摘要：为了改善框架结构的抗震性能，提出了一种扇形支撑节点剪切阻尼器用来提高梁柱节点的抗震能力。介绍了扇形支撑节点剪切阻尼器的构造、耗能原理和优点，采用ABAQUS有限元分析软件对其进行了数值仿真分析，进而研究了该阻尼器的滞回性能和骨架曲线。结果表明: 该阻尼器滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力，能较好的提高框架结构梁柱节点的抗震能力。
关键词：粘弹性阻尼器；耗能减震；滞回曲线
近年来，世界各地地震灾害频繁发生，通过灾后分析可知部分框架结构出现了梁柱节点进入明显塑性状态而导致结构破坏或倒塌的现象，不符合抗震设计的“强节点弱构件、强剪弱弯”的延性设计理念［1］。因此，如何使建筑结构在受到外界干扰时具有一定的抗震能力成为研究结构抗震性能的关键性问题。
阻尼器作为一种可以有效耗能减震的装置，现已被广泛应用在建筑结构中，并起到了一定的效果。但传统的阻尼器的由于建筑物在外力、地震或风荷载作用下梁柱节点之间产生的相对转角或位移较小，现有的安装在节点位置的阻尼器需要结构具有较大的相对变形时才能充分达到耗能效果，故而往往在实际应用中受到限制。
为了解决上述问题，李宏男教授设计了一种扇形支撑节点剪切阻尼器，该阻尼器可直接安装于柱底节点或者边柱和中柱的梁柱节点区域［2］，如图1所示；还可将梁柱节点处或结构层间产生的较小的相对位移根据需要进行放大，通过限制放大以后的位移充分发挥阻尼器中粘弹性剪切材料的耗能特性，实现建筑结构消能减震的效果。
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图1 扇形支撑节点剪切阻尼器的安装方式
本文主要介绍扇形支撑节点剪切阻尼器的构造和工作原理，采用 ABAQUS软件对该阻尼器进行数值仿真分析，研究该阻尼器的滞回耗能性能。
1构造与耗能原理
1.1扇形支撑节点剪切阻尼器的构造
扇形支撑节点剪切阻尼器由侧板、底板、转轴、扇形支撑板、旋转板、薄钢板和粘弹性材料（橡胶）构成。其中橡胶层和薄钢板经高温高压硫化成复合弹性体，其构造如图2所示。
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（a）正视图 （b）侧视图
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（c）剖面图
图2 扇形支撑节点剪切阻尼器的构造
1.2扇形支撑节点剪切阻尼器的耗能原理
该阻尼器可安装在建筑结构的梁柱节点处或结构的层间，其中，侧板和底板通过预留孔洞用高强螺栓和建筑结构连接固定。在地震作用下，框架结构会发生侧移变形使得梁柱节点处产生相对转动位移，继而建筑结构或构件会带动侧板转动β角度（正负情况相同），这时两块扇形支撑板发生相对转动，在螺栓的带动下，旋转板发生转动，带动复合弹性体产生剪切滞回变形而耗能，从而减小框架结构的侧移及层间位移角，有效地对梁柱节点进行保护
2有限元模型
2.1扇形支撑节点剪切阻尼器设计
有限元模拟分析是采用有限元分析软件ABAQUS，扇形支撑节点剪切阻尼器的上下连接板是同梁柱节点端部件相连，考虑计算和网格划分的原因，对于连接端将省略，这样能够更明确的研究其耗能机制。
对于复合弹性体的模型建立，则采用了部件分割的方法，即将一整块复合弹性体按照粘弹性层厚度和薄钢板厚度的分布，对其进行部件分割，再分别对每层赋予不同的材料属性，这样就会省去不必要的接触问题，这样既降低了计算代价，也满足了收敛性的准则。分割形式如图3所示。
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图3 复合弹性体模型部件分割
2.2有限元模型的建立
阻尼器的有限元模型由扇形支撑板、旋转板、复合弹性体和螺栓等部件构成，通过拉伸方式建立各部件的三维实体模型。复合弹性体是橡胶和薄钢板通过高温高压硫化而成，在实际使用中，橡胶和钢板都是紧密粘结的，为了简化模型，对复合弹性体部件采用分割方法，按薄钢板和橡胶层厚度分割为相应层数，对相应层赋予对应的材料属性；两块约束钢板和中间剪切钢板定义为解析刚体；最后组装这些部件成为一体，如图4所示。
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图4 扇形支撑节点剪切阻尼器的有限元模型
2.3材料定义
2.3.1钢材的材料定义
根据设计的扇形支撑节点剪切阻尼器进行有限元模拟，扇形支撑板、旋转板以及薄钢板均采用Q235钢，为弹塑性材料，扇形支撑板和旋转板处理为解析刚体，考虑薄钢板实际工作状态，将其处理为线弹性材料，其弹性模量取为Es=2.06×105MPa，泊松比为υ=0.3［3］。
2.3.2橡胶的材料定义
对于橡胶材料的参数选取，则采用五常数 Mooney-Rivilin模型［4-6］。硬度为40的天然橡胶薄板通过本构性能系数在有限元软件中拟合的单轴拉伸、等双轴拉伸、平面剪切数据如图5所示，根据微量变形理论，橡胶材料弹性模量E与材料常数的关系式是E=6(C01+C10)，因此E=1.24MPa，剪切模量G=E/3=0.41MPa，其泊松比接近0.5［7］，本文取 0.4997。
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图5 本构系数试验数据拟合
2.4网格划分及单元采用
扇形支撑节点剪切阻尼器的材料主要是金属和橡胶，对于钢板采用八节点六面体线性减缩积分单元（C3D8R）。对于橡胶材料，因为具有不可压缩性，则采用八节点六面体杂交单元（C3D8H）来模拟［8］。模型及网格划分如图6所示。
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图6 扇形支撑节点剪切阻尼器的网格划分
2.5约束和加载制度
本文采用往复循环加载，位移幅值依次取0.25mm、0.50mm、0.75mm、1.00mm、1.25mm；加载频率取0.25Hz。剪切钢板与RP1、RP2建立了耦合约束，则加载点可设在RP1和RP2上，使其进行平面剪切往复运动。对于约束钢板的整体约束可以施加在RP3和RP4上，使其完全固结。
3仿真结果分析
3.1滞回性能分析
通过有限元模拟分析，得到了往复循环加载方式作用下阻尼器的滞回曲线，如图7所示。通过图7可以看出，得到的滞回环面积均较大，且在不同剪切幅值下滞回曲线的规律一致，滞回曲线比较饱满，耗能能力强。扇形支撑节点剪切阻尼器充分利用了粘弹性材料的剪切滞回变形的机制耗能，耗能材料工作性能稳定，耗能性能好。
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图7 阻尼器滞回曲线
3.2骨架曲线分析
将往复循环加载方式作用下阻尼器滞回曲线各峰值点连线可得阻尼器的骨架曲线，如图8所示。通过骨架曲线可以发现随着位移幅值的不断增大，装置所能承受的荷载随之增大。
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图8 阻尼器骨架曲线
4结论
通过对扇形支撑节点剪切阻尼器在两种加载作用方式下的模拟分析，可以初步得出以下结论：（1）滞回曲线饱满，耗能能力强，且具有较大的变形能力；（2）扇形支撑节点剪切阻尼器随着位移幅值的不断增大，所能承受的荷载随之增大。
总之，扇形铅粘弹性阻尼器综合利用粘弹性材料（橡胶）耗能，滞回性能稳定、耗能能力强、变形能力大、构造简单、造型美观、占用空间小、适用范围广，因而具有广阔的应用前景。
参考文献
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