金属阻尼器的试验研究与应用
摘 要：能量耗散是减少建筑结构或构件在地震中损伤和破坏的关键，应用金属阻尼器是耗散地震能量的重要手段之一。金属阻尼器主要是利用金属进入弹塑性屈服状态产生滞回进行耗能，具有造价低廉，耗能能力稳定的优点。 在重点介绍目前几种被广泛应用的金属阻尼器的基础上，阐述了其工作原理、构造要求和工程应用情况。其中，对铅挤压阻尼进行了设计和制作，并对其进行了力学性能测试，测试结果显示：铅挤压阻尼器力-位移曲线接近矩形，符合“库伦摩擦”的特点；力-速度曲线接近双“S”形，阻尼器耗能能力较强且性能稳定。最后，提出今后金属阻尼器的发展方向和需要进一步解决的问题。
关键词：能量耗散；金属阻尼器；弹塑性屈服；滞回特性；工作原理
近年来，国内外在工程结构的隔震、减振与振动控制方面进行了大量的研究工作，取得了丰硕的成果。传统的建筑抗震结构体系是通过提高结构本身的性能，例如加大构件截面尺寸或者采用更高强度的材料来抵御地震作用。但是，由于人们不能准确地预知将来可能遇到的地震作用的大小及特性，而按传统方法设计的建筑结构又不具备对外荷载进行自我调节的能力，因此，按常规的设防烈度来进行设计，一旦遇到超出设防烈度的强烈地震，建筑结构的安全性将无法得到保障。文献[1]提出了结构振动控制的概念，即通过在工程结构的特定部位装设某种装置、机构或某种施加外力的设备，改变或调整结构的动力特性，从而合理控制结构在动力荷载作用下的响应（如位移、速度、应变或者加速度等）。结构控制的提出和发展无疑给现代建筑抗震设计带来了根本性的变化，土木工程振动控制的研究和应用从上世纪开始，至今已有近60多年的历史，各种振动控制的新方法、新形式不断涌现。
由于金属在进入塑性状态后具有良好的滞回特性，并在弹塑性滞回变形过程中能吸收大量能量，因而被用来制造不同类型和构造的耗能减震器。目前比较常用的包括金属软钢阻尼器、加劲钢板阻尼器、剪切钢板阻尼器、全钢防屈曲支撑和铅挤压阻尼器等。文献[2-3]认为软钢阻尼器耗能减震的优势：由于软钢阻尼器的存在，结构的刚度增加，导致结构的变形降低。尤其在强震的作用下，软钢阻尼器充分发挥其耗能大的优势，减少了地震对结构的破坏作用；文献[4]设计制作了X型加劲阻尼器，通过数值分析和试验研究，结果表明X型加劲阻尼器能有效提高结构的刚度，增加结构的耗能能力；文献[5]115对铅挤压阻尼器进行了试验研究和数值分析，将铅挤压阻尼器加入到框架剪力墙结构中，采用遗传算法对其进行位置优化并对优化和未优化布置阻尼器的减震效果进行分析，结果表明铅挤压阻尼器能够有效降低剪力墙结构的地震响应；文献[6]提出一种新型的剪切型铅阻尼器，该装置中铅块直接嵌于滑动钢板与固定钢板的凹槽之间，构造简单。同时基于性能试验和有限元分析对该装置的滞回性能及关键参数进行了研究，研究结果表明，该阻尼器的滞回性能可靠，适合工程结构隔减震应用。
本文对各种金属阻尼器的性能和应用情况进行分析总结，指出各种金属阻尼器的优缺点，同时提出该类阻尼器今后的发展方向和需要解决的问题。
1 软钢阻尼器
软钢阻尼器是利用钢材的塑性变形吸收地震能量。其基本形式包括碟型软钢阻尼器和U型软钢阻尼器等（见图1）。该类型阻尼器的特点是具有稳定的能量吸收能力，能够限制结构的水平位移，可以用于抵抗风荷载和地震荷载作用。
（a）蝶型软钢阻尼器 （b）U型软钢阻尼器
软钢阻尼器设置在基础与上部结构之间，一般与隔震垫配合使用。碟型软钢阻尼器由日本开发，它是利用4根螺旋状的钢材组合在一起形成的（见图1a）。这样，使得阻尼器在加力方向上的阻力以及能量吸收能力的方向性得到减小。钢棒的端部经锻造成形，直接用螺栓连接在连接板上。钢棒和连接板的连接方法，分为能自由转动的铰接法和约束转动的连接法。阻尼器的约束方式一般分为两种，一种是一端采用铰接，另一端采用约束转动的连接法；还有一种是两端都采用约束转动的连接法，通过钢棒直径、环半径和连接部约束条件可以生产出不同型号的环状钢棒阻尼器。对于U型软钢阻尼器（见图1b）。其能量吸收能力主要与4个环形钢棒有关。环的内直径相同时，钢棒越粗屈服力越高，阻尼器的耗能能力越强。另外，钢棒直径相同时，环的内直径越大屈服力越低，阻尼器的耗能能力越弱，这是因为环的内直径增大后阻尼器的屈服力虽然减小了，但到发生破断为止的反复循环次数增加而引起的。
（a）未加软钢阻尼器 （b）加入软钢阻尼器
软钢阻尼器的振动台试验可以直观再现阻尼器安装前后结构的振动反应和破坏形态，为软钢阻尼器的工程应用奠定了基础。虽然软钢阻尼器造价低廉，耗能能力强，但是缺点是阻尼器须定期检测维修。
2 加劲钢板阻尼器
加劲阻尼器耗能装置是由多块互相平行的钢板组成，其中钢板之间加设定位装置。按钢板的形状不同，分为矩形、X形、三角形、开孔形等加劲钢板阻尼器。典型的加劲钢板阻尼器如图3所示。
文献[9]对图3所示的X形加劲钢板阻尼器进行了设计和试验研究，确定了阻尼器的等效刚度和阻尼，为其力学模型的建立提供了依据。研究过程中还发现通过改变钢板的几何形状会降低阻尼器的应力集中现象，因此为了避免这种现象的发生，提出了开孔形加劲钢板阻尼器。文献[10]提出了一种利用钢板平面内受力屈服耗能的开孔形阻尼器，并对其进行有限元分析，计算结果表明这种类型的阻尼器初始刚度仍然较大，滞回曲线饱满、耗能效果较好。同时提出以双线性恢复力模型对开孔形加劲阻尼器进行简化，在此基础之上对加与未加开孔形阻尼器的框架结构进行地震作用下动力有限元计算，从加速度和位移两个方面进行比较，表明加劲钢板阻尼器开孔之后仍然具有良好的减震效果。但是该类型的阻尼器由于多块钢板需要并联，对中间固定装置要求较高，加工需要注意精度。 3 剪切钢板阻尼器
剪切钢板阻尼器是利用钢板平面内产生剪切弹塑性变形以达到消能减震的目的，具有初始刚度大、滞回耗能稳定等优点。阻尼器的基本构造由腹板、左右侧翼缘和上下端连接板组成（见图4）。其中，腹板是剪切钢板阻尼器的主要耗能构件，翼缘对腹板的变形起约束作用，同时抑制腹板发生转动。
4 铅挤压阻尼器
1976年，文献[13]根据铅受挤压产生塑性变形消耗能量的原理制作完成了铅挤压阻尼器。该类型的阻尼器共有两种基本形式：即收缩管型和凸轴型。收缩管型铅挤压阻尼器由厚壁钢管、带两活塞的中心轴及纯度达9999%铅组成。当外壁钢管和中心轴产生相对运动时，铅被挤压通过收缩段发生塑性变形，从而耗散能量；凸轴型铅挤压阻尼器的中心轴上有一个凸起，同收缩型阻尼器的原理类似，当外壁钢管和中心轴发生相对运动时，铅被挤压通过凸起段从而使铅发生塑性变形而耗能。
铅挤压阻尼器的特点：
1） 优秀的耗能能力，滞回曲线饱满；
2） 构造简单，不易损坏；
3） 长期耗能能力稳定。
由图7可以看出，铅挤压阻尼器的力-位移曲线接近矩形，符合“库伦摩擦”阻尼器的特性；力-速度曲线接近双“S”的形状，同时随着激励频率和位移幅值的增加，其单支曲线在低速区的斜率均降低。将铅挤压阻尼器加入大跨空间网壳结构当中，对加与未加铅挤压阻尼器的结构进行了数值分析，分析结果表明，铅挤压阻尼器减振系统对大跨网壳结构的减振效果明显，尤其位移时程响应大大降低；铅挤压阻尼器的布置位置对减振效果有一定的影响，合理的布置位置能够有效地提升大跨空间网壳结构的倒塌临界荷载。
由于铅的再结晶温度低于室温，因此铅挤压阻尼器的适应温度范围相当广，实际上铅是处于热工作状态，动态回复和再结晶同时发生。铅挤压阻尼器造价低廉，在地震的过程中，阻尼器不会产生刚度和强度的下降，震后无需修复和替换。但是铅挤压阻尼器最难解决的问题是，当温度升高到一定程度时，挤压力会产生出现一定的下降。5 结论
对于金属阻尼器的研究已经取得了大量的成果，但是相对于日本、美国等对金属类阻尼器的研究与应用相比，我国除台湾已经有较多应用以外，大陆对该类型阻尼器的研发仍然欠缺，应用更是较少，因此需要加强金属类阻尼器的自主研发能力。尤其是在今后的工作中仍需研究或者解决以下问题：
1） 金属类阻尼器的研发应在保持其耗能能力的同时降低阻尼器的成本；
2） 对已经研发的金属类阻尼器进行规范化，同时应具有自主知识产权；
3） 完善金属类阻尼器的设计和施工规程，加快该类阻尼器的工程应用。