大行程铅剪切阻尼器的性能及影响因素研究

刘敏，杜富强

（1.江西新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338000；2.中冶检测认证有限公司，北京 100088；3.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

1 引言

近年来，我国建筑设计水平和抗震需求不断提高，由于传统结构自身耗能能力偏弱，结构减震控制技术的应用也越来越广泛[1]。工程中常用的结构减震控制技术为在建筑合理的位置布置消能阻尼设备，从而提升结构抗震性能，维护结构安全，目前广泛使用的耗能设备包括摩擦阻尼器、粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器等。铅阻尼器属于金属屈服阻尼器的范畴，铅金属具有良好的塑性变形能力，在常温下即可发生塑性循环变形且不产生累计疲劳现象，这一特征非常适合应用于结构的消能减震设备中。目前国内外研制和开发的铅阻尼器主要包括铅剪切阻尼器、铅挤压阻尼器等，其中铅挤压型阻尼器、铅剪切型阻尼器已经被不少工程应用并且得到了广泛的认同[2]。已有研究成果表明铅剪切阻尼器提供阻尼力大小和其耗能性能不受变形速度的影响，可视其为理想的塑性体，具有使用寿命长、阻尼力可靠、位移敏感度高、构造简单等优点[3-5]。但一般的铅剪切阻尼器无法满足特殊工程的大行程要求，盖板与滑动板的相对运动至铅槽端部时耗能金属铅的剪切面积将急速减小，阻尼器出力随之逐渐减小，导致阻尼器耗能性能下降[6-7]，难以满足大型结构的消能减震需求。本文提出一种大行程铅剪切阻尼器，在剪切耗能过程中铅块的相对剪切面积不会发生改变，有效地克服了这一缺点的同时，还可保证铅阻尼器出力稳定、位移敏感度高等优点。

2 设计研究

墙式铅剪切阻尼器可直接安装于结构隔墙之中，不影响结构的外观和使用功能。本文提出的墙式大行程铅剪切阻尼器的构造如图1 所示，由转动板、上下盖板、环形耗能铅块、螺栓、销钉、底部垫块等部分构成。阻尼器通过固定销钉和固定螺栓将转动板与上下盖板相连，并且通过连接销钉和底部垫块与结构相连；该阻尼器安装于梁柱节点和墙体之中，在地震作用下上下楼层发生相对位移时，铅块在预先设置的槽内发生了相对剪切运动，从而达到耗能减震的目的。环形铅槽的设置使阻尼器的行程大大提升，通过牺牲部分环形阻尼力从而满足较大行程的需求。

图1 墙式大行程铅剪切阻尼器

3 数值模拟

3.1 有限元模型建立

模拟采用非线性有限元分析软件ABAQUS6.14 进行。试验表明，金属材料大多Von Mises 屈服准则，改准则认为当等效应力达到某定值时，材料即刻进入屈服阶段，等效应力与应力状态无关，其数学表达式为：

式中，σ为材料的屈服点；σ1、σ2、σ3为三个主应力，即σ1＞σ2＞σ3。在大行程铅剪切阻尼器耗能过程中，铅金属进入全截面屈服时认为此时铅的受力状态为纯剪切状态，即铅金属处于拉-压二向应力状态，因此式（1）中σ1=τy、σ2=0、σ3=-τy。其中，τy为铅的剪切屈服强度，剪切状态下可得

铅金属由于其本身的特性，使其屈服后立即发生塑性变形，应力-应变曲线中未出现屈服后的强化阶段，拟采用双线性模型进行模拟，如图2 所示。将屈服应力σy的值选为关键点，同时忽略上下盖板和滑动板的变形，选用刚性模型对其进行模拟。

图2 铅的应力-应变关系

图3 有限元分析模型

铅块及上下盖板采用3D实体单元，以六面体单元为主。利用ABAQUS 内置的ALE网格自适应功能对铅金属材料的网格进行设置，从而改善运动过程中的网格质量。在接触设置中采用ABAQUS中的面-面接触方法，在面-面接触中采用罚函数法处理接触界面的算法，目的在于将状态非线性问题转化为材料非线性问题进行解决。在两个接触面的定义方面，采用主-从面的设置方法进行定义，并将接触面上的节点定义成相应的主-从节点。运算过程中软件通过各从节点和主表面之间的嵌入关系判断是否出现接触现象，出现接触现象后，则引入界面接触力，此接触力的其大小与从节点和主表面之间的嵌入情况有关。

假定铅为理想弹塑性材料，等效屈服应力σ=19.8MPa，弹性模量E=16460MPa，泊松比为0.42。ALE 网格自适应设置参数包括Frequency（频率控制）取10，Mesh Sweeps（强度控制）取5。分析采用如下假定和参数：盖板和转动板采用离散刚体单元模拟，忽略其变形，按刚性体考虑；初始状态下，耗能铅块与铅槽表面紧密接触且不存在相互作用，接触作用采用罚函数算法中的面-面接触模拟；铅块与铅槽的摩擦系数为0.6，最大摩擦力为 3，为耗能金属铅的等效屈服应力；耗能材料采用等效屈服应力为19.8MPa 的理想弹塑性模型，弹性模量E=20000MPa，泊松比为0.42；采用Mises 准则判断复杂应力状态下铅块的屈服情况；采用ABAQUS/Explicit 进行准静态分析，忽略惯性力的影响。

3.2 分析结果和参数分析

本文有限元模拟主要研究单个铅块在低周往复过程中的耗能性能，其余铅块的耗能性能均相同。主要分析以下参数对于墙式大行程铅剪切阻尼器耗能性能的影响，即耗能铅块厚度h、宽度b、中心弧长l 以及不同参数对应的长宽比l/b、长厚比l/h、铅块转动半径R。

3.2.1 铅块长宽比对阻尼器出力的影响

模型A 参数为l=360mm，h=30mm，b 值分别为20mm、30mm、50mm、60mm、70mm、80mm。对应的长宽比l/b 分别为18、12、7.2、6.0、5.1、4.5，长厚比l/h=12，具体参数见表2；理论出力分别为8.5t、13t、21t、25t、29t、33t，剪切强度取11.5MPa。分别研究各个长宽比l/b 对其阻尼器出力的影响，各个模型的计算结果如图4 所示，不同长宽比对阻尼力的影响如图5 所示，有限元模拟应力云图如图6所示。

表1 模型几何参数

表2 模型A参数表

图4 模型A(l/h=12)模拟结果

图5 长宽比（l/b）对阻尼力的影响

图6 模型A(l/h=12)应力云图

阻尼器理论出力与宽度b 成正比。在厚度h=30mm 即l/h=12 的情况下，阻尼器出力与长宽比l/b 的取值有关。根据模型A 的模拟结果可知，当l/b＜7 时，阻尼器出力开始衰减。随着宽度的增加，长宽比l/b 逐渐减小，阻尼力衰减幅度开始增加。由模型A 的应力云图可以看到耗能金属沿宽度方向的屈服情况，随着宽度的增加，中部未屈服铅块的范围逐渐增加，因此造成阻尼力出现明显衰减。由以上分析可知，在l/h 较大的情况下，即铅块较薄的情况下，为保证阻尼力满足要求且保持稳定，l/b 不宜小于7。

3.2.2 铅块长厚比对阻尼器出力的影响

分别建立具有相同弧长的模型B 和C，模型B 铅槽长宽比l/b 大于7；模型C铅槽长宽比l/b 小于7，模型参数见表3。分别根据模型B、模型C 研究铅块长厚比对其阻尼器出力的影响，剪切强度均取11.5MPa。理论出力为21t，各个模型的计算结果如图7 所示，有限元模拟应力云图如图8所示。

表3 模型B、C参数表

图7 模型B(l/b=7.2)滞回曲线

图8 模型B（l/b=7.2）应力云图

根据模拟结果可知，模型B 铅块l/b取值为7.2，长宽比取值较为合理，该模型长厚比l/h 对于阻尼器出力无明显影响，不同长厚比的情况下，阻尼器出力稳定且与理论值较吻合。但是，长厚比l/h对于铅块开始屈服时的位移影响较大，随着厚度h 的增加，阻尼器进入屈服阶段时的位移逐渐减小。模型C 参数为l=360mm，b=80mm，h 值分别为20mm、30mm、50mm，对应的长宽比l/b=4.5，长厚比l/h 分别为18、12、7.2，理论出力为33t。各个模型的计算结果如图9 所示。模型C 的有限元模拟应力云图如图10所示。

图9 模型C(l/b=4.5)滞回曲线

图10 模型C(l/b=4.5)应力云图

由模拟结果可知，模型C 铅块宽度过大，长宽比取值过小，中部耗能铅块未完全屈服；铅块厚度过小的情况下，端部可能发生较大畸变，导致阻尼力产生明显衰减。随着厚度h 的增加，l/h 从18 减小至7.2，阻尼器变形逐渐变规则，阻尼力逐渐增大并趋于理论值。由以上分析可以得到，铅块的长宽比小于7 的情况下，为保证阻尼器出力稳定，铅块长厚比不宜大于8。

4 结论

通过对墙式大行程铅剪切阻尼器进行有限元模拟分析，研究阻尼器的参数对阻尼力耗能性能的影响，得到以下结论。

本文所提出的大行程铅阻尼器在拟静力荷载作用下拥有较强的耗能性能，可以在地震及强风等作用下为结构提供附加阻尼。

采用本文所提出的有限元模拟方法可以较好地评估该种大行程铅阻尼器在拟静力荷载下的力学行为和耗能规律，可以在该种大行程铅阻尼器的设计工程中采用。

为保证墙式铅剪切阻尼器充分发挥铅金属的耗能作用，铅块长宽比不宜小于7；在长宽比取值大于7 时，铅块厚度越大，长厚比越小，阻尼器进入屈服阶段时的变形越小，但阻尼器出力无明显变化；在阻尼器长宽比小于7 的情况下，随着长厚比的增大，阻尼力衰减逐渐明显，故铅块长厚比不宜大于8。