非激动剪切面板阻尼器耗散和疲劳能力研究

抽象的

被动耗散控制系统可以有效地控制地震作用下的结构反应。作为被动能量耗散控制的形式，产生钢剪切面板阻尼器可以与塑性变形相当良好地散发地运动的能量。通过单调循环加载，测试了15毫米厚的芯板非激动剪切面板阻尼器的滞后性能，测试表明阻尼器具有卓越的滞后性能。使用有限元分析软件ABAQUS，并将高度与核心板的厚度比变为变量，进行了阻尼器的定性分析，结果表明剪切面板阻尼器的临界高度为30到35之间。通过不同幅度下的恒定幅度循环载荷测试三组15毫米厚的芯板非启动板阻尼器;结果表明，疲劳性能很好，阻尼器是良好的耗散装置。

1.介绍

土木工程结构振动控制的研究与应用已经在40多年前进行了超过40年[1]，由日本学者Kobori和Minai提出[2]美国学者姚明[3.，之后大量的学者对此进行了进一步的研究。近年来，许多结构振动控制装置已被应用于风、波和地震反应控制。结构振动控制主要包括基础隔振、被动隔振三个方面[4.那5.[主动和半导体智能控制。虽然底座隔离能够控制结构振动，但一旦损坏或达到疲劳极限，替代仍然是困难和昂贵的。主动，半电视和智能控制是一种理想的振动控制方式;然而，复杂的控制系统和大型能量驾驶模式使得应用极大不方便。无源耗散阻尼器在控制结构的振动方面做得很好;凭借其低成本，便利待更换，控制系统简单，它是近年来意味着理想的振动控制。

被动能量耗散阻尼器是安装非结构部件的能量耗散元件[6.，从而耗散结构振动的能量，降低结构振动响应。耗能元件一般可分为三种[5.]：位移相关类型，速度相关类型和调谐振动吸收型。剪切面板阻尼器是一种位移相关类型的能量耗散部件，其通过金属材料的弹性变形来消散能量[7.]。近年来，剪切面板阻尼器已广泛用于建筑结构[8.]，其中有两种布置，支撑型和柱式，如图所示1．早期的芯板主要采用低产的结构钢(低碳钢)，如北美的A36、日本的SS400、中国的Q235。这些低碳钢的屈服应力在235 MPa ~ 300 MPa之间，塑性可达30%左右。试验和实际应用表明，低碳钢阻尼器具有较高的屈服强度，在小地震和风振时阻尼效果不明显。为解决这一问题，日本率先研究使用屈服强度小于100 MPa的超低屈服应力钢[9.那10.]作为地震阻尼器[11.那12.]，取得良好效果[13.那14.]。由低屈服点制成的阻尼器首先产生，并在遭受地震时重复变形来吸收能量以保护主要结构[15.]。在中国 [16.-18.]低收益点钢的开发和应用直至2005年才开始;上海宝钢独立开发出超低屈服强度钢，屈服应力在100MPa和225MPa之间，包括BLY100，BLY160和BLY225。从那时起，国内低产点钢基本上达到了日本生产的性能要求。数字2图示了BLY100，SS400（Q235）和SM400（Q345）之间应力 - 应变关系的比较。

如今，低屈服点钢剪切面板阻尼器的研究主要集中在理论分析和有限仿真上;实验研究仍然很少见，特别是在疲劳性能研究中。自2009年以来，中顺[19.那20.]测试低点钢制成的剪切面板阻尼器的性能;基于骨架曲线和等效粘性阻尼系数的结果表明，这种类型的阻尼器是能量耗散的理想设备。通过这一前提，两批非抗静剪切面板阻尼器由家用低屈服点钢制成。一批用于通过单调循环载荷测试滞后性能，另一批用于通过恒定幅度循环负载测试疲劳性能。通过使用有限元分析软件ABAQUS，具有芯板的高度为变量，选择组合的硬化模型来模拟剪切面板阻尼器以确定剪切面板阻尼器的厚度比的临界高度。

2.滞回性能试验研究

２.１.部件尺寸和材料性能

剪力板阻尼器试件由上下翼缘板、左右翼缘板、芯板三部分组成，如图所示3.．顶部和底部法兰板是37毫米厚的钢板，由Q345制成，为芯板提供刚性约束，防止阻尼器的扭转，从而核心板的应力状态更接近纯剪切。左右法兰板是12毫米厚的钢板，由Q345制成，可防止过度面轴承芯板屈曲。芯板是15毫米厚的钢板，由低屈服点钢LOP100制成。详细的维度在图中示出4.．

在本文中，首先用由LYP100和Q345制成的标准拉伸试样进行单调拉伸试验。在纸上使用的钢的性质如表所示1．

2.2。介绍实验

该试验是在哈尔滨工业研究所（HIT）中土木工程学院结构和地震实验中心的反应力墙上进行的。在测试中，铰接框架为阻尼器和液压千斤顶提供限制为框架提供横向力，如图所示5.．

在测试中，位移测量主要包括顶部和底部凸缘板的相对位移，芯板的外平面屈曲位移，以及铰接框架的横向位移。位移由线性可变差分变压器（LVDT）测量。数字6.显示排水换能器的布置。两个换能器，数字3和数字4布置在顶部凸缘板上，以测量装载过程中阻尼器的扭转。沿着核心板的对角线，数字5，数字6和第7号换能器被布置成测量芯板的平面外弯曲。

滞后性能测试的装载历史包括弹性级和产后阶段。在弹性阶段，为0.5下的每个力水平执行两个循环和0.75（通过公式计算（1）））。之后，根据图中的装载过程循环加载样品7.[12.]。这里，被定义为样本顶部的水平位移相对于底部除以核心钻孔的透明高度。有11个加载级别，每个级别周期都进行两次。继续装载，直到阻尼器在最后一级损坏。损坏的标准是阻尼器的承载能力减少10％或过度面外屈曲和核心板中发生的裂缝[19.那20.]。

2.3。实验结果分析

通过单调循环加载，获得核心板的阻尼器LP15cy的滞回曲线，其芯板为15mm厚，并在图中示出8.．标准化水平力()与剪切角()关系由下式得到，如图所示9.：

这里，是芯板的横截面积（不包括左右凸缘部分）。是芯板材料的屈服应力; MPa in this experiment.

骨架曲线及等效粘滞阻尼系数[21.研究阻尼器地震反应是重要的参数。骨架曲线是每个滞后循环的峰值点的连接。等效粘性阻尼系数如图所示10.，其计算公式如下：

这里，是一个循环滞后循环的区域。根据骨架曲线的概念和等效粘性阻尼系数，我们可以获得两条曲线，如图所示11.和12.．

LP15CY滞回曲线非常饱满，没有出现捏缩现象，说明该阻尼器具有良好的塑性变形能力，峰值承载力达到1200kn，说明该阻尼器具有较高的承载力储备。骨架曲线呈上升趋势，无强度退化现象。等效粘滞阻尼系数曲线在加载过程中也呈现上升趋势，说明随着加载位移的增大，滞回曲线越来越丰满，耗能性能越来越好。滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼系数曲线具有相同的趋势，说明15mm厚芯板阻尼器性能优良稳定。该阻尼器是一种理想的耗能设备。

3.有限元模拟

实验可以测试阻尼器的各种性质，但测试价格昂贵，测试也具有低效率。因此，使用有限元分析软件ABAQUS进行更多分析。首先，已经进行了一些模拟分析，以与测试结果形成对比，以找出合理的模型。然后根据现有模型进行各种参数分析以获得阻尼器的属性。

３.１.有限元模型

在实验模型的基础上，建立了1：1有限元模型。在该模型中，顶部和底部法兰板采用离散刚体元件构建;左右法兰板和芯板采用壳体元素构建，如图所示13.．

３．２．材料模型

本文使用组合的硬化模型[22.]模拟核心板和各向同性的硬化模型[22.来模拟法兰板。通过单调拉伸试验得到了材料的本构模型。将试验得到的名义应力-应变曲线转换为真应力-应变曲线。图中给出了芯板用低屈服点钢和法兰板用Q345钢的本构模型14.和15.．

3.3。有限元仿真结果分析

在试验加载历史的基础上，对滞回试验进行了仿真分析，得到了仿真滞回曲线。按照之前的方法，归一化后的力和位移曲线如图所示16.．数字17.显示了测试结果和仿真结果的比较。然后在图中获得骨架曲线和等效粘性阻尼系数曲线和与测试结果的比较18.和19.， 分别。

通过上述分析，延迟曲线，骨架曲线和等效粘性阻尼系数曲线的仿真结果与实验结果相匹配。从滞后和骨架曲线开始，涉及到正负载时，每个环的峰值基本上与测试结果相吻合。在反向加载下，仿真结果中每个环路的峰值大于测试结果，但它们具有相同的趋势，并且不会发生强度降级现象。从等同的粘性阻尼系数曲线，仿真结果和测试结果的趋势通常是相同的，两者都逐渐上升。越来越多的测试结果率大于仿真结果。当涉及模拟中的第九级加载时，曲线变为水平，但测试曲线通过没有水平部分的整个装载历史记录不断增加。它与模拟中不可吸收的循环硬化现象有关。总之，有限元模型可以呈现阻尼器的实际特性。因此，该模型可用于对这种阻尼器的定性分析。

3.4。高度到厚度比

高度到厚度比[23.那24.]定义为核心板的高度和厚度之间的比率值。它是设计阻尼器中的一个重要参数。在设计阻尼器时，阻尼器的财产应优先考虑，然后是经济因素。因此，理想的阻尼器应符合财产和经济要求。找到核心板厚度比的临界高度非常重要。在厚度比为变量的高度，用之前引入的模型进行仿真分析。表中的基本参数显示在表中2．

通过模拟，获得了四种具有不同高度的常规滞后曲线，并在图中示出20.．根据之前提出的方法，从滞后曲线获得的骨架和等效粘性系数曲线和四条曲线的比较都是如图所示21.和22.， 分别。

通过分析滞回曲线，骨架曲线和等效粘性系数曲线，随着高度的降低到厚度比，滞后曲线变得越来越饱满。LP-1，LP-2和LP-3的滞后曲线都是夹紧现象的全部;LP-4的曲线显示没有夹紧。从骨架和等效粘性阻尼系数曲线，LP-1，LP-2和LP-3都有几次加载步骤后呈下降趋势，但LP-4没有降低阶段，稳定的能量耗散性能。可以得出结论，芯板的临界高度与芯板的厚度比在30和35的范围内。

4.疲劳性能试验研究

4.1。标本和装载系统的大小

疲劳性能是剪力板阻尼器设计中的一个重要因素。理想的阻尼器不仅要有良好的耗能性能，还要有良好的疲劳性能。本文对三种采用15 mm厚芯板的低屈服点钢无加劲肋剪力板阻尼器进行了试验研究。在恒幅循环载荷下进行疲劳试验，研究疲劳性能与幅值大小的关系。疲劳试验试样尺寸与滞回试验试样尺寸相同。试验编号、试样基本参数、加载方法见表3.．

4.2。疲劳实验的结果分析

三个阻尼器在恒定幅度负载下进行测试，幅度分别为20mm，45 mm和60mm。然后在图中获得并示出了不同幅度下的归一化滞后曲线23.-25.．根据力-位移滞回曲线，计算出各阻尼器在相应振幅下的每一圈耗能，对比如图所示26.．数字27.显示不同工作条件下累积能量耗散与循环数的对比度。累积的能量耗散曲线是能量耗散的每一圈的总和。在装载历史的弹性阶段，测试在两种不同的力水平下进行，以测量样品的初始弹性刚度。根据测试结果，样本的初始弹性刚度如表所示4.．数字28.呈现标本的配合初始弹性僵硬曲线。

在振幅为20 mm的循环加载条件下，滞回曲线在循环28次前保持稳定。滞回曲线饱满，无夹紧现象，搭接耗能曲线保持水平。该阻尼器耗能性能稳定。28个周期后，滞后回路开始收缩。随着循环次数的增加，挤压现象越来越明显;这种扭曲会逐渐发生并加剧。搭接能量耗散曲线呈减小趋势。阻尼器的耗能性能开始退化。当循环46次时，芯板中部出现裂纹，法兰板与芯板之间的焊缝失效。故障如图所示29.．

循环载荷幅度为45毫米，滞后曲线在9个周期之前保持稳定。滞后环满，没有夹紧，膝盖能量耗散曲线保持水平。该阻尼器耗能性能稳定。经过9个循环后，滞后环开始夹紧，核心板中发生变形;随着循环的增加，夹紧和变形越来越严重。LAP能量耗散曲线开始减少，并且降低速度比在20mm的幅度下的试验更快。阻尼器的能量耗散开始堕落。当达到16个循环时，阻尼器变成故障。失败与幅度为20 mm的测试类似，如图所示30.．

循环载荷幅度为60毫米，滞后曲线在4个周期之前保持稳定。滞后环满，没有夹紧，并且圈数量随着循环数字而增加。阻尼器具有精细的能量耗散性质。在4个循环之后，核心板中的变形和捏合并且比以前分析的其他两个阻尼器更严重。当达到11个循环时，阻尼器变为故障。数字31.显示阻尼器的故障模式;芯板中的裂缝比其他两个测试更明显，并且它显示出更大的横向屈曲。

根据上述所有分析，剪切面板阻尼器具有15mm厚的芯板，在小幅度循环负载下存在细疲劳能力。随着振幅的增加，阻尼器的疲劳性能越来越差。根据累积的能量耗散曲线，无论振幅尺寸是多少，阻尼器都散发的所有能量都彼此接近。初始弹性刚度配合曲线表明，初始弹性刚度相对较大，表明阻尼器在一定程度上增加了结构总刚度。

结论

本文对低屈服点钢制成的非激动剪力板进行了深入的研究。根据滞后实验，有限元模拟和疲劳性能测试，本研究的主要结果可以简单地推广如下：（1）Nonstiffener剪切面板阻尼器，带15毫米厚的芯板，低屈服点钢制成具有良好的滞后性。在振幅小的循环载荷下，剪切面板阻尼器的性能稳定，阻尼器执行精细的疲劳性能。这种类型的阻尼器是理想的能耗设备。（2）可以发现，通过使用有限元模拟，这种类型的非激动剪切面板阻尼器的临界高度与这种类型的非激动剪切面板阻尼器的厚度比在30和35之间。高度到厚度比的范围可以是阻尼器设计的参考。（3）根据恒定幅度循环负载测试，三个阻尼器的故障模式彼此相似。它们都有如下的演示：出现在核心板中间的裂缝，在法兰板和核心钻孔之间的焊接接头断开，以及核心板中的主要横向屈曲。芯板的变形不仅在剪切中，而且在板材的变形中。在随后的设计中，应考虑减小横向屈曲，板的失真和焊接接头的影响。（4）从每个膝盖的能量耗散和累积的能量耗散曲线，可以得出结论，这种类型的阻尼器具有稳定的能量耗散能力，可以消散大量能量。在循环加载的情况下，振幅为20mm，滞后曲线在28个循环之前保持稳定，并且滞后环满，表明阻尼器可以有效地运作较小的振动。它可以是结构振动控制的精细耗散装置。

免责声明

本文所表达的结果、观点和结论均代表作者本人。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本文所提供的工作是哈尔滨工业大学研究所（BIT）的研究进展的一部分，否则。51478156来自中国国家科学基金（一般计划），授予否。E2015018来自中国黑龙江（一般计划）的国家科学基金会，并授予第NO。来自中国国家科学基金的51078118（一般计划）。吉龙李作为NSFC计划总监，感谢该计划的成员，Ya-Nan Tang，Zuan-Ming Liu等，为他们的测试研究和仿真分析。

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