金屬屈服型阻尼器發展簡析

吳凱祺

上海外國語大學（200083）

0 前言

地震作為一種破壞性極強的自然災害，隨著城市化進程的加快，建筑的飛速發展，人員居住的集中，越來越被人們所熟知與警惕。為了減少地震對建筑物及構筑物的損害，阻尼器作為一種良好的被動減震構件，因其良好的耗能性能，被廣泛運用在建筑結構中。最早的金屬屈服型阻尼器由新西蘭的Kelly等人在1972年[1]提出，自此之后金屬屈服型阻尼器作為消能減震的構件，開始迅速發展。

1 X形及三角形金屬阻尼器

X形及三角形金屬阻尼器構成十分相似，皆由若干塊X形或者三角形的鋼板通過一定的限位裝置，平行安裝而成，如圖1及圖2，通過平行鋼板的側向彎曲變形耗散能量。

圖1 X形阻尼器

圖2 三角形阻尼器

Whittaker等人在1989年[2]研究開發了X形軟鋼阻尼器（XADAS），并進行了相關試驗，證明了X形阻尼器具有良好的耗能能力和穩定的滯回性能。

為了消除X形軟鋼阻尼器豎向的軸力影響，Tsai等人在1993年[3]研發了三角形軟鋼阻尼器（TADAS），并進行了循環荷載試驗和結構模擬的試驗[4]，證實了三角形軟鋼阻尼器的在建筑結構中的耗能能力。

歐進萍等人在1995年[5]對X形、三角形軟鋼阻尼器進行了偽靜力試驗，并通過與摩擦阻尼器的對比試驗，總結相關參數，推導了合理的計算模型。

在歐進萍的研究基礎上，吳斌等人在1996年[6]、1997年[7]分別提出了適合X形及三角形軟鋼阻尼器的疲勞參數模型和考慮薄膜效應的疲勞驗算準則。

李冀龍等人在2002年[8]根據形狀記憶合金的分段線本構關系，推導了X形及三角形SMA板式阻尼器的阻尼力滯回模型，2004年，其在基于軟鋼金屬的雙線性本構關系[9]和R-O本構關系[10]推導了X形及三角形阻尼器的阻尼力模型，并分析了試驗結果與模型存在誤差的若干原因。

2 圓環式金屬阻尼器

Tyler等人在1983年[11]對最早期的圓環阻尼器進行了試驗研究。

前蘇聯中央鋼結構設計科學研究院哈薩克分院在1985年[12]對工字鋼制成的圓環阻尼器進行了偽靜力試驗，驗證了環形阻尼器對比矩形阻尼器的耗能能力及耐久性有比較明顯的提升。

周云等人在1996年[13]設計了扁鋼圓環阻尼器，并通過低周反復荷載試驗，驗證了圓環阻尼器具有穩定且較好的耗能能力，但該阻尼器存在初始剛度、承載能力低等問題，為此周云又分別提出了雙環阻尼器[14]、鋼屈服-摩擦復合耗能的圓環阻尼器[15]和加勁圓環阻尼器[16]。

之后，周云等人在2012年[18]對圓環阻尼器進行了進一步的優化設計，分析了不同參數對圓環阻尼器性能的影響，提出了局部削弱圓環阻尼器等。同年周云等人[18]又提出并設計了橢圓型阻尼器，如圖3所示。

陳云等人在2018年[19]利用Q235鋼板制作了環形鋼板阻尼器并進行了試驗，推導了恢復力模型，驗證了其良好的變形能力和抗疲勞性能。

3 腹板開孔式金屬阻尼器

Yasushi等人在1998年[20]提出了蜂窩狀阻尼器，如圖4所示，同時對其進行了擬靜力試驗，試驗表明蜂窩狀阻尼器的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力。

圖4 蜂窩狀阻尼器

Wada等人在2000年[21]研制出與蜂窩狀阻尼器耗能能力類似的槽型阻尼器，如圖5所示。

圖5 槽型阻尼器

邢書濤等人在2003年[22]研究了一種菱形開孔的金屬阻尼器（HADAS），如圖6所示，簡析了其耗能原理：利用軟鋼芯板的彎曲屈服耗能，中空菱形的耗能鋼板設計使阻尼器耗能芯板沿高度方向同時達到屈服，提高了耗能能力的同時極大程度的節約了阻尼器的制造成本。

圖6 中空菱形阻尼器

張文元等人在2007年[23]提出了中空菱形阻尼器的數值模擬分析方法，證明了其具有良好的耗能性能，并于2008年[24]進行了振動臺試驗，證明了中空菱形阻尼器的滯回性能和抗疲勞能力。

李鋼等人在2006年[25][26]提出了腹部開孔的工字形軟鋼阻尼器，如單圓孔型、雙圓孔型、條型、雙X型，并進行了擬靜力試驗，得到了腹板開孔形狀對阻尼器滯回性能有較大的影響。其在2010年[27]，對裝有“雙功能”軟鋼阻尼器的框架結構進行了振動臺分析試驗，試驗驗證了單圓孔型軟鋼阻尼器、雙X型軟鋼阻尼器具有初始剛度大、耗能能力強的優點。

王爽等人在2012年[28]提出了腹部開孔的H型鋼阻尼器，分別是條形孔、橢圓孔及菱形孔，由于選擇在H型鋼的腹板上開孔，減少了阻尼器相關鋼材之間的焊接，減少了焊縫殘余應力等因素對阻尼器本身造成的影響，能更好的保證阻尼器的整體性，從而提升阻尼器的質量。

陳聰等人在2018年[29]對菱形開孔的金屬阻尼器進行了形狀優化，提出了X型腹板的菱形開孔剪切板阻尼器，開孔開于腹板上下兩端，且各開半個菱形孔，腹板如同X型。

4 柱體式金屬阻尼器

Tyler等人在1978年[30]設計了一款錐形鋼懸臂阻尼器，但是這種阻尼器只能提供一個方向上的剛度和阻尼，限制了其發揮。而錐形鋼棒阻尼器，可提供任意方向上的剛度和阻尼，性能更加優越。

周云等人在1997年[31]提出了鋼管鉛芯阻尼器，通過金屬鉛擠壓滯回變形以及鋼管滯回變形提供阻尼，并在隨后幾十年內對鋼管鉛阻尼器進行了改進和優化，對其性能[32]、耗能機理[33]、滯回性能[34]、疲勞性能[35]進行了更好的研究，驗證了其優良的性能，同時提出了更優良的雙曲型不鋼管鉛阻尼器[36]、波紋鋼管鉛阻尼器[37]。

5 結語

金屬屈服型阻尼器已作為一個成熟的技術產品廣泛運用于耗能減震領域，用于提高結構的抗震性能，降低地震作用下的結構反應，保護建筑結構在振動作用下的完整性。且隨著科學技術的不斷發展，金屬屈服型阻尼器也會更加合理。