, 刘付钧 2 , 李盛勇 2 , 黄忠海 2 1.清华大学 土木工程系, 土木工程安全与耐久教育部重点实验室, 北京 100084;
2.广州容柏生建筑结构设计事务所, 广州 510170
收稿日期: 2015-06-14
基金项目: 国家自然基金资助项目（51138007，51222810）
作者简介: 许立言(1990-),男,博士研究生
通讯作者: 樊健生,教授,E-mail:fanjsh@tsinghua.edu.cn
摘要：针对滞回力学特性、低周疲劳性能以及耗能减震能力，进行了3组采用低屈服点钢BLY160的剪切型阻尼器的拟静力试验。试验选用2种尺寸型号的试件并采用了4种不同的加载方案，对比分析了不同加载历史下软钢的应变强化现象及低周疲劳性能，考察了阻尼器构件关键参数腹板宽厚比以及加劲肋尺寸的影响。试验结果表明：BLY160低屈服点钢材随等效塑性应变的累积有明显的循环强化现象，采用BLY160低屈服点钢的剪切型阻尼器初始刚度大，屈服位移小，变形能力强，具有良好的滞回性能和稳定的耗能特性。
关键词： 剪切型阻尼器 BLY160低屈服点钢 循环强化 加载历史
Experimental investigation of low-yield-point steel shear panel dampers
XU Liyan1, NIE Xin1, FAN Jiansheng1
, LIU Fujun2, LI Shengyong2, HUANG Zhonghai21.Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry, Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.RBS Architecture Engineer Design Associates, Guangzhou 510170, China
Abstract:Pseudo-static tests of three groups of shear panel dampers made of low-yield-point steel, BLY160, were conducted to study the hysteresis in the mechanical properties, low cycle fatigue behavior and earthquake mitigation effects. Two specimens were subjected to four loading schemes to investigate the influences of stiffening rib size, width-thickness ratio of the web plate and the cyclical load history. The results show that the low-yield-point steel has significant cyclic hardening with the accumulation of plastic strain and that the damping devices using BLY160 steel have high initial stiffnesses, small yield displacement, favorable ductility, stable hysteresis and excellent energy dissipation.
Key words: shear panel dampersBLY160 low-yield-point steelcyclic hardeningloading history effect
阻尼器是一种有效提高结构极限承载能力以及耐久特性的被动消能装置[1]，在结构抗风抗震设计中得到了广泛的应用。常见的耗能减震阻尼器按耗能机制划分主要有金属阻尼器、摩擦型阻尼器、粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器以及电(磁)感应式阻尼器等。 金属阻尼器构造简单、受力明确、性能稳定并且易于更换，利用金属的弹塑性变形也成为消耗地震输入能量最有效的机制之一。
由于低屈服点(LYP)钢具有良好的塑性变形特性以及滞回耗能能力，在日本的耗能减震装置中已经得到了广泛的应用[2]。国内外****先后进行了一系列的低屈服点钢阻尼器试验研究，研发了扭转梁、弯曲梁、平行加劲钢板、防屈曲支撑以及剪切钢板阻尼器等多种受力形式的低屈服点钢阻尼器[3-6]。其中，依靠钢板剪切变形耗能的阻尼器具有刚度大、屈服位移小、承载力高以及耗能能力强等特点，以阻尼剪力墙、耗能连梁和偏心支撑框架等多种形式广泛应用于建筑结构体系中[7-9]。
目前，与低屈服点钢剪切型阻尼器相关的试验和理论研究主要集中在日本新日铁公司生产的LYP100及LYP225低屈强比抗震结构钢，而随着低屈服点钢的广泛应用，国内宝钢公司研发了160 MPa级抗震用低屈服点钢BLY160[10-11]，并在防屈曲支撑上得到应用，表现出良好的耗能减震性能[12]。
为进一步研究新型低屈服点钢在金属阻尼器中的应用效果，本文针对采用BLY160的剪切型阻尼器进行了3组拟静力试验研究，对比分析了不同加载历史下低屈服点钢的应变强化现象以及低周疲劳性能，同时考察了腹板宽厚比以及加劲肋尺寸的影响，为BLY160在耗能减震设备中的设计应用提供了参考。
1 试验概况1.1 钢材特性BLY160采用接近工业纯铁的成分设计，通过晶粒粗化及添加少量Ti、Nb 固定C、N 原子以降低其对位错运动的阻碍作用，从而实现极低的屈服强度[10]。本研究通过静态单轴拉伸试验，得到BLY160的基本力学特性指标如表 1所示。其中屈服强度取残余应变为0.2%时所对应的拉伸强度值，极限强度取拉伸曲线的峰值，材料强屈比达到2.4，说明BLY160具有明显的应变强化特性，材料强度会随着塑性应变的累积显著增大。
表 1 BLY160基本力学特性
| 弹性模量E/MPa | 屈服强度fy /MPa | 极限强度fu/MPa | 断裂延伸率EL/% |
| 203 100 | 126 | 298 | 56% |
表选项
同时，图 1对比了BLY160与普通高强度结构钢Q235和Q345的单调拉伸应力—应变曲线，根据试验结果可得，BLY160具有屈服强度低、强屈比高以及延伸性能好等优良材料特性，有利于提高钢材的滞回耗能能力，在金属阻尼器等耗能减震设备中有广阔的应用前景。
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| 图 1 钢材应力—应变曲线对比 |
| 图选项 |
1.2 试件设计本文研究的低屈服点钢剪切型阻尼器由剪切腹板、约束翼缘板、加劲肋以及连接顶底板组成，试验构件以某写字楼实际工程为背景，采用1∶1的足尺模型比例。单个阻尼器构件由2块剪切钢板并联组成，具体构造形式如图 2所示。按照阻尼器设计屈服荷载荷载，试件可分为RT400和RT600两种型号，其设计剪切屈服力分别为400和600 kN。
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| 图 2 剪切阻尼器试件几何构造 |
| 图选项 |
为充分利用不同屈服点钢材的特性，试件的腹板采用BLY160低屈服点钢，通过剪切变形进行耗能； 翼缘板采用Q235普通钢，用以约束剪切板两侧； 腹板中间设置一道加劲肋，用以防止腹板发生面外屈曲，同时与翼板连接，保证整体的协调变形； 顶部及底部的端板采用Q235厚钢板，主要用于阻尼器与试验加载设备之间的连接。
1.3 试验设备试验构件安装于由顶底梁和左右刚性拉杆组成的加载钢框架内，试验设备采用2 MN的MTS电液伺服加载系统，整体加载系统如图 3所示。
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| 图 3 试验加载装置 |
| 图选项 |
试件的水平往复荷载通过作动器沿顶部加载梁的中轴线施加，试验过程中水平荷载值由作动器自带的力传感器量测。阻尼器的顶板处的正反两侧各安装了一个量程为±100 mm，精度为0.01 mm的位移计，通过数据采集系统以1 Hz的频率进行连续采样，实时监测试件顶底板之间的相对水平位移。
1.4 试验加载方案为研究剪切阻尼器在不同循环往复加载历史下的滞回性能，试验共设计了4组不同形式和幅值大小的加载制度，包括针对循环强化现象的基本力学性能试验L1和L4、针对塑性变形能力的延伸性能试验L2以及针对低周疲劳性能的疲劳性能试验L3。
加载采用位移控制的拟静力循环往复加载制度，加载波形采用三角波，相对水平位移Δ的具体加载历史如图 4所示。试件发生明显撕裂破坏或者单周循环水平荷载峰值下降至历史最大值的85%时，则认为构件失效，停止试验加载。
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| 图 4 循环加载历史 |
| 图选项 |
根据阻尼器试件型号及构造共分为3组试验： 第1组试验共4个相同的RT400型基本试件，分别采用4种加载制度进行加载； 第2组试验中2个RT600型的阻尼器试件分别进行基本性能试验和延伸性能试验，与第1组试验对比分析腹板尺寸参数的影响； 第3组试验考察RT400型阻尼器中加劲肋的影响，试件C1减小加劲肋板件尺寸至 220 mm×20 mm×10 mm，试件C2不设置加劲肋，试验构件的具体分组及标号如表 2所示。
表 2 试验构件分组及编号
| 构件型号 | 试件编号 | 加载制度 |
| RT400 | A1 | L1 |
| A2 | L2 | |
| A3 | L3 | |
| A4 | L4 | |
| RT600 | B1 | L1 |
| B2 | L2 | |
| RT400 | C1 | L1 |
| C2 | L1 |
表选项
2 试验结果及分析2.1 滞回特性通过分析处理得到试验构件在各加载制度下的典型水平荷载P—Δ试验曲线如图 5所示。试验结果表明，阻尼器采用低屈服点钢板的平面内受力形式，初始刚度较大，并在很小的水平剪切位移下就发生了屈服，进而通过塑性变形进行耗能，试验曲线饱满，滞回环形状呈纺锤型，耗能面积大，表现出良好的耗能能力和延性。同时由于低屈服点钢的强化，阻尼器的水平荷载随循环位移幅值的增加逐步增大，滞回耗能面积也同步扩大，充分体现了低屈服点钢的优良特性。
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| 图 5 典型构件水平荷载—位移滞回曲线 |
| 图选项 |
2.2 基本力学性能通过作图法得到各试件的基本力学参数，具体指标如表 3所示。对各性能参数取平均值得到： RT400型阻尼器的屈服荷载为373 kN，屈服位移为0.55 mm，初始刚度为684 kN/mm； RT600型阻尼器的屈服荷载为534 kN，屈服位移为0.67 mm，初始刚度平均值为796 kN/mm。
表 3 试件基本力学性能特征值
| 试件编号 | 屈服力 | 屈服位移 | 初始刚度 | 屈服后刚度 | 荷载峰值 |
| kN | mm | kN·mm-1 | kN·mm-1 | kN | |
| A1 | 364 | 0.53 | 686.8 | 24.5 | 1 058 |
| A2 | 382 | 0.56 | 682.1 | 21.3 | 1 373 |
| B1 | 520 | 0.66 | 787.9 | 23.2 | 1 386 |
| B2 | 547 | 0.68 | 804.4 | 24.6 | 1 573 |
表选项
试验结果表明阻尼的力学性能指标较稳定，屈服位移均控制在1 mm以内，屈服强度基本等于腹板全截面剪切屈服时的水平荷载值。
2.3 骨架曲线选取滞回曲线中每一级加载的第2周循环数据，得到各级位移幅值所对应的水平荷载峰值，为便于数据的对比分析，提取水平荷载的正则化指标P/Py随剪切位移角γ变化的骨架曲线。由于低屈服点钢后期的不断强化，屈服后强度持续增加，各试件的骨架曲线均呈“倒Z字”型，针对不同的影响因素，对骨架曲线进行图 6的对比分析。
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| 图 6 正则化水平荷载—剪切位移角骨架曲线 |
| 图选项 |
1) 加载制度的影响： 图 6a为RT400型阻尼器分别在循环加载和单调加载下的的骨架曲线。采用BLY160的剪切腹板随塑性变形的累积有明显的循环强化现象，试件经历循环往复加载后的水平荷载峰值达到995 kN，与屈服荷载的比值为2.5，剪切强度比单调加载下提高38%。
2) 腹板宽厚比的影响： 图 6b为RT400型及RT600型阻尼器在相同剪切位移角下的骨架曲线，两者的腹板宽厚比分别为22和33。两者的正则化曲线形状基本一致，说明阻尼器的剪切刚度及强度均与腹板面积呈正比例关系，在剪切位移角γ<0.06 时，两者的腹板均未发生明显屈曲，加劲肋及翼缘板的约束作用能够保证腹板的整体剪切变形。
3) 加劲肋尺寸的影响： A1、C1及C2三个构件的加劲肋尺寸依次减小。由图 6c可知，加劲肋尺寸对阻尼器骨架曲线的影响较小，但随着加劲肋尺寸减小，阻尼器腹板及翼缘的整体变形能力降低，同一剪切位移角下，水平荷载仍有所减小。结合之前的低周疲劳性能试验结果可知，在保证腹板不发生整体屈曲失稳的情况下，加劲肋等构造措施对荷载—位移关系曲线影响较小，但是决定最终的疲劳破坏形态和循环往复的周数。
2.4 低周疲劳性能试验过程中，阻尼器试件的低周疲劳发展过程主要可以分为以下4个阶段： 初始弹性段、 做工强化段、 稳定滞回段、 疲劳破坏段。当水平加载位移小于0.5 mm时，试件处于弹性阶段，荷载—位移曲线保持线性并体现出很高的初始刚度； 当位移加载幅值的增大至1 mm，阻尼器在屈服后逐级进行强化，直到达到最大位移幅值； 随着塑性变形的积累，试件的强化趋于稳定，并将最大水平剪切荷载保持一段时间； 在最大幅值作等幅加载的阶段，试件随着循环次数的增加，逐渐发生低周疲劳破坏现象，首先在翼缘板与端板连接处、加劲肋与翼缘连接处、加劲肋与腹板连接处等焊缝热影响区薄弱部位产生裂缝，随往复加载裂缝迅速发展导致荷载峰值显著下降，并最终由板件间连接断开导致构件破坏。各试件的试验结束时的疲劳破坏形态的照片如图 7所示。
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| 图 7 试件破坏形态 |
| 图选项 |
各试件的疲劳性能指标的对比情况见表 4，其破坏形态主要分为腹板沿加劲肋撕裂和翼缘板根部断裂2种模式，具体的影响因素如下：
表 4 试件低周疲劳性能
| 试件编号 | 加载制度 | 最大设计位移/mm | 设计剪切位移角γmax/rad | 设计位移循环周数 | 破坏模式 |
| A1 | L1 | 30 | 0.075 | 27 | 腹板沿加劲肋撕坏 |
| A2 | L2 | 100 | 0.250 | 2 | 翼缘板根部断裂 |
| A3 | L3 | 30 | 0.075 | 27 | 腹板沿加劲肋撕坏 |
| A4 | L4 | 24 | 0.060 | 34 | 腹板沿加劲肋撕坏 |
| B1 | L1 | 30 | 0.060 | 35 | 腹板屈曲，腹板角部破坏 |
| B2 | L2 | 80 | 0.160 | 1 | 试验受限终止，无明显破坏现象 |
| C1 | L1 | 30 | 0.075 | 29 | 腹板沿加劲肋撕坏 |
| C2 | L1 | 30 | 0.075 | 29 | 腹板屈曲，翼缘板根部断裂 |
表选项
1) 循环加载的设计位移幅值： 当循环加载的位移幅值较小时，试件从加劲肋与翼缘及腹板的连接处破坏； 当循环加载的位移幅值较大时，试件从翼缘与上下端板的连接处破坏。对比试验结果表明，最大位移加载幅值是决定构件破坏模式和循环往复周数的重要因素。
2) 腹板宽厚比： RT400型阻尼器的腹板宽厚比较小，腹板在试验过程中一直保持为平面内的剪切变形，但由于腹板剪切刚度过大，腹板和翼缘的协同变形工作能力降低，最终导致腹板角部焊缝的破坏； 当试件的宽厚比较大(如RT600型)时，在循环加载的后期可以观测到腹板在弹塑性变形阶段的面外屈服现象，这种面外变形虽然一定程度上降低了剪切极限承载，但是并没有引起构件的整体失稳和严重的破坏，相反相对柔性的腹板可以增加其变形能力，延缓腹板与周围约束钢板的连接破坏。
3) 加劲肋尺寸： 相比基本试验构件A1，当腹板宽厚比较小时，减小加劲肋尺寸能够增加试件在相同设计位移下的循环周数，一定程度上提高了其疲劳性能。在破坏形态上，当设置加劲肋时，试件破坏以腹板撕裂为主； 去除加劲肋，试件破坏以翼缘板断裂为主。
3 结 论本文针对采用新型低屈服钢材BLY160的剪切型阻尼器进行了8个构件的试验研究，通过对比分析，得到以下结论：
1) 采用BLY160的剪切型阻尼器具有初始刚度大，屈服位移小，延性性能良好、滞回曲线饱满以及耗能能力强的特性，在结构设计中能够满足小震作用下提供较大初始刚度，大震作用下耗散地震动能量的要求。
2) 剪切型阻尼器的低周疲劳破坏主要分为腹板破坏和翼缘破坏2种模式。腹板宽厚比过小时，钢板面内剪切刚度过大会影响腹板与翼缘的协调变形能力，以腹板沿加劲肋撕坏为主； 腹板宽厚比多大时，剪切腹板会发生平面外的弹塑性屈曲现象，并最终由翼缘板根部断裂导致破坏。对于本试验中的剪切型阻尼器，建议腹板宽厚比取值为25~35。
3) BLY160具有明显的应变强化特性，无论是在单调加载还是循环反复加载过程中，随塑性应变的累积都有材料强化的现象，阻尼器在设计位移下的剪切强度最大可以达到屈服强度的2.5倍，提高了剪切阻尼器滞回耗能面积，有利于充分发挥其耗能减震作用。
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