性能對(duì)速度變化不敏感。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，本文利用靜態(tài)分析方法(Static)對(duì)上述裝置進(jìn)行了模擬。計(jì)算過(guò)程中固定橫向鋼阻尼元件下端的剛體銷軸，位移邊界條件加載在上底板上。其中水平向(橫向)和豎向最大位移分別為48 mm及20 mm，幅值曲線如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型及間隙位置示意

圖2 有限元分析加載幅值曲線

本文計(jì)算了下列3種工況下的橫向鋼阻尼裝置的阻尼性能:

工況1——橫向間隙對(duì)裝置橫向阻尼性能的影響;

工況2——豎向間隙對(duì)裝置橫向阻尼性能的影響;

工況3——豎向間隙對(duì)裝置豎向阻尼性能的影響。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文利用非線性有限元分析軟件Abaqus，在不同間隙數(shù)值條件下，計(jì)算得到模型的應(yīng)變?cè)茍D，如圖3和圖4所示，不同的變形方向下，裝置中的主要變形部位不同。該裝置的不同方向的典型滯回曲線如圖5所示，可見(jiàn)對(duì)于不同變形方向，其耗能特性存在明顯差別，在豎向位移作用下，由于裝置中存在較大的豎向間隙，滯回曲線呈雙旗形［6］，整體耗能效率明顯低于橫向變形。

圖3 豎向位移變形后的應(yīng)變?cè)茍D

圖4 水平位移變形后的應(yīng)變?cè)茍D

鋼阻尼裝置的重要作用是為橋梁體系提供額外的阻尼來(lái)耗散輸入能量，其耗能效率可以用等效阻尼比ξ來(lái)進(jìn)行評(píng)判。

等效阻尼比ξ按下式進(jìn)行計(jì)算［7］

式中:ED為相應(yīng)滯回曲線所包絡(luò)的面積，可由Origin軟件通過(guò)求取滯回曲線面積的方式獲得［8］;F0為最大位移u0時(shí)對(duì)應(yīng)的力，可在滯回曲線中直接獲得。

圖5 裝置耗能滯回曲線

不同間隙條件下的等效阻尼比如表1所示。

表1 不同間隙條件下的等效阻尼比

由表1可知:當(dāng)間隙由3 mm增加到7 mm時(shí)，工況1下，裝置等效阻尼比逐漸減小，ξ約減少6.5%;工況2下，豎向間隙的增大幾乎對(duì)橫向變形等效阻尼比不產(chǎn)生影響;工況3下，由于直接增大了裝置的豎向間隙，變形過(guò)程中裝置的空行程增大，等效阻尼比減小較為明顯，由0.212 90減小到0.187 04，約減小12.1%。上述等效阻尼比的變化滿足文獻(xiàn)［9］所定義的允許變化范圍。

表1各工況下的等效阻尼比數(shù)據(jù)表明:該裝置的橫向變形等效阻尼比滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［9］規(guī)定的0.20～0.35，數(shù)值變化幅度較小，裝配和安裝過(guò)程中的微小誤差不會(huì)對(duì)裝置的阻尼性能產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)豎向間隙＞5 mm時(shí)，豎向變形等效阻尼比小于上述標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的0.20，裝配和安裝過(guò)程中要特別注意對(duì)豎向間隙進(jìn)行控制。

3 結(jié)論

本文利用有限元仿真分析軟件Abaqus就間隙對(duì)橫向鋼阻尼裝置阻尼性能的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在生產(chǎn)裝配和實(shí)際安裝過(guò)程中，即使裝置中的橫向間隙或豎向間隙出現(xiàn)小幅度的誤差也不會(huì)顯著影響裝置整體橫向耗能能力;但豎向間隙對(duì)豎向阻尼性能影響較大，需要對(duì)此進(jìn)行嚴(yán)格控制，且該裝置豎向阻尼性能不如橫向顯著。

［1］潘晉，吳成亮，仝強(qiáng)．E型鋼阻尼器數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究［J］．振動(dòng)與沖擊，2009，28(7):192-195．

［2］吳成亮，仝強(qiáng)．兩種弧形鋼阻尼器設(shè)計(jì)與性能研究［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2009，29(5):158-163．

［3］劉軍，律偉，張小鋒，等．ε形鋼阻尼器設(shè)計(jì)仿真分析及試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2015(2):21-24．

［4］陳彥北，李鵬，郝紅肖，等．防落梁裝置:CN102444085A［P］．2012-05-09．

［5］張銀喜，陳彥北，郝紅肖．雙弧形鋼阻尼器試驗(yàn)研究［J］．山西建筑，2015，41(30):159-160．

［6］張紀(jì)剛，盧愛(ài)貞，歐進(jìn)萍．PFD-SMA支撐體系滯回性能［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(11):1713-1719．

［7］ANIL K C．結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］．謝禮立，呂大剛，譯．北京:高等教育出版社，2010．

［8］方安平，葉衛(wèi)平．Origin8.0實(shí)用指南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［9］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技術(shù)條件［S］．北京:人民交通出版社，2013．

Influence of Clearance on Performance of Transverse Steel Damper Device

ZHANG Yinxi，HAO Hongxiao，CAO Zhifeng
(Zhuzhou Times New Material Technology Co．，Ltd．，Zhuzhou Hunan 412007，China)

T he objective of this research is to study the influence of the design clearance on the performance of transverse steel damper device(T SDD)during production，assembly and construction．T he damper performance of T SDD was simulative calculated with non-linear finite element software Abaqus，with consideration of different clearances．T he results show that the longitudinal and transverse clearances changes have little effect on transverse damping performance，and the equivalent damping ratio decreases about 6.5%，while the clearance is within the calculated clearance．T he longitudinal damping performance is more significantly affected by the longitudinal clearance than the transverse damping performance and the decrease of the former is about 12.1%．T hus，the longitudinal clearance shall be controlled during assembly and installation．

Steel damper device;Clearance;Damping performance;Numerical simulation

U443．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．09

1003-1995(2016)12-0030-03

(責(zé)任審編孟慶伶)

2016-08-19;

2016-09-28

張銀喜(1985—)，男，工程師，碩士。