论文推荐低屈服点钢材剪切型阻尼器试验研究

金属阻尼器作为一种可有效提高结构抗侧刚度、极限承载能力以及耗能抗震特性的被动消能装置，由于其不依赖于外部能量的输入，同时具有构造简单、受力明确、性能稳定、造价经济并且易于安装及更换等特点，在结构抗风和抗震设计中得到了广泛的应用。

目前针对金属阻尼器的试验与理论研究，主要聚焦于两点：一是金属阻尼器的构造形式，旨在通过调整阻尼器的结构构造，改变阻尼器的受力模式，提高金属材料的利用效率，并进一步地优化阻尼器的抗震特性；另一个是金属阻尼器的制作材料，旨在通过选用合理的金属材料，改变阻尼器在循环荷载作用下的弹塑性响应，提升阻尼器的延性特性与耗能能力，并进一步优化阻尼器的超低周疲劳特性。

本试验研究的对象是选用低屈服点钢材制作而成的剪切型阻尼器，如图1所示，该金属阻尼器由芯板(Core plates)、加劲方钢管(Square tubes)、加劲翼缘板(Flange plates)和连接头(Connectors)四个部分组成，其中芯板的制作材料是LYP225钢材，其余部分均采用Q345B钢材制作。该金属阻尼器结合了材料与构造形式的双重优势。低屈服点钢材LYP225材料屈服强度较低，屈服后刚度较低，延性较好，耗能能力较强，适用于制作金属阻尼器；剪切型金属阻尼器，结合合理的加劲构造(方钢管加劲和翼缘板加劲)，为主体结构提供附加阻尼和刚度，并利用分布较为均匀、发展较为稳定的塑性剪切变形耗散能量。

图1 LYP225钢材剪切型阻尼器示意

利用单调拉伸试验，明确用以制作剪切型金属阻尼器核心耗能部件(芯板)的LYP225钢材的屈服强度、极限强度、强屈比、延伸率及断裂破坏特征等基本力学特征。单调拉伸试件的标距段为圆形截面，夹持段为矩形截面，其具体尺寸如图2所示。

图2 LYP225单调拉伸试件示意 mm

进行单调拉伸试验的材性试件一共有三个，分别编号为A-1～A-3，其名义应力-应变曲线如图3所示，图中还给出了Q235钢材的单调拉伸曲线。与普通钢材Q235相比，低屈服点钢材LYP225具备较长的屈服平台，平台段的名义应变水平超过6%，同时LYP225的名义断裂应变均超出40%，该材料的延展性较好；LYP225钢材的实测名义屈服强度明显高于225 MPa，大致在270 MPa左右，与Q235钢材的名义屈服强度相近，但LYP225钢材的名义极限强度不超过350 MPa，低于Q235钢材的名义极限强度420 MPa，说明在单调拉伸加载下低屈服点钢材LYP225的强化水平显著低于普通钢材Q235，适用于制作金属阻尼器。

图3 LYP225钢材单调拉伸材性试验名义应力-应变曲线

由以上名义应力-应变曲线可得该LYP225钢材的各项力学性能参数，如表1所示。从中可知，本试验中的LYP225钢材的强屈比基本维持在1.24左右。

表1 LYP225钢材基本力学性能参数

采用LYP225和Q345两种钢材设计了两种不同尺寸规格的剪切型阻尼器试件，如图4所示。

a—采用普通翼缘加劲的剪切型阻尼器；b—采用“狗骨式”削弱翼缘加劲的剪切型阻尼器。
图4 两种LYP225钢剪切型阻尼器的尺寸规格

该剪切阻尼器的剪切板、加劲翼缘和连接头三个部件之间均采用全熔透坡口对接焊缝连接，其中剪切板的四个角部留有过焊孔，避免焊缝交叉导致的残余应力集中；方钢管采用四周围焊角焊缝与剪切板固定，焊脚高度为8 mm。

两种尺寸规格的剪切阻尼器试件所采用的剪切板的板厚均为12 mm，而两者之间的差异在于第二种阻尼器的加劲翼缘进行了“狗骨式”削弱，如图4b所示，以延缓剪切阻尼器角部焊缝的断裂破坏，同时，增大其加劲翼缘的厚度。

本次试验的加载系统通过自行设计的加载装置配合试验室的反力墙实现，加载装置的实际装配如图5所示。

图5 剪切型阻尼器试验加载装置

如图6所示，在试验过程中采用两套位移计来监测剪切阻尼器试件的相对水平位移。

图6 相对剪切位移测量方案

一套为常用的水平位移测量方案，采用两个位移计(D1、D2)水平放置于剪切型阻尼器试件顶端的正反两侧，不仅能够由两位移计读数的平均值实时监测试件顶、底端之间的相对水平剪切位移(式(1a))，还能够由两位移计的差值反映试件在平面外的偏心扭转；另一套为对角测量方案，采用四个竖向位移计(D3～D6)和四个沿试件对角线布置的位移计(D7～D10)构成测量系统，用换算式(1b)来求得试件的相对水平位移量，以此来相互佐证水平位移测量的正确性。

δ 1 =( D 1 + D 2 )/2

(1a)

δ 2 =( D 9 + D 10 - D 7 - D 8 )/(4cos θ )-( D 3 + D 4 - D 5 - D 6 )sin θ /(4cos θ )

(1b)

式中： θ 为试件的对角线与顶边的夹角; D 1 ～ D 10 为位移计D1～D10所测位移。

参照中国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，JGJ 297—2013《建筑消能减震技术规程》和JG/T 209—2012《建筑消能阻尼器》，设计了两种加载制度，分别针对循环加载的基本力学性能(LS1)和超低周疲劳性能(LS2)，如图7所示。

对于采用正常翼缘的剪切阻尼器试件，加载过程中选定屈服位移 Δ y 为4.4 mm，该剪切阻尼器的设计位移 Δ d 为30 mm。在加载过程中，如果试件发生明显开裂破坏或者单周循环水平荷载峰值下降至历史最大值的85%时，则认为试件失效，停止试验加载。

a—LS1；b—LS2。
注： Δ y为屈服位移；  Δ d为设计位移。
图7 拟静力循环加载制度

依照试件的构造形式以及所选用的加载制度，将本试验中的三个LYP225钢剪切型阻尼器试件进行编号，如表2所示。

表2 LYP225剪切型阻尼器试件

3.1.1 阻尼器表面油漆剥落

为了观测剪切型阻尼器在加载过程中变形发展程度，在试件一侧的表面涂刷白色油漆、绘制黑色网格线。随着循环加载的进行，试件塑性变形的发展越来越充分，表面油漆的剥落越来越明显。以试件OF20-LS1为例，如图8所示，当阻尼器刚开始屈服时，剪切板表面的油漆基本开始剥落，而当阻尼器最终破坏时，剪切板表面的油漆基本掉落干净，表明剪切板在加载过程中塑性发展较为充分；同时，方钢管在加载过程中基本保持弹性状态，表面没有出现油漆剥落现象。

图8 试件OF20-LS1表面油漆剥落现象

3.1.2 阻尼器裂纹发展情况

试件在加载过程中出现的裂纹主要有四类，翼缘焊脚裂纹、钢管脚部裂纹、过焊孔脚部水平裂纹和竖向裂纹，其在试件OF20-LS2和RF30-LS2中的具体分布位置如图9所示，图中序号代表裂纹萌生次序，数字越小则表示裂纹越早出现。

由图9可知，剪切型阻尼器的裂纹萌生位置均为拉应力较为集中的角部位置；受加载装置的刚度分布影响，剪切型阻尼器的裂纹发展较多分布于底部，且试件最终失效模式均为底部多道裂纹贯穿；在采用普通翼缘的试件OF20-LS2中，翼缘焊脚处的裂纹较早萌生，而在采用“狗骨式”翼缘的试件RF30-LS2中，翼缘焊脚处的开裂得到明显的推迟，而最初裂纹起始于钢管角部。

a—试件OF20-LS2；b—试件RF30-LS2。

翼缘焊脚裂纹； 钢管角部裂纹； 过 焊孔脚部水平裂纹；  过 焊孔脚部竖向裂纹。

图9 裂纹分布与破坏模式

图10展示了三个试件加载过程中的力-位移全过程曲线。总体而言，剪切型阻尼器试件的剪力-剪切变形曲线饱满，滞回形状呈纺锤型，耗能面积大，表现出较好的延性和较强的耗能能力。结合裂纹的萌生与扩展情况可知，三个试件在加载过程中虽部分裂纹萌生较早，但开裂之后试件的承载力水平依旧较为稳定，经历较大变形历程(极限剪切角在4%左右)之后才出现显著的承载力下降。

a—试件OF20-LS1；b—试件OF20-LS2；c—试件RF30-LS2。
图10 LYP225钢剪切型阻尼器试件的剪力-剪切位移滞回曲线

在等幅加载制度下(如试件OF20-LS2和RF30-LS2在设计位移下加载30圈)，试件的承载力水平较为稳定，升高较小，但在多级位移幅值的升幅循环加载制度之下(如试件OF20-LS1以屈服位移为级差升幅加载，试件OF20-LS2和RF30-LS2在30圈等幅加载之后的升幅加载)，试件的承载力峰值会随着位移幅值的增加而增加，这反映循环强化现象对于位移加载幅值的依赖性。由试件OF20-LS2和RF30-LS2的滞回曲线可知，剪切型阻尼器在设计位移(±30 mm)之下性能较为稳定，两种规格的阻尼器在设计位移下加载30圈之后并未出现承载力下降现象，同时采用“狗骨式”翼缘加劲能够延缓试件的失效，提高阻尼器的超低周疲劳特性。

三个剪切型阻尼器试件的力学性能特征参数如表3所示。表中超强系数按式(2)计算：

Ω = P max / P y

(2)

即将极限抗剪承载力 P max 与屈服抗剪承载力 P y 的比值定义为阻尼器的超强系数 Ω ，它可以用来定量反映阻尼器的强化程度，各试件的具体超强系数如表3所示。由试件OF20-LS1与OF20-LS2对比可知，逐级升幅加载(LS1)使LYP225钢的循环强化水平提高，以致表征为剪切阻尼器的极限承载力的提高；由试件OF20-LS2与RF30-LS2对比可知，“狗骨削弱”式翼缘加劲板能提高阻尼器的超低周疲劳性能，同时也提高了阻尼器的超强系数。金属阻尼器在循环加载下的强化现象虽一定程度地提高了阻尼器的滞回耗能能力，但是不可控的超强系数易引起周围梁、柱及连接节点等结构构件的次生破坏。由试验可知，该LYP225剪切型阻尼器的超强系数设计值应取在1.63以上。

表3 LYP225剪切型阻尼器试件的力学性能特征参数

图11绘制了三个试件的等效黏滞阻尼比 h e 随加载圈数的发展规律，从中可知，LYP225剪切型阻尼器的耗能能力较好，等效黏滞阻尼比可以较为稳定地维持在0.5左右。

图11 等效黏滞阻尼比 h e

本试验针对采用低屈服点钢材LYP225制作的剪切型阻尼器，完成了三个足尺试件的拟静力循环加载试验，重点关注其循环弹塑性响应和失效模式，评估该金属阻尼器的抗震性能。主要结论如下：

1)采用LYP225低屈服点钢制作的剪切型金属阻尼器延展性能较好(极限剪切角可达4.7%)，在循环加载下没有发生构件失稳现象，滞回曲线饱满，耗能能力较强(等效黏滞阻尼比可稳定维持在0.5左右)，同时超低周疲劳性能较好(在设计位移之下加载30圈，其承载力水平较为稳定，裂纹发展较为轻微)。

2)阻尼器在利用芯板充分发展剪切变形耗散能量的同时，两端翼缘板在焊脚处的较早开裂在一定程度上限制了阻尼器的变形能力，而采用“狗骨式”削弱翼缘加劲形式可以有效地延缓其裂纹萌生。

3)阻尼器在试验中的实测最大超强系数达1.63，该超强现象能提高阻尼器的滞回耗能能力，但在结构体系的设计中需要着重考虑，以避免主体结构构件发生次生破坏。