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。