端部加强型钢管阻尼器性能试验研究.pdf

Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Jun.22023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造文章编号1002-8412(2023)03-0060-07D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.008端部加强型钢管阻尼器性能试验研究陈浩彬，钟根全1，？，周云，李家乐，何志明1（1.广州大学土木工程学院，广东广州510 0 0 6;2.广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510 0 0 6）【提要】传统钢管阻尼器因端部容易发生过早破坏，导致阻尼器耗能性能得不到充分发挥。本文对传统钢管阻尼器进行改进，提出一种新型端部加强型钢管阻尼器，介绍其构造形式及工作机理。设计钢管阻尼器和端部加强型钢管阻尼器各一个，对其进行低周往复加载试验，研究端部加强构造的合理性及端部加强型钢管阻尼器的力学性能。研究结果表明：1）设置加强钢管能够有效延缓钢管端部开裂，避免阻尼器因过早开裂而失去承载能力，充分发挥阻尼器耗能能力；2）端部加强型钢管阻尼器耗能性能好，其滞回曲线对称且饱满，等效阻尼比稳定在0.40 左右，且能在小位移下进入屈服耗能状态；3）端部加强型钢管阻尼器较钢管阻尼器力学性能更优，屈服荷载和极限荷载相较钢管阻尼器分别提升18.7 8%和2 4.42%，二者初始刚度相近，屈服后刚度降低15.2 7%。关键词立端部加强；钢管阻尼器；低周往复加载试验；力学性能；消能减震中图分类号TU398*.9文献标识码 AExperimental study on mechanical properties of end-strengthened steel pipe damperChen Hao-bin,Zhong Gen-quan-2,Zhou Yun,Li Jia-le,He Zhi-ming(1.Civil Engineering Institute,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;2.School of Civil and Transportation EngineeringGuangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)Abstract:The traditional hollow steel pipe damper(HSPD)is prone to have untimely failure of the end of damper,makes the energydissipation performance not fully developed.In this paper,a new type of end-strengthened steel pipe damper(ESPD)is proposed,andits configuration type and working mechanism are introduced.To verify the reasonableness of the end-strengthened structure andinvestigate the mechanical properties of ESPD,one hollow steel pipe damper(HSPD)specimen and one ESPD specimen are designedfor low-frequency cyclic loading.The results show that the strengthened steel pipe can effectively delay the cracking moment of the endof the steel pipe and avoid the premature loss of the bearing capacity due to the end crack,and the damper can better dissipate energy.And the hysteresis curve of the ESPD is symmetrical and plump,it has strong energy dissipation capacity,the equivalent damping ratiois stable at about O.40,and can reach the yielding energy dissipation state under small displacement.Compared with HSPD,ESPDhas better mechanical properties,the initial stiffness are similar,and the yield load and ultimate load are increased by 18.78%and24.42%respectively and the post-yielding stiffness is reduced by 15.27%.Keywords:end-strengthened;steel pipe damper;low cyclic loading test;mechanical properties;energy dissipatyE-mail:barnettchan 钢材因取材简单、塑性变形能力好和滞回耗能性能优良等特点，是金属阻尼器中应用最广泛的材料之一 1。目前常见的钢阻尼器包括剪切钢板阻尼器2】、加劲软钢阻尼器3、圆环阻尼器 4 和钢管阻尼器 5 等。钢管阻尼器是一种利用耗能钢管的剪切收稿日期2023-01-09变形耗散地震能量的阻尼器，具有制作安装简单、耗能性能优良和具各向耗能性能等特点。Abebe等 6 通过有限元分析软件对钢管阻尼器进行了参数化分析，得到阻尼器的最佳径厚比值。随后，Abebe等 7 对钢管阻尼器进行了低周往复加载试验与有限元分析，研究表明当耗能钢管厚径比 2 7.8 时，钢管阻尼器较早发生屈曲现象，当钢管厚径比 19.4时，钢管2023Vol.45,No.3Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting.61第45卷第3期陈浩彬，等：端部加强型钢管阻尼器性能试验研究阻尼器的破坏位置出现在钢管与连接板连接处，即钢管阻尼器端部，导致钢管阻尼器过早退出工作，钢材耗能性能未得到充分发挥。之后,Park等 8,9 对钢管阻尼器试件以及装有钢管阻尼器的阻尼器系统进行了循环加载试验，试验结果同样证明钢管阻尼器试件裂缝出现在焊脚端并逐渐发展，影响阻尼器工作性能。为改善钢管阻尼器端部过早破坏现象，本文提出一种端部加强型钢管阻尼器（End-strengthenedSteelPipeDamper，ESPD），介绍其构造形式及工作机理，设计钢管阻尼器和端部加强型钢管阻尼器各一个，对其进行低周往复加载试验，研究端部加强构造的合理性及端部加强型钢管阻尼器的力学性能。1立端部加强型钢管阻尼器的构造及工作机理端部加强型钢管阻尼器（End-strengthenedSteelPipeDamper，ESPD）由加强钢管、耗能钢管和凹型连接板组成，如图1、图2 所示。其制造工艺为：（1）加工加强钢管、耗能钢管和凹型连接板；（2）将加强钢管嵌入下部凹型连接板并通过角焊缝焊接加强钢管内壁；（3）将耗能钢管嵌人加强钢管与凹型连接板预留缝隙，并通过角焊缝焊接连接耗能钢管外壁与凹型连接板；（4）用相同的方式加工阻尼器上部部件，完成组装。端部加强型钢管阻尼器制造工艺说明如图3所示。端部加强型钢管阻尼器的工作原理具体为：（1）当地震作用较小时，端部加强型钢管阻尼器处于弹性状态，为结构提供附加刚度；（2）当地震作用增大时，耗能钢管进入屈服状态，通过自身的塑性滞回变形耗散地震能量。在钢管发生剪切滞回变形耗散能量的过程中，加强钢管与耗能钢管协同变形，局部增强耗能钢管端部区域强度，延缓耗能钢管开裂；（3）当地震作用继续增大时，耗能钢管端部发生开裂，加强钢管通过对耗能钢管端部的支撑作用，保证开裂区域强度，使阻尼器仍能保持工作状态，避免过早丧失承载能力而退出工作，充分发挥阻尼器耗能能力。端部加强型钢管阻尼器既可作为新建建筑的减震装置，又可用于既有建筑的加固改造。一般安装在结构相对位移较大的部位，可采用墙墩式、斜撑式等布置形式，布置方式灵活多样，如图4所示。端部加强型钢管阻尼器具有如下特点：（1）端部加强型钢管阻尼器主要通过耗能钢管的塑性变形耗能，加强钢管起到加强阻尼器端部的作凹型连接板耗能钢管加强钢管(a)整体图(b)剖面图图1端部加强型钢管阻尼器示意图Fig.1Illustrationof ESPD上部凹型连接板预留螺栓孔加强钢管耗能钢管预留螺栓孔下部凹型连接板图2端部加强型钢管阻尼器构造示意图Fig.2Constructionof ESPD上部凹型连接板角焊缝耗能钢管加强钢管（下部凹型连接板2.焊接加强钢管与凹型连接板1.加工阻尼器各部件角焊缝3.耗能钢管嵌入加强钢管与凹型4.完成组装连接板缝隙并采用角焊缝连接图3端部加强型钢管阻尼器制造工艺说明Fig.3Illustration of the ESPD fabrication procedure用，耗能机理明确，工作性能稳定；（2）端部加强型钢管阻尼器在平面内与平面外的力学性能相同，具备各向同一耗能的能力；（3）端部加强型钢管阻尼器所用材料均为钢材，取材方便、经济性良好，各部件均通过焊接连接，加工方便，有利于生产加工的标准化；（4）端部加强型钢管阻尼器的布置形式多样，与结构或支撑采用螺栓连接，便于安装、拆卸以及更换。Jun:2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月.62工程抗震与加固改造(a)墙墩式(b)斜撑式图4立端部加强型钢管阻尼器布置形式Fig.4Layout of ESPD2试验概况2.1设计与制作设计了1个未采用端部加强构造的钢管阻尼器（H o l l o w St e e l Pi p e D a m p e r，H SPD）和1个采用端部加强构造的端部加强型钢管阻尼器，分别命名为HSPD和ESPD，前者用以试验参照。试件几何尺寸图如图5所示，试件构造参数如表1所示。阻尼器钢管采用国际无缝钢管【10 ，材料为2 0#钢管，凹型连接板采用Q345钢板，焊接采用E43焊条手工焊 12.2材料性能试验根据金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法（GB/T228.1-2010）【12 规定，从钢管壁取材并加工成矩形截面试件，如图6 所示。共加工6 个材料性能试验试样，通过单向拉伸试验得到试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率，试验结果如表2所示。表1设试件构造参数Tab.1Structural parameters of test specimens试件编号HSPDESPD总高度H(mm)330330耗能钢管高度H,(mm)300300耗能钢管外径D,(mm）108108耗能钢管壁厚t（m m）66加强钢管高度Hz（mm）70加强钢管外径Dz（mm）94加强钢管壁厚t2（mm）6嵌入深度t。(mm)1515表2 材性试验结果Tab.2Material properties of specimens弹性模量屈服强度抗拉强度断后伸长率(MPa)(MPa)(MPa)(%）20600031847227(a)试件HSPDL(b)试件ESPD图5试件几何尺寸图Fig.5Geometrical dimensions of speci