剪切钢板阻尼器抗震性能研究与工程应用
0 引言
剪切钢板阻尼器由于形式简单，且耗能能力较好，已得到较多研究与工程应用[1,2]。为增强耗能能力，使塑性分布更均匀，多位学者提出设置不同开孔形式的剪切钢板阻尼器，如长孔剪切钢板阻尼器(PSD)、椭圆孔剪切钢板阻尼器(OSD)和菱形孔剪切钢板阻尼器(DSD)。Benavent Climent等[3]设计长孔剪切钢板阻尼器，并进行剪切试验，表明该阻尼器具有较稳定的滞回耗能能力。邓开来等[4]设计耗能区域无焊缝变截面软钢剪切阻尼器，并进行形状优化和拟静力试验研究，分析不同宽度、高度阻尼器在往复荷载作用下的力学性能。晏晓彤等[5]研究椭圆孔、菱形孔、X形孔阻尼器在不同开孔率下的滞回性能。吕西林等[6]对中部开有菱形孔的剪切钢板阻尼器进行静力反复加载试验，研究结果表明，腹板开裂前阻尼器滞回性能较好。李钢等[7]设计双功能软钢阻尼器，并进行拟静力试验，验证该阻尼器具有良好的塑性耗能能力。
近年来，自复位结构得到越来越多的关注[8,9]。自复位结构中采用耗能元件进行节点连接，可较好地耗能，主体结构可保持弹性，且自复位装置(如预应力筋)有效控制结构残余变形，提高结构自复位能力，加快震后修复速度，节省成本。
不同形式剪切钢板阻尼器耗能、承载力和变形能力具有较大差异，因此，研究开孔形式、肢宽和肢高对阻尼器力学性能的影响，并建立菱形孔剪切钢板阻尼器自复位结构数值模型，验证阻尼器耗能效果，研究阻尼器与预应力对自复位结构抗震性能的影响。
1 力学性能分析
1.1 模型建立
设计不同开孔形式、肢宽和肢高剪切钢板阻尼器，采用10mm厚钢板。阻尼器示意如图1所示，肢宽w和肢高h取值如表1所示，不同形式阻尼器中部开孔数量相同。
图1 剪切钢板阻尼器示意
表1 剪切钢板阻尼器设计参数
表1 剪切钢板阻尼器设计参数
采用壳单元建立数值模型，钢材本构关系采用双线性随动强化模型模拟，弹性模量为2.05×1011N/m2，泊松比为0.27，屈服强度取300MPa，屈服模量取弹性模量的0.01倍。采用水平向单循环位移控制加载模式，上部加载点与所有螺栓孔全部自由度耦合，下部所有螺栓孔作为固定端，如图2所示。
1.2 影响因素分析
通过计算得到滞回曲线和Mises应力分布等，采用能量等值法求得屈服荷载Fy、弹性刚度K0和屈服后刚度K1，如图3所示。
图2 计算模型
图3 能量等值法示意
1)开孔形式
不同开孔形式阻尼器滞回曲线如图4所示，计算结果如表2所示，表中Ev表示单位体积耗能(余同)，为最大滞回环面积与阻尼器体积之比，Mises应力分布如图5所示。由图4,5可知，不同开孔形式阻尼器屈服面积和最大Mises应力均集中在耗能条带根部，其中PSD-MH-MW屈服面积最小，OSD-MH-MW次之，DSD-MH-MW最大。由表2可知，PSD-MH-MW Fy,K0,K1,Ev最小，OSD-MH-MW次之，DSD-MH-MW最大。综上所述，当肢宽和肢高相同时，DSD刚度和屈服荷载最大，耗能效率最高，性能最好。因此，着重对DSD进行研究。
图4 不同开孔形式阻尼器滞回曲线
表2 不同开孔形式阻尼器计算结果
表2 不同开孔形式阻尼器计算结果
图5 不同开孔形式阻尼器Mises应力分布
2)肢高
相同肢宽、不同肢高DSD滞回曲线如图6所示，计算结果如表3所示，Mises应力分布如图7所示。由图6,7可知，DSD屈服面积和最大Mises应力均集中在耗能条带根部，其中DSD-LH-MW屈服面积最小，DSD-MH-MW次之，DSD-SH-MW最大，由于DSD-SH-MW肢高最小，其耗能条带全部屈服。由表3可知，DSD-LH-MW Fy,K0,K1,Ev最小，DSD-MH-MW次之，DSD-SH-MW最大。综上所述，当肢宽相同时，肢高越小，DSD刚度和屈服荷载越大，耗能效率越高，性能越好。
图6 不同肢高DSD滞回曲线
3)肢宽
相同肢高、不同肢宽DSD滞回曲线如图8所示，计算结果如表4所示，Mises应力分布如图9所示。由图8,9可知，DSD屈服面积和最大Mises应力均集中在耗能条带根部，DSD-MH-LW屈服面积最大，DSD-MH-MW次之，DSD-MH-SW最小。由表4可知，DSD响应差别较小，这可能是由于肢宽变化较小，影响不显著。综上所述，当肢高相同时，肢宽越大，DSD刚度和屈服荷载越大，耗能效率越高，性能越好。
表3 不同肢高DSD计算结果
表3 不同肢高DSD计算结果
图7 不同肢高DSD Mises应力分布
图8 不同肢宽DSD滞回曲线
表4 不同肢宽DSD计算结果
表4 不同肢宽DSD计算结果
图9 不同肢宽DSD Mises应力分布
2 工程应用
2.1 自复位结构
以装配式自复位夹芯剪力墙结构(DPS-1)为例，研究DSD在工程中的应用，其中竖缝和水平缝均采用摩擦耗能连接件进行装配。为验证本研究建模方法的有效性，采用MSC.MARC软件进行数值模拟分析，利用分层壳模型模拟剪力墙，利用桁架单元模拟竖缝和水平缝摩擦耗能连接件，计算模型如图10a所示。
采用MSC.MARC软件建立竖缝由剪切钢板阻尼器连接的装配式自复位夹芯剪力墙结构(SPS)模型，如图10b所示。DPS-1结构仅在底层竖缝和水平缝处产生相对位移及耗能，为简化计算并高效耗能，仅在SPS结构每层竖缝两侧墙体暗柱上下部加强区相邻位置布置2个DSD (外缘长320mm，宽100mm，厚10mm，含2个剪切耗能条带，条带肢宽25mm，肢高120mm)。采用壳单元模拟阻尼器，每根预应力筋初始预应力为500k N。
自复位结构滞回曲线如图11所示，由图11可知，数值模拟得到的DPS-1滞回曲线与试验结果吻合较好，说明计算模型能有效反映装配式自复位夹芯剪力墙结构受力性能;SPS滞回曲线呈典型旗帜形特征，说明DSD可较好地耗能，且结构具有较好的自复位能力，无明显残余变形。
图1 0 自复位结构计算模型
图1 1 自复位结构滞回曲线
SPS局部响应如图12所示，由图12及最大侧移时主应变分布可知，结构变形主要源于底部水平缝张开引起的弯曲变形，上部结构基本保持弹性。两侧墙体暗柱分别承受拉应力和压应力，竖缝相互错动产生相对变形，从而引起阻尼器塑性耗能;预应力筋中的应力与结构侧移基本呈线性关系，表明预应力筋一直保持弹性，可较好地提供自复位能力。
图1 2 局部响应
2.2 抗震性能分析
SPS依靠阻尼器耗能，预应力筋提供自复位能力，因此，分别改变阻尼器耗能能力和初始预应力，研究结构抗震性能。
1)改变阻尼器耗能能力
分别增大、减小SPS结构钢板厚度t，形成具有不同耗能能力的自复位结构，包括ED-1(t=5mm),ED-2(t=10mm),ED-3(t=15mm)，各结构滞回曲线如图13所示，计算结果如表5所示，表5中累计耗能Et为滞回曲线总包络面积，Rc为相对自定心率[10]，为最后1个滞回环可恢复位移与最大位移之比。由图13、表5可知，厚度越大，滞回环面积越大，Fy,K0,Et越大，Rc越小，但所有结构Rc>0.9，表明各结构均具有较强的自复位能力。综上所述，增大阻尼器厚度可增强结构耗能能力，增大承载力，但略削弱结构自复位能力。
表5 不同阻尼器自复位结构计算结果
表5 不同阻尼器自复位结构计算结果
图1 3 不同阻尼器自复位结构滞回曲线
2)改变初始预应力
分别增大、减小SPS预应力筋初始预应力T，形成具有不同耗能能力的自复位结构，包括PT-1(T=250k N),PT-2(T=500k N),PT-3(T=750k N)，各结构滞回曲线如图14所示，计算结果如表6所示。由图14、表6可知，初始预应力T主要影响滞回环的高低分布，对滞回环面积的影响较小;各结构Et差异较小;初始预应力越大，Fy,K0,K1越大，Rc越大，可知PT-3自复位能力最强。综上所述，增大预应力筋初始预应力可增大结构刚度、承载力，增强自复位能力，对结构耗能能力的影响较小。
图1 4 不同预应力自复位结构滞回曲线
表6 不同预应力自复位结构计算结果
表6 不同预应力自复位结构计算结果
3 结语
对不同开孔形式、肢宽和肢高剪切钢板阻尼器抗震性能进行分析，并建立自复位结构数值模型，研究剪切钢板阻尼器在工程中的应用，主要得出以下结论。
1)与相同肢宽、肢高的长孔和椭圆孔剪切钢板阻尼器相比，菱形孔剪切钢板阻尼器刚度和屈服荷载最大，耗能效率最高，性能最好;肢高越小，肢宽越大，菱形孔剪切钢板阻尼器刚度和屈服荷载越大，耗能效率越高。
2)采用剪切钢板阻尼器的装配式自复位夹芯剪力墙结构滞回曲线呈典型的旗帜形特征，具有较好的自复位能力;结构变形主要源于底部水平缝张开引起的弯曲变形，上部结构基本保持弹性;竖缝相互错动产生了相对变形，从而引起阻尼器塑性耗能;预应力筋始终保持弹性，可较好地提供自复位能力。
3)增大阻尼器厚度可增强结构耗能能力，增大承载力，但略削弱结构自复位能力;增大预应力筋初始预应力可增大结构刚度、承载力，增强自复位能力，对结构耗能能力的影响较小。
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