金属耗能器的研究进展综述

来源:用户上传      作者: 林靖宇 于明亮

　　摘要：近年来，随着人们对结构抗震性能的重视程度越来越高，许多新型的抗震减震结构不断涌现。本文总结了近年来金属耗能器的研究进展情况，主要包括金属耗能器的类型、原理、实验研究及应用等情况。
　　关键词：金属耗能器 阻尼器 滞回曲线 结构减震
　　
　　1. 前言
　　传统结构在大震作用下主要是依靠某些构件吸收大量地震能量，从而使整个结构进入弹塑性状态甚至屈服、破坏，进而导致整个结构在震后无法修复甚至直接倒塌。耗能减震作为一种被动控制措施是将输入结构的地震能量引向特别设置的机构和元件加以吸收和耗散，从而能够保护主体结构的安全。由于金属材料在进入弹塑性范围以后具有良好的滞回性能，因而可以被用来制造各种类型的耗能装置。1972年Kelly等最先提出通过在结构中安装金属耗能器来进行地震反应控制的设想，随后各国研究人员进行了一系列金属耗能器的理论、试验和应用研究。
　　2. 加劲阻尼耗能装置
　　Whittaker等人最早研制出X形加劲阻尼耗能装置(ADAS)；台湾Khe-Chyuan Tsai等人为了消除X形加劲阻尼耗能装置竖向轴力对其的影响，设计出了三角形加劲阻尼耗能装置(TADAS)。近些年，台湾国立交通大学的陈清祥等人对美国的Whittaker等人所提出的加劲阻尼耗能装置(ADAS)作了改进，研制出了开孔式耗能装置(制震板(HADAS))。加劲阻尼耗能装置是由数块相互平行的不同形状的钢板(矩形、X形、三角形、开孔形等)和定位装置组合而成，一般安装在人字形支撑顶部和框架梁之间，在地震作用下，由于框架层间相对变形引起装置顶部和底部的水平运动,使钢板弯曲屈服产生弹塑性滞回变形来耗散地震能量。
　　Bergman和Goel对X型加劲耗能装置进行了性能试验，Tsai等人对三角形加劲耗能装置进行了低周反复荷载试验。实验结果表明：该类阻尼器具有良好的耗能能力；在很小的变形情况下即可发挥耗能效果，其稳定性和效能也比较好。
　　在国内，1995年，欧进萍、吴斌等对X形和三角形钢板屈服耗能器的力学性能和减震效果进行了实验研究，得出钢板屈服耗能器基于疲劳性能的设计准则，另外还对钢板屈服耗能器的“薄膜效应”进行了研究，进一步提出钢板屈服耗能器考虑“薄膜效应”的疲劳验算准则；李冀龙等分别基于双线性本构关系和Ramberg-Osgood本构关系推导建立了X形和三角形钢板屈服耗能器的恢复力模型，为该类耗能器的参数设计提供了基础。邢书涛等还开发出一种由多片纵截面为中空菱形的矩形钢板叠加组成的新型钢板耗能器。李宏男等根据“利用钢板平面内受力提高初始刚度，并通过改变钢板平面几何形状提高变形耗能能力”的构想，开发研制出“单圆孔钢板耗能器”和“双X形钢板耗能器”，并对这二种软钢耗能器进行了性能试验和数值模拟研究。
　　3. 蜂窝状耗能器
　　蜂窝状耗能器是由Yasushi Kurokawa等人开发研制的，该种耗能器是由蜂窝状开口的钢板组成，其中，上下两端安装高强螺栓的区域为刚性区，中间的X形腹板为柔性区，在地震作用下刚性区只产生微小的变形，而柔性区会产生大的变形。这种耗能器改变了以往的加劲阻尼耗能装置(如X型、三角形等)均采用耗能钢板平面外受力，利用钢板弯曲屈服以后产生明显的塑性变形来耗能减振的方式,而是采用钢板平面内的弹塑性剪切变形耗能减振方式。与平面外钢板耗能器在相同用钢量条件相比较，这类耗能器初始刚度较大、承载能力和耗能能力较大。
　　Yasushi Kurokawa等人对蜂窝状阻尼器进行了性能试验，结果表明：该类耗能器的滞回曲线饱满，具有较高的耗能能力；如果在塑性变形区按弯曲比例分配各截面的尺寸，就能使在截面全长上都能屈服耗能，其力-位移滞回曲线呈纺锤形。
　　4. 金属圆环耗能器
　　周云等设计了由低碳钢钢板卷成圆环焊接而成的金属圆环耗能器，随后提出“利用两个或多个耗能元件协同工作、同时耗能来设计新型耗能器”的构想，在金属圆环耗能器的基础上开发研制出耗能能力更强的“双环耗能器”和“加劲圆环耗能器”。
　　5. 无粘结支撑
　　无粘结支撑是由内核心钢板和外方(圆或椭圆)型钢管之间填灰浆组成，内核心钢板和灰浆之间涂了一层无粘结材料，以确保核心钢板上的轴力不传到灰浆体和外钢管上，通过灰浆和外钢管共同作用阻止支撑弯曲，这些组件完美的结合使该支撑在屈服后能产生稳定、对称的拉压滞回性能。以前运用比较多的是单核心截面无粘结支撑。近几年运用的主要是由蔡克铨等人研制出的双核心截面无粘结支撑，使得无粘结支撑安装于结构中更方便。
　　随着低屈服点钢的发展，Cheng-Cheng Chen等人利用低屈服点钢制成的构件做为无粘结支撑的核心部分，并对其进行了性能试验，结果表明：支撑的最大位移为±30mm，是核心构件屈服位移的24倍，这充分发挥了低屈服点钢的能力并显示了其应变硬化能力。
　　6. 低屈服点钢剪切板耗能器
　　Seki等人利用软钢板的剪切变形耗能原理研制出了剪切板耗能器，其主要是由上端板和下端板(连接件)和中间的低屈点型钢(H型、槽型等)组成。日本的Kiyoshi TANAKA等人对低屈服点剪切板耗能器进行了性能试验，结果表明：低屈服点钢板耗能器的滞回曲线形状丰满，性能稳定，且具有较强的耗能能力。
　　7. 铅粘弹性阻尼器
　　周云利用其提出的“采用不同耗能原理来设计新型耗能器，即耗能器同时利用两种或两种以上的耗能方式耗能”思想开发研制出了铅粘弹性阻尼器，其由粘弹性材料、薄钢板、约束钢板和铅芯组成，粘弹性材料、薄钢板和约束钢板中央预留有圆孔，并通过高温高压硫化为一体，铅可在硫化后灌入预留孔中。在地震作用下利用阻尼器中的铅产生剪切滞回变形及挤压滞回变形和粘弹材料剪切滞回变形进行耗能。并对该种阻尼器进行了实验，结果表明：该种阻尼器具有良好的抗疲劳能力，在应变幅值为50%的情况下该种耗能器循环55圈，其滞回环基本不变；当应变幅值达到300%时阻尼器仍然没有被拉坏，随着应变幅值的增大，呈现出应变硬化特征。
　　
　　参考文献：
　　[1]吴斌,欧进萍.软钢屈服耗能器的疲劳性能和设计准则[J].世界地震工程,1996,(4):8-13.
　　[2]李冀龙,欧进萍.X形和三角形钢板阻尼器的阻尼力模型(Ⅰ)[J].世界地震工程,2004,20(1):10-16. [3] 周云,刘季.圆环耗能器的试验研究[J].世界地震工程,1996,(4):1~7
　　作者简介：
　　林靖宇（1983-），本科，助理工程师，现工作于大连爱特流体控制有限公司
　　于明亮（1983-），本科，助理工程师，现工作于大连日荣机电设备安装工程有限公司

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