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新型阻尼器力学性能及其关键影响参数

来源:原创论文网 添加时间:2021-01-08

  摘    要: 为了获取影响新型梁柱节点阻尼器耗能能力的关键参数,以自行设计的具有位移放大能力的梁柱节点阻尼器为研究对象,利用ABAQUS建立三维实体的精细化有限元模型,分别研究新型阻尼器中的橡胶剪切模量、铅芯数、薄钢板布置等主要构造参数对阻尼器耗能能力的影响。结果表明:随着铅芯个数增加,基于杠杆原理的新型阻尼器耗能能力显着增大,3个铅芯阻尼器比1个铅芯阻尼器耗能能力提升23.3%;橡胶剪切模量和薄钢板布置方式对阻尼器的耗能能力影响较小,但是,随着剪切模量和薄钢板数量的增加,基于杠杆原理的新型阻尼器刚度会提升。因此,铅芯是影响新型阻尼器力学性能的关键构造参数。研究成果可为新型梁柱节点阻尼器的设计、选型提供技术支持和指导。

  关键词: 工程结构; 阻尼器; 杠杆原理; 滞回曲线; 耗能能力;

  Abstract: In order to obtain the key influential parameters of the energy dissipation capacity of the new type beam-column joint damper, taking the designed beam-column joint damper with displacement amplification capacity as the research object, a refined finite element 3 D model was established by using the commercial finite element program, ABAQUS. Rubber shear modulus, number of lead bars and arrangement of sheet steels were selected as the parameters to study the effect on the energy dissipation capacity of the new type damper. The results show that the energy dissipation capacity of the new type damper, which is based on lever principle, increases significantly with the increase of the number of lead bars. The energy dissipation capacity of the damper with three lead bars is 23.3% higher than the damper with one lead bar. The rubber shear modulus and the arrangement of sheet steels have little influence on the energy dissipation capacity of the damper. However, with the increase of shear modulus and sheet steels, the stiffness of the new type damper increases. Therefore, the lead bar is the key influential parameter for the energy dissipation capacity of the new type damper. The research can provide technical support and guidance for the design and selection of the new type beam-column joint damper.

  Keyword: engineering structure; damper; lever principle; hysteretic curve; energy dissipation capacity;

  阻尼器在减震控制中的效果显着[1,2],性能稳定,一直是近年结构抗震研究领域中的重要研究方向。考虑阻尼器的构造形式和耗能原理,栗素峰[3]推导出孔隙式和间隙式双出杆类黏滞阻尼器的阻尼力计算公式,为阻尼器的应用奠定基础;徐赵东[4]、施卫星等[5]充分结合铅和黏弹性材料的特点,研发出了铅黏弹性阻尼器,采用拟静力试验,就频率、温度、应变幅值等参数对铅黏弹性阻尼器的影响开展研究;与此同时,冼巧玲等[6]针对铅黏弹性阻尼器屈服刚度、初始刚度及等效阻尼比,共设计出4种铅芯直径开展拟静力循环加载性能试验,得到了这3个影响因素的变化规律。以上研究表明:铅黏弹性阻尼器的耗能能力强、性能稳定。基于利用“两种或两种以上耗能材料同时工作”的思路,不同学者开发出铅黏弹性阻尼器[7]、铅-橡胶阻尼器[8]和钢-铅黏弹性阻尼器[9],并证明了该思路的有效性;为克服小位移作用下不能有效发挥阻尼器耗能能力的缺陷,吴福健等[10]设计开发出新型位移放大型黏弹性阻尼器,并推导出阻尼力理论公式。LIM等[11]通过对磁流变液的性能进行改良,并研究了阻尼器参数与阻尼器性能的关系,研究成果对研发和优化阻尼器的影响参数及性能具有重要参考价值。
 

新型阻尼器力学性能及其关键影响参数
 

  阻尼器要发挥应有作用,就需要阻尼器产生一定的位移,因此,当阻尼器安装位置(如:梁柱节点)位移或转角较小时,大多现有的阻尼器很难充分发挥其耗能能力[4,12,13,14,15]。为此,针对梁柱节点这个位置,笔者提出一种基于杠杆原理的新型阻尼器[16,17],可有效解决梁柱节点相对位移较小影响阻尼器耗能能力不能有效发挥的问题,探讨了新型阻尼器力学性能及其关键影响参数。

  1 、阻尼器原理和构造特点

  基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器原理图如图1所示,梁与柱间产生相对转角为αo,阻尼器外弧板位移为d=Rad×αo,Rad为外弧板半径,基于杠杆的效果,剪切钢板最远处产生位移D=(R/r)×d,位移放大效果与R/r的比值有关。

  以上述原理和设想为基础,设计基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器,如图2所示,模型包括:耗能部分(铅芯、黏弹性橡胶层、薄钢板)、剪切钢板、固定钢板、外支撑钢板、滑动套孔、连接钢板、转动轴1和转动轴2。该阻尼器利用复合弹性体和铅芯共同耗能,内部通过两个轴实现杠杆机制,即:外支撑钢板与剪切钢板通过转动轴1连接,固定钢板与剪切钢板通过转动轴2连接,转动轴是起杠杆作用的支点。该机制使得结构产生的较小角位移能在复合弹性体和铅芯位置处放大,从而保证新型阻尼器的耗能能力得到最充分的发挥。设计完成后的阻尼器主要参数如图3所示,占用半径为1 m圆的约1/4面积。

  图1 放大原理示意图
图1 放大原理示意图

  Fig.1 Diagram of amplification principle

  图2 基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器组成构造
图2 基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器组成构造

  Fig.2 Structures of lead viscoelastic damper based on lever principle

  图3 构件尺寸
图3 构件尺寸

  Fig.3 Components sizes

  新型阻尼器主要耗能部件是复合弹性体和铅芯,其中复合弹性体中耗能的部分是黏弹性阻尼材料(橡胶),是影响阻尼器耗能性能的关键部分,因此,本文取选黏弹性材料、铅芯、薄钢板布置(即黏弹性层的布置)作为关键参数,开展阻尼器性能参数研究。

  2、 有限元模型的建立

  选取ABAQUS作为分析平台,采用三维实体建立阻尼器模型,采用C3D8H单元模拟橡胶材料,分析中需考虑材料的不可压缩性质;其余部分选用C3D8R单元模拟,分析中需充分考虑弹塑性和接触性等影响。对于材料本构模型,钢材采用双线性随动强化模型(bilinear kinematic,NKIN),考虑了钢材的包辛格效应。复合弹性体中薄钢板采用Q235钢,其他部位钢材(连接板、固定钢板、转动剪切钢板和外支撑钢板)采的Q345钢,弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,切线模量为弹性模量的2%。橡胶为天然橡胶,硬度为40度,本构模型为五常数 Mooney-Rivilin 模型,本构模型参数见表1。铅芯本构模型为理想弹塑性材料,屈服应力为10.5 MPa,弹性模量为16.46 GPa,泊松比为0.42。

  表1 橡胶Mooney-Rivlin本构常数
表1 橡胶Mooney-Rivlin本构常数

  由于基于杠杆原理的铅黏弹性阻尼器由多个构件组装而成,存在大量的相互作用,因此,整个数值模型的关键是需要在ABAQUS中准确定义。复合黏弹性层与转动剪切钢板是采用工业硫化技术加工而成的,采用Tie约束模拟;固定钢板、铅芯与转动剪切钢板之间也采用Tie约束模拟;铅芯与复合黏弹性层中的薄钢板和橡胶面采用摩擦接触,法向为硬接触;阻尼器中两处轴的位置,采用ABAQUS中的铰连接器模拟。

  第2连接板底部施加固端边界条件,第1连接板底部耦合于一个约束控制点。采用位移加载法,荷载施加于约束控制点,位移加载曲线如图4所示。划分单元后的阻尼器有限元模型如图5所示。

  图4 加载方式(位移加载)
图4 加载方式(位移加载)

  Fig.4 Loading mode (displacement loading)

  图5 阻尼器有限元模型
图5 阻尼器有限元模型

  Fig.5 Finite element model of damper

  3 、阻尼器构造参数影响分析

  3.1、 铅芯个数影响

  当橡胶剪切模量为0.4 MPa和薄钢板数量设置为3块时,铅芯个数对阻尼器力-位移滞回曲线的影响如图6所示,图中LTPVD表示基于杠杆原理的新型阻尼器,LTPVD-1表示阻尼器有1个铅芯,LTPVD-2表示阻尼器有2个铅芯,LTPVD-3表示阻尼器中有3个铅芯,由图6可知:随着阻尼器中铅芯个数增加,滞回曲线变得越来越饱满,增加铅芯个数能够显着增加滞回曲线的面积。通过计算,当加载点的位移为4 mm时,LTPVD-3的耗能能力比LTPVD-1高23.3%;以上分析表明,铅芯个数对阻尼器的耗能能力影响显着。

  图6 铅芯个数对滞回曲线影响
图6 铅芯个数对滞回曲线影响

  Fig.6 Influence of lead number on hysteretic curves

  3.2、 橡胶剪切模量

  当LTPVD配置3个铅芯和3块薄钢板,橡胶剪切模量分别取0.3,0.4,0.5和0.6 MPa时,阻尼器的滞回曲线如图7所示,由图7可知:随着剪切模量的增加,滞回曲线近似以圆点为中心发生逆时针转动,但滞回曲线的面积并没有增加,也就是说明其耗能能力没有变化,只是增大了阻尼器的刚度。

  图7 橡胶剪切模量对滞回曲线影响
图7 橡胶剪切模量对滞回曲线影响

  Fig.7 Influence of rubber shear modulus on hysteretic curves

  3.3 、薄钢板布置

  当LTPVD配置3个铅芯,橡胶剪切模量为0.4 MPa,复合弹性体中薄钢板数量分别取 1,2,3,4块时,阻尼器滞回曲线如图8所示,与橡胶剪切模量增加时阻尼器滞回曲线变化规律一致,随着薄钢板数量增多,滞回曲线近似以圆点为中心发生逆时针转动,阻尼器滞回曲线呈现上扬趋势。选取位移为4 mm时的滞回曲线开展对比,1块薄钢板时滞回面积为963.2 kN·mm,2块时为966.4 kN·mm,3块时为973.5 kN·mm,四块时为982.4 kN·mm,当钢板从1块增加到4块时,阻尼器耗能能力增加2%,结果表明薄钢板数量对阻尼器耗能能力影响有限,同时会增加阻尼器的刚度。

  当布置不同薄钢板数量时,铅芯屈服应力分布如图9所示,铅芯屈服区域位于与复合弹性体接触位置,随着薄钢板数量的增加,屈服应力分布更为均匀,由图9可知,采用4块薄钢板时,铅芯屈服应力分布明显比1块钢板时更为均匀。因此,综合考虑加工工业复杂性和性能要求,建议选用3块薄钢板。

  图8 薄钢板数量对滞回曲线影响
图8 薄钢板数量对滞回曲线影响

  Fig.8 Influence of number of thin steel plates on hysteretic curves

  图9 铅芯应力分布
图9 铅芯应力分布

  Fig.9 Stress distributions of lead cores

  4 结 语

  笔者针对梁柱节点位移小,影响节点阻尼器耗能效率的问题,提出了基于杠杆原理的新型阻尼器,采用有限元数值模拟技术,明确了影响新型阻尼器性能的主要因素,结论如下:

  1)基于杠杆原理的新型阻尼器滞回曲线整体呈现出包络面积大、曲线饱满的特点,具有良好的耗能性能;

  2)铅芯个数对阻尼器的耗能性能影响显着,橡胶剪切模量和薄钢板数量相同的条件下, 3个铅芯阻尼器的耗能能力比1个铅芯阻尼器增加23.3%,铅芯个数是影响基于杠杆原理的新型阻尼器性能的关键构造参数;

  3)橡胶剪切模量对新型阻尼器耗能能力的影响几乎可以忽略,但是,随着橡胶剪切模量和薄钢板数量的增加,阻尼器的刚度也会增加;

  4)布置1块薄钢板时阻尼器滞回面积为963.2 kN·mm,4块薄钢板时为982.4 kN·mm,研究表明虽然随着薄钢板数量的增加,屈服应力分布更为均匀,但是,薄钢板数量对阻尼器的耗能能力影响有限。

  研究为节点位移小情况下阻尼器耗能效率的研究提供了一种新思路。但由于数值模型中的连接是完美连接,而实际构件的加工存在精度问题,因此,还需要开展进一步的试验研究,验证数值模拟结果的正确性,从而确认影响阻尼器性能的关键构造参数,为基于杠杆原理的新型阻尼器工程应用提供理论依据和数据参考。

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