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1 第 38 卷第 4 期 2018 年 8 月 地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.4 Aug.2018 文章编号 : (2018) DOI: /j.eeev cheny.013 分级屈服型金属阻尼器减震性能分析 陈云 1, 陈超 1, 刘涛 1 2, 蒋欢军 (1. 海南大学土木建筑工程学院, 海南海口 ;2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海 ) 摘要 : 本文提出一种由两个不同尺寸的环形金属阻尼器套在一起形成的新型分级屈服型金属阻尼器, 阐述了其构造形式和耗能机理, 提出其三折线骨架模型并采用三折线随动强化模型模拟分级屈服型金属阻尼器的滞回性能, 与试验结果进行了对比分析 利用 SAP2000 有限元分析程序, 分别对纯混凝土框架结构和装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构进行小震 中震和大震下的弹塑性动力时程分析 研究结果表明, 分级屈服型金属阻尼器的滞回环饱满, 三折线随动强化模型可以较好地模拟阻尼器的滞回特性, 其预测结果与试验结果吻合较好 装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构在不同水准的地震作用下均具有较好的抗震性能, 结构的地震位移响应明显减小 小震下阻尼器内环开始屈服耗能, 外环保持弹性, 为结构提供附加阻尼和附加刚度 中震下阻尼器外环开始屈服, 和内环一起耗能, 实现了内外环分级屈服耗能 大震下阻尼器能有效地控制结构的位移响应, 提高结构的整体抗震性能 关键词 : 阻尼器 ; 抗震性能 ; 恢复力模型 ; 分级屈服 ; 动力时程分析 ; 骨架曲线中图分类号 :TU352.1;TU317.1 文献标志码 :A Analysisofseismicperformanceofgradedyieldingmetaldamper CHENYun 1,CHENChao 1,LIUTao 1,JIANGHuanjun 2 (1.ColegeofCivilEngineeringandArchitecture,HainanUniversity,Haikou570228,China; 2.StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China) Abstract:Inthispaper,anewtypeofgradedyieldingmetaldampercomposedoftwoo shapedmetaldamperswith diferentgeometrysizesisproposed.itsconstructionandenergydisipationmechanismareintroduced.thetrilinear skeletonmodelisproposedandthehystereticperformanceofthegradedyieldingmetaldamperissimulatedbytri linearkinematichardeningmodel,thesimulatedresultsarecomparedwithexperimentalresults.thesap2000pro cedureisusedtoanalyzetheelasto plasticdynamictimehistoryresponseofthepureconcreteframestructureand theconcreteframestructurewiththegradedyieldingmetaldampersundersmalearthquakes,moderateearthquakes andrareearthquakes.theresearchresultsshowthatthehysteresisloopsofgradedyieldingmetaldampersareful, andthesimulationresultsofthetrilinearkinematichardeningmodelareingoodaccordwithexperimentalresults. Theconcreteframestructurewithgradedyieldingmetaldampersexhibitsexcelentseismicperformanceunderdif ferentlevelsofearthquakeactionandtheseismicdisplacementresponseofthestructureisobviouslyreduced.un dersmalearthquakes,theinnerringofthedamperstartstoyield,theouterringkeepselastic,andthedamper providesadditionaldampingandadditionalstifnesforthestructure.undermoderateearthquake,theouterringof thedamperbeginstoyieldanddisipateseismicenergywiththeinnerringtogether,thedamperachievethegraded 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 海南省重点研发计划 (ZDYF ) Supportedby:NationalNaturalScienceFoundationofChina( );HainanKeyR&DProgram(ZDYF ) 作者简介 : 陈云 (1980-), 男, 副教授, 博士, 主要从事工程结构抗震与防灾研究.E mail:chenyunhappy@163.com 通讯作者 : 陈超 (1993-), 男, 硕士研究生, 主要从事结构振动控制研究.E mail:chenchaosqkcx@163.com

2 86 地震工程与工程振动第 38 卷 yielding.underrareearthquake,thedampercanefectivelycontrolthestructuraldisplacementresponseandim provetheseismicperformanceofthestructure. Keywords:damper;seismicperformance;restoringforcemodel;gradedyielding;dynamictimehistoryanalysis; skeletoncurves 引言 金属阻尼器是一种广泛采用的减震控制装置, 其通常具有力学概念清晰和加工制作方便的优点 [1-3] 近些年, 国内外学者研发了大量不同构造形式的金属阻尼器 [4-7] 为使阻尼器在不同强度的地震作用下均能够有效发挥耗能特性, 部分学者研发了分阶段屈服的阻尼器 [8-10] 综合分析目前金属阻尼器的研发现状, 发现在以下两个方面的研究还需进一步加强 :(1) 应研发基于普通钢材制作的, 具备优良减震性能的金属阻尼器, 从而大幅度降低金属阻尼器的制作成本 (2) 目前大多数金属阻尼器基于中震或大震屈服耗能设计, 小震时不具备耗能能力, 未实现分级屈服的功能, 已有的部分分阶段屈服的阻尼器在较小位移下屈服后可能在较大位移下提前发生破坏而不具备优良的大变形能力 针对上述问题, 本文作者研发了一种由普通 Q235 钢材制作的分级屈服型金属阻尼器, 其由同轴内外套设的两个大小不同的环形金属阻尼器构成, 通过调整内外金属阻尼器的尺寸参数来达到分级屈服耗能的目标, 使其在不同水准的地震作用下均具有较好的耗能能力 首先介绍了分级屈服金属阻尼器的构造形式和耗能原理 ; 提出了计算阻尼器关键力学性能点的三折线骨架模型并采用三折线随动强化模型模拟阻尼器的滞回性能, 与试验结果进行了对比分析 ; 利用 SAP2000 有限元分析程序, 在选取的三条地震波的工况下, 分别对纯混凝土框架结构和装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构进行小震, 中震和大震下弹塑性动力时程分析, 研究其抗震性能, 初步为本分级屈服型金属阻尼器的工程应用奠定了基础 1 分级屈服型金属阻尼器的构造形式和耗能原理 分级屈服型金属阻尼器的构造示意图如图 1 所示, 主要由同轴内外套设的两个大小不同的环形金属阻尼器 ( 以下简称内环和外环 ) 构成, 内 外环之间具有间隔并设有连接垫板 单个环形金属阻尼器的详细构造示意图和三视图如图 2 和图 3 所示 环形金属阻尼器由 Q235 钢板整体切割弯折成型, 在外力作用下呈滚动弯曲变形, 屈服点可以不断移动, 使得其实现多截面屈服, 有效避免屈服点的集中出现, 显著提高其变形性能和抗疲劳性能 该分级屈服型阻尼器已申请实用新型专利 (ZL ) 并获得授权 [11] 通过调整内 外环的尺寸参数使其具有不同的屈服位移, 从而实现小震作用下内环屈服 ( 外环保持弹性状态 ), 中震或大震作用下外环屈服 ( 和内环一起耗能 ), 从而实现分级屈服耗能的设计目标 ; 选择地, 也可小震时内外环都处于弹性状态, 中震作用下内环屈服 ( 外环保持弹性状态 ), 大震作用下外环屈服 ( 和内环一起耗能 ) 图 1 分级屈服型金属阻尼器示意图 Fig.1 Schematicdiagramofgraded yieldingmetaldamper 图 2 环形金属阻尼器构造图 Fig.2 Schematicdiagramofannular metaldamper

3 第 4 期陈云, 等 : 分级屈服型金属阻尼器减震性能分析 87 图 3 环形金属阻尼器三视图 ( 单位 :mm) Fig.3 Three viewdrawingsofannularmetaldamper(unit:mm) 2 三折线随动强化模型 提出计算阻尼器关键力学性能点的三折线骨架模型, 如图 4 所示 采用三折线随动强化模型作为分级屈服型金属阻尼器的恢复力模型, 如图 5 所示 由于分级屈服型金属阻尼器的内环嵌套在外环里面, 两者在变形时位移相同, 内 外环分别采用双折线随动强化模型, 分级屈服型金属阻尼器的力学性能是内 外环力学性能的线性叠加 图 4 三折线骨架模型 Fig.4 Trilinearskeletoncurvemodel 图 5 三折线随动强化恢复力模型 Fig.5 Trilinearkinematichardeningrestoringforcemodel 设计了两个试件 A 和 B, 对其进行低周反复加载试验, 由试验结果绘制阻尼器的相关力学性能曲线 利用上述三折线骨架模型及三折线随动强化模型得到分级屈服型金属阻尼器的骨架曲线 滞回曲线以及耗能曲线, 并与试验相应结果进行对比 ( 如图 6 所示, 限于篇幅仅给出试件 B 的对比结果 ) 对比结果表明, 三折线随动强化模型可以较好地描述分级屈服型金属阻尼器的滞回性能, 两个试件的预测结果与试验结果吻合较好, 模型曲线参数较少, 方便工程设计 3 分级屈服型金属阻尼器的减震性能分析 3.1 工程概况 本工程为新疆石河子某中学的学生宿舍楼, 为混凝土框架结构, 共 5 层, 无地下室, 底层柱底标高为

4 地 88 震 工 程 与 工 程 振 动 第3 8卷 2m 首层层高 5 6m 2 5层层高 3 6m 结构总高度为 2 m 该工程抗震设防烈度为 8度 2 建筑 设计地震分组为第二组 特征周期为 4 结构抗震等级为一级 基本风压为 3 5 N m2 原 场地类别为Ⅱ类 结构阻尼比取 5 设计使用年限为 5 年 图 6 力学指标对比 F 6 C fm l x 3 2 建模方法 图 7为原模型的三维图 因为原模型结构左右对称 故只取左半部分利用 S AP2程序进行减震分析 建立减震结构模型时 分级屈服型金属阻尼器采用多段线性塑性连接单元模拟 通过定义阻尼器的第 屈服 位移 第 屈服荷载 第 2屈服位移 第 2屈服荷载以及极限位移和极限荷载即可确定上节所述的阻尼器的 三折线随动强化恢复力模型 阻尼器支撑采用普通 Q2 3 5钢 截面选用工字型钢 其中阻尼器对称布置在 原模型的转角处 从第 层到第 4层依次均匀布置 如图 8所示 表 为结构各层阻尼器的尺寸与编号 图 7 原模型的三维图 F 7 T m l p f lm l 图8 S AP2 的减震结构模型 F 8 S m m l fs AP2

5 第 4 期陈云, 等 : 分级屈服型金属阻尼器减震性能分析 89 阻尼器编号 SD1 SD2 楼层 1~2 层 3~4 层 表 1 阻尼器编号及尺寸 Table1 Numbersandsizesofthedampers 尺寸 (mm) t W d S L 内环 外环 内环 外环 减震分析 地震波选取根据 建筑阻尼减震技术规程 节和 高层建筑混凝土结构技术规程 节的相关规定, 选取了 2 条实际强震记录加速度时程曲线 (Chi Chi,Taiwan 02_NO_2165 波 ( 天然波 1) 和 N.PalmSprings_NO_ 523 波 ( 天然波 2)) 和 1 条人工模拟加速度时程曲线 (ArtWave RH4TG055 波 ) 作为地震波输入 由于篇幅所限, 除表 2 外, 其余仅列出 Chi Chi,Taiwan 02_NO_2165 波 ( 天然波 1) 的减震分析结果 小震下的时程响应分析多遇地震作用下, 减震结构和阻尼器的耗能情况见表 2,X 和 Y 方向减震前后层间位移角对比结果见图 9 本文提出的阻尼器是属于位移型, 由计算分析知其层间位移角的控制率最大可达 63.02%, 从图 9 也可以看出阻尼器对结构的位移控制较为明显, 减震后结构的层间位移角均小于规范的 1/550, 且减震后结构各层的层间变形比较均匀, 没有出现薄弱层 同时, 由表 2 可知阻尼器为结构提供的附加阻尼比最大可达 7.72% 分别选取 X Y 方向的阻尼器各一个, 绘制其滞回曲线 由图 10 可知小震下阻尼器滞回曲线呈现出双折线, 表明仅内环开始屈服耗能, 外环基本保持弹性, 阻尼器为结构提供附加阻尼和附加刚度 表 2 附加阻尼比和耗能结果汇总 Table2 Summaryofadditionaldampingratioandenergydisipationresults 地震波天然波 1 天然波 2 人工波 方向 结构总应变能 W 1s (kn mm) 阻尼器总应变能 W 2s (kn mm) 阻尼器总耗能 W c (kn mm) 附加阻尼比 ζ d (%) X Y X Y X Y 图 9 小震下的层间位移角对比 Fig.9 Comparisonofstorydriftratiosunderfrequentearthquake

6 地 9 震 工 程 与 工 程 振 动 第3 8卷 小震下阻尼器的滞回曲线对比 F C f y v f f 3 3 3 中震下的时程响应分析 设防地震作用下 减震前后 X和 Y方向层间位移角对比结果见图 从分析结果也可以看出阻尼器对 结构的位移控制较为明显 减震后结构各层的层间变形比较均匀 没有出现薄弱层 分别选取 X Y方向的 阻尼器各一个 绘制其滞回曲线 由图 2可知中震下阻尼器的滞回曲线呈现出三折线 表明外环开始屈服 和内环一起耗能 阻尼器滞回环饱满 表现出较强的耗能特性 中震下的层间位移角对比 F C f y f m 2 中震下阻尼器的滞回曲线对比 F 2 C f y v f m 3 3 4 大震下的弹塑性分析 罕遇地震作用下 结构的顶点位移时程曲线见图 3 装有该分级屈服型金属阻尼器的结构顶点位移减 小明显 而且位移衰减得很快 说明分级屈服型金属阻尼器在大震下可以充分耗能 有效控制了结构的位移 4给出了减震结构在大震下的耗能情况 大震下阻尼器作为主要的耗能元件 吸收了大多数地震 响应 图 能量 分别选取 X Y方向的阻尼器各一个 绘制其滞回曲线 由图 5可知阻尼器的滞回曲线在大震下表

7 第 4期 陈 云 等 分级屈服型金属阻尼器减震性能分析 9 现出明显的三折线特性 真正实现了内外环分级屈服耗能 3 大震下结构的顶点位移对比 F 3 C f p p l m f 4 大震下结构的能量耗散对比 F 4 C f y p f 5 大震下阻尼器的滞回曲线对比 F 5 C f y v f 4 结论与展望 本文提出一种新型分级屈服型金属阻尼器 阐述了其构造形式和耗能机理 提出了其受力三折线骨架模 型并采用三折线随动强化模型模拟分级屈服型金属阻尼器的滞回性能 与试验结果进行对比分析 利用 SAP2有限元分析程序 分别对纯混凝土框架结构和装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构进行 小震 中震和大震下的弹塑性动力时程分析 通过以上研究 本文得到以下结论 三折线随动强化模型可以较好地模拟分级屈服型金属阻尼器的滞回性能 预测结果与试验结果吻 合较好 模型曲线参数较少 方便工程设计 2 装有分级屈服型金属阻尼器的混凝土框架结构的地震位移响应明显减小 位移的最大控制率为

8 92 地震工程与工程振动第 38 卷 63.02%, 能够为结构提供的附加阻尼比最大可达 7.72%, 减震后结构各层的层间变形比较均匀, 没有出现薄弱层 (3) 小震下阻尼器内环开始屈服耗能, 外环保持弹性, 并且能够为结构提供附加阻尼和附加刚度 中震下阻尼器外环开始屈服, 和内环一起耗能, 实现内外环分级屈服耗能 大震下阻尼器能有效地控制结构的位移响应, 显著提高了结构的整体抗震性能 (4) 后续拟进一步开展安装有分级屈服型金属阻尼器结构模型的地震模拟振动台试验, 为其工程应用奠定基础 参考文献 : [1] 周云. 金属耗能减震结构设计理论及应用 [M]. 武汉 : 武汉理工大学出版社,2013:7-13. ZHOUYun.Designtheoryandapplicationofenergydisipationstructureswithsteeldanpers[M].Wuhan:WuhanUniversityofTechnology Pres,2013:7-13.(inChinese) [2] MahinS.Resiliencebydesign:astructuralengineeringperspective[C] 16WCEE.Santiago,2017,Keynotelecture. [3] HousnerGW,KlinkBA,KauselE.Proceedingsofthefirstworldconferenceonstructuralcontrol[J].SoilDynamicsandEarthquakeEngineer ing,1996,15(2): [4] WhitakerAS,BerteroVV,ThompsonCL,etal.Seismictestingofsteelplateenergydisipationdevices[J].EarthquakeSpectra,1991,7 (4): [5] KelyJM,SkinnerRI,HeineAJ.Mechanismsofenergyabsorptioninspecialdevicesforuseinearthquakeresistantstructures[J].Buletinof NZSocietyforEarthquakeEngineannular,1972,5(3): [6] TsaiKC,ChenHW,HongCP,etal.Designofsteeltriangularplateenergyabsorbersforseismic resistantconstruction[j].earthquakespec tra,1993,9(3): [7] DengK,PanP,WangC.Developmentofcrawlersteeldamperforbridges[J].JournalofConstructionalSteelResearch,2013,85: [8] 李宏男, 李钢, 李中军, 等. 钢筋混凝土框架结构利用 双功能 软钢阻尼器的抗震设计 [J]. 建筑结构学报,2007,28(4): LIHongnan,LIGang,LIZhongjun,etal.Earhquake resistentdesignofreinforcedconcreteframewithmetalicdampersof dualfunctions"[j]. JournalofBuildingStructures,2007,28(4):36-43.(inChinese) [9] 刘伟庆, 缪卓君, 王曙光, 等. 新型分阶段屈服型软钢阻尼器的试验研究及数值模拟 [J]. 振动与冲击,2016,35(3): LIUWeiqing,MIAOZhuojun,WANGShuguang,etal.Experimentsandnumericalpredictiononanewtypeofmildsteeldamperwithseparable phasesyielding[j].journalofvibrationandshock,2016,35(3):87-92.(inchinese) [10] 李国强, 庞梦德, 孙飞飞, 等. 双阶屈服钢连梁联肢墙的参数设计和布置研究 [J]. 建筑钢结构进展,2017,19(1): LIGuoqiang,PANGMengde,SUNFeifei,etal.Researchontheparameterdesignandlocationarangementoftwolevelyieldingsteelcoupling Beamsincoupledshearwalstructures[J].ProgresinSteelBuildingStructures,2017,19(1):51-60.(inChinese) [11] 陈云, 刘涛, 蒋欢军, 等. 多水准减震分级屈服金属阻尼器 : 中国,ZL [P], CHENYun,LIUTao,JIANGHuanjun,etal.Metaldamperswithmulti levelyieldcharacteristics:china,zl [p], (inchinese)

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