冯广志 张如玉 卓于清 李国东
(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)
0 引言
地震作为众多自然灾害中的一种，由于其具有突然性和严重破坏性的特点，给人类带来巨大的灾难。中国的地震活动主要分布在台湾省、西南地区、西部地区、华北地区及东南沿海地区。1976年中国唐山发生7.8级地震，2008年四川汶川发生“5·12”8级地震，2013年四川雅安发生7.0级地震。地震造成的直接灾害就是房屋和构筑物的破坏，从而间接造成人畜的伤亡，在唐山地震中，70%～80%的建筑物破坏倒塌，造成严重的人员伤亡，因此越来越多的学者和专家投入到耗能减震技术在建筑结构中的研究。
1 耗能减震原理
普通结构的抗震性能是通过提高结构本身的强度、刚度、延性等性能来实现抵抗地震作用的功能，即由建筑结构本身来承担地震传来的能力，属于消极被动的抗震方式[1]。由于地震到来的不确定性，人们常常不能确定地震的强度和特性，所以根据传统抗震方法设计的结构可能无法满足结构的安全要求，造成结构严重损坏甚至倒塌，从而造成重大经济损失和大量人员伤亡。
结构耗能减震技术[2]是在建筑结构的节点、支撑、剪力墙、联结缝和相邻建筑物等部位设置阻尼器，通过结构相对变形带动阻尼器产生摩擦、弯曲、剪切等弹塑性滞回变形来耗散地震传入结构中的能量，减少主体结构地震反应，把破坏部位转移到阻尼器上，从而避免主体结构产生破坏，达到减震控震的目的。
2 阻尼器的类型
目前应用于实际工程和研究的阻尼器种类很多，从阻尼器与速度和位移的相关性来划分，可以分为速度相关型阻尼器、位移相关型阻尼器、复合型阻尼器；从受力状态上可以分为弯曲型、剪切型、弯剪型和扭转型阻尼器；从耗能机理来划分可以分为摩擦阻尼器、弹塑性阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器和电磁感应式阻尼器；从制作阻尼器所需材料可以分为金属阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器和新型材料阻尼器。
金属的弹塑性变形是消耗地震作用最简单、有效的方法之一，金属阻尼器根据制作材料，可以分为钢阻尼器、铅阻尼器和记忆合金阻尼器，钢阻尼器又包括软钢阻尼器和低屈服点钢阻尼器。由于软钢在进入塑性后表现出优秀的延性和滞回特性，有较好的变形跟踪能力，环境条件对其力学性能也没有明显的影响，因此被用来制作不同类型的软钢阻尼器应用于实际工程中。目前已知的软钢阻尼器主要包括加劲阻尼器、圆环阻尼器、剪切钢板阻尼器、无粘结支撑、蜂窝状阻尼器、Luara型阻尼器等类型。
3 典型的软钢阻尼器
3.1 加劲阻尼器
加劲阻尼器由相互平行的不同形状的钢板(X形、三角形、开孔板)通过固定装置组成，如图1所示，安装在人字形支撑的顶部连接框架梁。在地震作用下，相对变形引起支撑产生剪切运动，带动加劲阻尼器中的钢板产生弯曲变形，通过钢板的弹塑性滞回变形消散传入结构的能量，达到耗能减震的目的。
Whittaker等[3]于1989年设计并研制出X形加劲阻尼器，并进行相关试验研究。试验结果表明X形加劲阻尼器具有较强的耗能能力和稳定的滞回性能，但存在不能消除竖向轴力影响的问题。1993年Tsai等[4]在Whittaker等人的基础上进行了改进，设计并制作出三角形加劲阻尼器，进行低周反复荷载试验。结果表明三角形加劲阻尼器消除了X形加劲阻尼器存在的竖向轴力对阻尼器影响的问题，是一种理想的阻尼器形式。近年来，陈清祥对Whittaker等人提出的加劲阻尼器的基础上，设计并制作开孔式制震板阻尼器(HADAS)[5]，在矩形钢板上开菱形孔，试验结果表明在地震作用下钢板的每个截面同时屈服，达到材料用量和耗能能力的良好优化设计。
1995年欧进萍等[6]对摩擦型和软钢屈服型(X钢板和三角钢板)阻尼器进行了大量试验研究，包括静力反复加载和低周疲劳试验，详细的对比了这些阻尼器的减震效果，建立了此类阻尼的恢复力模型和参数计算方法。随后吴斌等[7]在此实验的基础上分析其耗能机理，并且进行了大量的疲劳验算，得出相应的疲劳参数，建立了软钢阻尼器的弹塑性应力分析方法及疲劳设计准则。1997年吴斌等[8]发现薄膜效应是钢板屈服阻尼中一个不可忽略的因素，结合之前的研究成果，提出薄膜应力的计算方法，建立疲劳验算准则。2004年李冀龙、欧进萍[9,10]基于软钢的R-O本构关系和双线性本构关系,分别推导并建立了三角形和X形钢板阻尼器的阻尼力模型，将得到的阻尼力模型与试验数据对比，验证了阻尼力模型的正确性，在误差允许范围内可应用于实际工程。2015王桂萱等[11]分别采用理想弹塑性模型、双线性随动强化模型和混合模型分析菱形开孔阻尼器的滞回性能，采用ANASYS限元软件模拟出滞回曲线，通过对比不同模型的滞回曲线，得出混合模型是比较准确的模型。
3.2 圆环阻尼器
最初的圆环阻尼器是由钢棒卷成圆环后采用X形支撑放在支撑的中间，在地震作用下，结构变形导致支撑产生往复作用力使圆环产生塑性滞回变形而耗能。
1983年Tyler RG[12]设计并进行了圆环阻尼器(如图2所示)性能试验，对装有圆环阻尼器的钢框架顶部施加低周反复荷载试验，结果表明圆环阻尼器具有良好的滞回性能。
1995年周云等[13]利用低碳钢板卷成圆环制作了圆环阻尼器，如图3所示，并对其进行了试验研究。试验结果表明：圆形阻尼器具有良好的滞回新功能，具有较强的耗能及变形能力，但却存在初始刚度和承载能力低的不足问题。为了克服其缺点，在圆环阻尼器的基础上又提出了“利用两个或多个耗能元件协同工作”的设计思想[14]制作了：双环软钢阻尼器、局部加强双环软钢阻尼器、加盖双环软钢阻尼器。循环加载试验表明：双环阻尼器具有较高的承载能力，同时具有较好的延性，是一种有广阔应用前景的阻尼器。
1999年，孙峰等[15]提出了多重耗能减震机制的思想，在圆环阻尼器的基础上加劲肋，设计处加劲圆环阻尼器。试验研究表明：加劲圆环阻尼器除了良好的工作性能外，还具有多重耗能减震防线的特性。
2012年，王涛等[16]提出局部削弱型圆环阻尼器，采用ABAQUS软件对不同尺寸的阻尼器进行分析。有限元分析结果表明：局部削弱型阻尼器较不削弱型在节省材料的基础上具有更好的耗能能力，并给出了合理的削弱范围(20%～30%)。
3.3 剪切钢板阻尼器
剪切钢板阻尼器是由Seki等人利用软钢板的剪切变形耗能原理而研制的一种阻尼器[17]。主要是由上下连接板和中间剪切耗能钢板通过焊接或螺栓连接组成，如图4所示。其耗能原理：在水平荷载作用下，由于结构层间产生大的变形，带动钢板发生剪切变形，产生塑性屈服来消耗传入的能量，从而达到耗能减震目的。
Yasumasa等人对剪切钢板阻尼器进行了低周反复加载试验[18]，剪切钢板阻尼器的材料采用屈服强度为219 MPa日本标准钢，在循环荷载作用下，该阻尼器的滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力。
1997年日本学者田中清等[19]针对腹板宽厚比剪切钢板阻尼器的影响，进行了往复水平荷载剪切试验，发现随着腹板宽厚比的增大，平面外失稳现象越明显，最终给出了最佳腹板宽厚比范围，保证了阻尼器的滞回能力。
2008年陈之毅等[20]利用ABAQUS软件，对软钢剪切阻尼器进行低周反复加载有限元分析，研究阻尼器的尺寸等对耗能能力的影响，给出了设计参数的取值范围(柔细比应在0.2～0.5之间)。
2011年杜德月等[21]通过对剪切钢板阻尼器构造和滞回曲线描述，介绍了其工作原理。引入工程算例，利用有限元软件模拟安装剪切阻尼器前后结构的顶点位移和层间位移角等参数的对比情况，证明安装剪切钢板阻尼器能够有效的起到耗能减震的作用，可应用于实际工程。
2012年张超锋等[22]为研究不同的腹板形状对集中应力现象的影响,对腹板进行中部变薄、条形压槽、开多孔等削弱方式，通过实验发现不同的腹板形状对应力集中现象有明显的影响。
2016年东南大学黄镇等[23]为防止剪切钢板阻尼器发生平面外屈曲现象，提出了肋板防屈曲、夹板防屈曲等改进方案。采用von Mises屈服准则建立力学模型，推导出阻尼器设计参数的计算公式。采用ABAQUS有限元软件建立阻尼器的有限元模型，模拟低周反复加载作用下的变形情况，并进行试验加载。通过对理论计算、模拟和试验结果进行比较，证明对剪切钢板阻尼器的防屈曲改进效果明显，具有较强实际使用意义。
4 结语
软钢阻尼器具有可靠、稳定的工作性能，通过耗能有效的减少主体结构的地震反应；软钢阻尼器可用于各种结构形式的建筑，既可用于新建建筑，又可用于现有建筑的抗震加固，并且对遭受地震损伤的结构进行修复；即适用于混凝土结构，也可用于钢结构，目前已经有学者将其应用于重型木结构中。软钢阻尼器具有许多优良性能，受到国内外学者和建筑工程界专家的广泛关注，已应用于大量实际工程中。
