翻译软件免费下载第43卷第1期 2021年2月
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting
工程抗震与加固改遗
V 〇l. 43,N 〇. 1 Feb. 2021
[文章编号]
1002-8412 (2021) 01-0101-08D O I ： 10. 16226/j.issn. 1002-8412. 2021. 01.014
环形剪切开孔软钢阻尼器的设计及力学分析
王磊1，杨明飞1，陈宜网2，沙志平1
(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001; 2.安徽圣沃建设工程有限公司，安徽合肥230031)
[提要]为了改善矩形剪切钢板阻尼器在剪力作用下塑性分布不均且容易出现四周应力集中现象，提出了一种环形剪切
chappie
开孔软钢阻尼器。利用A N SY S 软件建立了该阻尼器的数值模型，并对其进行了力学分析。分析过程中分别考虑了钢板厚度、 开孔数量和孔径大小等参数。研究结果表明：环形剪切开孔软钢阻尼器屈服位移较小，滞回曲线饱满且稳定，耗能能力强。 阻尼器的初始刚度、最大恢复力及等效粘滞阻尼系数随着钢板厚度的增加而增大。开孔率不超过18%时，其初始刚度、最大 恢复力及等效粘滞阻尼系数随着开孔数量和孔径大小的增加变化不大，说明阻尼器设计较为合理。最后，通过分析给出了该 阻尼器的恢复力模型，并利用数值分析结果进行验证，显示其吻合度较高，能准确地描述该阻尼器的力学特性。
[关键词]
环形剪切；软钢阻尼器；滞回曲线；开孔率；恢复力模型
[中图分类号]
TU391
[文献标识码]
rollerA
Design and mechanical analysis of annular shear perforated mild steel damper
Wang Lei
,
Yang Ming-fei
,
Chen Yi-wang
2,
Sha Zhi-ping 1
(1. School of Civil Engineering and A rchitecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001 , C hina ； 2. Anhui Shengwo Construction Engineering Co. L td,H efei 230031, C hina)
A b s tra c t ： In order to improve the plastic distribution of the rectangular shear steel plate dam per under the shear force and the surrounding stress concentration phenom enon, an annular shear perf
orated mild steel damper is propod. The numerical model of the damper is established by ANSYS software and its mechanical analysis is carried out. Param eters such as steel plate thickness, num ber of holes and the size of the aperture are considered in the analysis. The results show that the yield displacem ent of the annular shear perforated mild steel dam per is sm all, the hysteresis curve is full and sta b le , and the energy consumption is strong. The initial stiffness, maximum restoring force and equivalent viscous damping coefficient of the dam per increa with the increa of the thickness of the steel plate. When the opening ratio is less than 18%, the initial stiffness, maximum restoring force and equivalent viscous damping coefficient change little with the increa of the number of holes and the size of the aperture, indicating that the dam per design is more reasonable. Finally, the restoring force model of the damper is given by analysis, and the num erical analysis results are ud to verify the restoring force m odel, it shows a high degree of fit and accurately describes the mechanical characteristics of the damper.Key w ords ： annular sh ear ； mild steel d am per ； hysteresis curve ； opening ratio ； restoring force model E -m ail ：wanglei 1013_aust@
随着土木工程结构抗震设计理论的发展，被 动消能减震技术[1]被广泛的引人到工程结构抗震
设计中。被动消能减震的概念最早由心％等[2] 提出，并采用金属软钢阻尼器进行试验研究。近
[收稿日期]2020-04-13
[基金项目]
安徽省高校自然基金重点资助项目（KJ2016A209) 安徽理工大学人才引进基金项目（ZY044)
年来，软钢阻尼器因其构造简单、屈服点低、滞回 稳定、耗能良好等优点被国内外学者大量研究和 设计，并在工程中广泛使用。W h itta k e r 等[3]和
丁沾丨等⑷分别提出了 X 型加劲阻尼器（XADAS )和 三角形软钢阻尼器（TADAS )，利用钢板面外弯曲
puss
屈服进行滞回变形耗能。C h a n 等[5]利用钢板的面 内刚度和塑性变形能力，提出了一种剪切型屈服 钢板阻尼器（Y SPD )，并通过单调和循环加载试验
apnic
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 43，No. 1
2021
• 102-工程抗震与加固改进2021年2月
验证其滞回性能良好。张文元等:6_7]提出了一种
新型菱形开孔式软钢加劲阻尼器（H A D A S)，并在
此基础上对该阻尼器在整体结构中进行数值模拟
和振动台试验，证明了该阻尼器在整体结构中能
达到较好的减震效果。吕西林等:81对菱形开孔的
剪切钢板阻尼器进行了低周反复加载试验，结果 表明该阻尼器在腹板开裂前耗能性强。王爽等[9]在H型钢板上分别开椭圆形孔和菱形孔并对其进行数值分析，结果表明该阻尼器屈服位移小，耗能 性能稳定。李刚、李宏男等提出了双X型软 钢阻尼器和单圆孔型软钢阻尼器，对其进行试验研究并应用于实际工程中，结果表明该阻尼器对结构位移有较好的控制效果。
剪切钢板阻尼器耗能良好，但耗能钢板在剪力 作用下的塑性分布不均。为了改善此种现象，本文 基于钢板的剪切屈服变形耗能，借鉴钢板开孔的思想，提出了一种环形剪切开孔软钢阻尼器，分别考虑 钢板厚度、开孔数量及孔径大小等参数对该阻尼器滞回性能的影响进行力学分析。
1环形剪切开孔软钢阻尼器的设计
1.1 阻尼器设计
环形剪切开孔软钢阻尼器主要由滑动导杆、套筒、耗能钢板、普通钢板、复位弹簧和极限位移保护板组成，如图1所示。其中，套筒内相间地布置四块普通钢板和三块耗能钢板，耗能钢板通过焊接的方式固定在套筒与滑动导杆之间，普通 钢板与套筒之间通过滑动轴承连接；在套筒内部的导杆两端设置复位弹簧；滑动导杆两端设置极限位移保护板，可直接与结构支撑相连接，组成 消能支撑。
1.2 阻尼器特点及工作原理
环形剪切开孔软钢阻尼器的核心耗能钢板采用圆形，可以避免一般矩形钢板容易发生的四周角点应力集中现象，同时在耗能钢板上开有圆孔，能够充 分利用钢板的塑性性能，提高阻尼器的耗能能力，如图2所示。其中钢板内径为外径为D2，厚度为 «，在钢板的丨/3处开设圆孔，孔径为d。该阻尼器的 耗能机制主要由多个核心耗能钢板组成，通过拉动 滑动导杆带动耗能钢板发生轴向变形，利用耗能钢 板的屈服变形起到耗能减震的作用。通过调整核心 耗能钢板的厚度和数量，使得阻尼器的出力可调，利于工程应用。
(幻阻尼器详细构造
(b)阻尼器立体示意图
图1环形剪切开孔软钢阻尼器示意图
Fig.l Schematic diagram of annular shear
perforated mild steel damper
图2核心耗能钢板
Fig.2 Core energy-consuming steel plate
罢黜2环形剪切开孔软钢阻尼器有限元模型的建立通过有限元软件A N S Y S建立该阻尼器的实体模型，并对其进行数值分析。其中，实体单元选用S〇l i d45，对滑动导杆和单块耗能钢板建立数值模型见图3(a)所示。耗能钢板与滑动导杆假定完全刚接，采用粘结（glue)约束。将钢板四周边界上所有节点的全部自由度约束（即耗能钢板与套筒固接），在导杆两端的所有节点上施加水平位移循环荷载并 约束其他自由度，加载模式如图4所示，其中位移幅 值分別为 2.5m m、5m m、10m m、15m m、20m m。阻尼 器材料均选用Q235钢，本次分析采用理想弹-塑性 模型，材料屈服强度/y= 235M P a，弹性模量£二2. lx 105M P a，泊松比3，材料应力应变曲线如图3 (b)所示。
为了分析各参数对阻尼器力学性能的影响，本Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Feb.
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第43卷第1期
王磊，等：环形剪切开孔软钢阻尼器的设计及力学分析•103.
250
(a )数值模型 （b )应力应变曲线
图3阻尼器有限元模型
Fig.3 Finite element model of the damper
图4
加载模式
Fig.4 Loading mode
文设计了 6组模型，分别考虑了钢板厚度《、开孔数 量n 及孔径大小 <；钢板内径均为50mm ，外径 均为250mm ，各模型其他参数见表1。其中，ASPD - 1与ASPD - 2仅厚度不同，ASPD - 1与ASPD - 3、
ASPD -4 仅孔数不同，ASPD -1 与 ASPD -5、ASPD -6
仅孔径不同。
表1
环形剪切开孔软钢阻尼器模型参数表
Tab. 1 Model parameter of annular shear perforated
mild steel damper
模型编号
厚度f
(m m )孔数n
孔径d
(m m )开孔率灸
(%)A SPD-118123018A SPD -216123018A S PD -31883012A S PD -418163024A SPD -518122411.5A S PD -6
18
12
36
25.9
3环形剪切开孔软钢阻尼器有限元结果分析
3.1 受力分析
未开孔钢板和开孔钢板阻尼器的应力分布情况
比较，如图5所示。
(C )菱形孔钢板图5应力云图对比
Fig.5 Comparison of stress distribution
从图5(a )中可以看出，未开孔钢板的应力主要
interesting怎么读集中于导杆与钢板连接的位置，发生变形后，此位置 先进人屈服状态，而其他区域基本处于弹性工作状 态，致使钢板受力不均匀。而应力集中于此位置，在 阻尼器实际使用过程中，容易造成导杆与钢片之间 的滑移脱落，导致阻尼器破坏，无法达到长时间耗能 的要求。根据未开孔钢板的应力云图，在应力分布 最小的钢板中部区域分别开设圆形孔、菱形孔、长条 形孔（开孔面积相等），所得的开孔钢板的应力云图 如图5(b )(c )(d )所示。由图可以看出，耗能钢板 开孔后，应力分布明显均匀，使得材料利用更充分； 且相较于菱形孔和长条形孔，圆形孔耗能钢板应力 集中区包络于圆孔附近，更有利于提高阻尼器的耗
能能力。基于此，开孔形状确定为圆形。
图6所示为未开孔钢板和开孔钢板的荷载-位 移曲线对比。由图可知，两个阻尼器模型的屈服位 移几乎相同，屈服荷载与初始刚度相差不大。综合 图5和图6可得，耗能钢板在开孔后，阻尼器的屈服 位移、屈服荷载和初始刚度等性能参数几乎保持不 变，而应力分布情况明显得到改善，故钢板开孔取得 了良好的效果。3.2 滞回曲线分析
钢板厚度不同、开孔数量不同和孔径大小不同
的滞回曲线对比，见图7所示。由图可知，各阻尼器 模型的滞回曲线均饱满且稳定，表现出了良好的滞 回性能。各阻尼器模型的数值分析结果见表2所
(d )长条形孔钢板
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—开孔钢板
8〇〇 ----未开孔钢板
0 5 10
15 20
位移(mm)
图6荷载-位移曲线对比
Fig.6 Comparison of force-displacement curves
示，其中屈服位移均不超过lnun，可见该阻尼器的 屈服位移较小，能保证当结构发生变形时，阻尼器先 于结构进人屈服，耗散地震能量。
对比图7(a )和表2可知，钢板厚度对阻尼器滞 回性能影响较为明显，在开孔数量和孔径大小相同 的情况下，随着钢板厚度的增大，阻尼器的初始刚度
和最大恢复力均显著增加，其中初始刚度增加约 12. 9%，最大恢复力增加约15.9%。对比图7(b )、 (c)和表2可知，开孔数量及孔径大小对阻尼器滞 回性能影响较小，随着开孔数量或孔径大小的增加，
阻尼器的初始刚度和最大恢复力均略微降低，其初 始刚度分别降低约6. 2%和6. 5%，最大恢复力分别 降低约3. 9%和4. 1%。但模型A S P D -4和A S P D -6
的初始刚度和最大恢复力降低较大，其初始刚度分 别降低约15. 4%和23. 2%，最大恢复力分别降低约 15. 5%和23.3%。分析其原因：随着开孔数量或孔 径大小的增加，开孔率越大，阻尼器的耗能钢板用于 耗能的部分就越少，导致阻尼器性能的降低；而阻尼 器模型A S P D -4和A S P D -6性能降低较大的原因则 是开孔数量过多或孔径过大，造成耗能钢板的“断 板现象”，圆孔附近的区域无法起到耗能的作用，从 而影响了阻尼器的性能。
-20 -10 0
KT
位移(mm)
(a )钢板厚度不同
-20 -10
0 10
位移(mm)
(b )开孔数置不同20-20 -10 0
10 位移(mm)
(c )孔径大小不同
20
图7
滞回曲线对比
Fig.7 Comparison of hysteresis curves
表2
环形剪切开孔软钢阻尼器的数值分析结果
Tab. 2 Numerical analysis results of annular shear
perforated mild steel damper
乐匙智能双排键模型编号
屈服恢复力 F y
(k N )
屈服位移 D y (m m )K ]
初始刚度 (kN • mm 最大恢复力
丨
）F m / kN A SPD -1237. 050. 90263.39265.98A S P D -2198. 230.95233.21229. 59A S PD -3252. 770. 90280.85276. 73A S PD -4211.780.95222.93224.88A S PD -5253. 430. 90281.59277.34A S PD -6
192.21
0. 95
202. 33
204. 01
3. 3耗能性能分析
等效粘滞阻尼系数^1能够反映滞回曲线的饱
满程度，越大，滞回曲线越饱满，试件的耗能能
力也就越强[13]。图8所示为各阻尼器模型的等效
粘滞阻尼系数对比。由图可知，随着位移幅值的 增加，各阻尼器模型的等效粘滞阻尼系数逐渐增 大。曲线初期增速较快，在剪切位移较小时，耗能 钢板塑性发展小，各阻尼器模型的等效粘滞阻尼 系数相差不大，随着位移不断增大，各阻尼器模型 的塑性分布发展的范围不同，等效粘滞阻尼系数 随之发生变化，当位移达到lOmrn后增速缓慢，最 后趋于稳定，直到阻尼器破坏之前，等效粘滞阻尼 系数曲线未见明显的下降趋势，可见该阻尼器具 有较强的耗能能力。
ake Kesistant hngm eenng and Ketroiittmg
reb.
2021
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第43卷第1期王磊，等：环形剪切开孔软钢阻尼器的设计及力学分析•105.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
位移(mm)
(a)钢板厚度不同
8 10 12 14 16 18 20 22
位移(mm)
(b)开孔数量不同
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
位移(mm)
(c)孔径大小不同
图8等效粘滞阻尼系数对比
F ig.8 C om p ariso n of eq u iv alent viscous d am p in g coefficients
图8(a)所示为钢板厚度不同的阻尼器模型等效粘滞阻尼系数比较，由图可知钢板厚度对阻尼器的耗能性能影响较大，增加钢板的厚度有利于提高阻尼器的耗能性能。图8(b) (c)分别为开孔数量和孔径大小不同的阻尼器模型等效粘滞阻尼系数比 较，由图可知开孔数量和孔径大小对阻尼器的耗能性能影响较小，开孔数量由8增加到12或孔径大小 由24m m增大到30m m(即开孔率由12%左右增大 到18%)，阻尼器模型的等效粘滞阻尼系数变化不大；开孔数量增加到16或孔径大小增大到36m m (即开孔率大于18%)，阻尼器模型的等效粘滞阻尼 系数降低明显。分析其原因：模型A S P D-4和 A S P D-6由于开孔率过大，导致塑性分布不均匀，等效粘滞阻尼系数相对较小。
4恢复力模型
由上节分析可知，耗能钢板的开孔数量和孔径大小对阻尼器的性能影响几乎相同，为更精确的确定阻尼器的恢复力模型，本文选择开孔率A来取代 变量n和必其变量之间存在的主从关系如下式：
And,2
k(1)
tt(D22-D,2)
开孔率即开孔面积与耗能钢板面积之比。可以看出，主动变量&与从动变量n和^之间呈正相关的关系。为了更好地分析各参数对阻尼器力学性能的 影响，得到更精确恢复力模型，另补充了 12组数值 模型，共18组，具体参数见表3。
表3补充模型参数
T ab. 3 P a ra m e te rs o f su p p le m e n tary m odel
模型组号厚度孔数|孔径a |开孔率A;(%)
1~610,12,14,16,18,2012
7-1218 4,6,8,10,14,16 13-1818 12
30
30
18,21,24,27,33,36
18
6,9,12,15,21,24
6.5,8.8,11.5,14.6,21.825.9
图9和图10分别给出了各阻尼器模型的屈服恢复力和最大恢复力随变量钢板厚度i与开孔率A 变化的趋势线，可以看出趋势线均表现出了良好的线型关系。
由图9(a)和图10(a)可知，屈服恢复力和最大恢复力随着钢板厚度 < 的增大而显著增加，呈指数 函数型相关。由图9(b)和图10(b)可知，屈服恢复 力和最大恢复力随着开孔率A的增大而降低，呈二 次幂函数型相关，当开孔率小于18%时，屈服恢复 力和最大恢复力降低缓慢，当开孔率大于18%时，屈服恢复力和最大恢复力降低迅速。
综合数值分析结果，当环形剪切开孔软钢阻尼器的耗能钢板开孔率fc超过18%时，阻尼器的滞回性能下降较快。为了使该阻尼器具有稳定良好的耗 能性能，本文建议将该阻尼器耗能钢板的开孔率k 设计在6%~ 18%之间。
选择其中15组模型，运用M A T L A B软件分别对屈服恢复力和最大恢复力匕关于变量钢板厚度*与开孔率&的关系进行函数拟合，得到屈服恢复力和最大恢复力的估算表达式见式（2)和
J
栽
媒
睬
囪
钜
达
崧
鲱
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 43 , No. 12021
