程蓓， 邓炬， 李世伟， 蒋航军， 曾德民
（1北京建筑大学土木与交通工程学院，北京100044；
2中国建筑标准设计研究院，北京100082）
[摘要] 提出一种新型U型钢棒阻尼器，该阻尼器通过冷弯加工成型，通过高强螺栓安装在普通无铅芯橡胶隔震支座上发挥消能减震作用。首先通过一系列试验对U型钢棒阻尼器的耗能能力、延性、刚度和疲劳性能进行了研究，发现其具有良好的抗震性能。然后对由U型钢棒阻尼器和普通无铅芯橡胶隔震支座组合而成的新型橡胶隔震支座进行了剪切试验研究。试验结果表明，该新型隔震支座的等效水平刚度、屈服后刚度和屈服力等各项受力性能都比铅芯橡胶支座有了很大的提高。与铅芯橡胶支座比较，该新型隔震支座具有更好的耗能性能，可以广泛应用于隔震和减震工程中。
[关键词] U型钢棒阻尼器；隔震橡胶支座；消能减震
O 引言
采用隔震技术可以有效减小建筑物的地震反应。目前工程上常用的隔震装置是叠层橡胶垫隔震支座，它主要靠铅芯发挥耗能作用，但其阻尼和屈服力大小通常不能调节。金属阻尼器具有优良的耗能性能，应用较为广泛，如锥形钢悬臂阻尼器、加劲阻尼耗能装置等，金属阻尼器利用金属材料进入弹塑性范围以后良好的耗能性能控制结构的动力反应，保护主体结构。
本文首先提出一种新型U型钢棒阻尼器，该阻尼器采用Q235钢材，经冷弯工艺制作成型，通过一系列试验对U型钢棒阻尼器的耗能能力、延性、刚度和疲劳性能进行了研究。然后将这种U型钢棒阻尼器通过螺栓安装在不含铅芯的普通橡胶支座上，组成一种新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座，并对该新型橡胶隔震支座进行剪切试验研究。与普通铅芯橡胶支座的不同在于，该新型橡胶隔震支座可通过增减U型钢棒阻尼器的数量来调整隔震支座的阻尼力和屈服力等抗震性能。
1 U型钢棒阻尼器试验
1.1 U型钢棒阻尼器试件设计
由于地震方向的不确定性，要求U型钢棒阻尼器在任意水平方向都具有良好的耗能能力，且水平位移相同时各个方向的耗能能力接近，从而最大程度地发挥作用。根据U型钢棒阻尼器的受力性能，其由圆弧段、平直段和螺栓连接段三部分组成。U型钢棒阻尼器采用Q235钢材加工而成，钢材的应力，应变曲线如图1(a)所示，钢材存在一定的超强现象。根据工程需要，参照同高度的铅芯橡胶隔震支座的受力性能，确定了U型钢棒阻尼器尺寸，如图1(b)所示，U型钢棒阻尼器实体照片如图1(c)所示。所用连接螺栓是M30的10.9级高强螺栓，同时要保证螺栓连接具有足够的刚度和强度。
1.2 U型钢棒阻尼器试验方法
U型钢棒阻尼器安装在橡胶支座上时，螺栓连接段直接与橡胶支座上下连接板接触，平直段和圆弧段完全悬于支座之外。在加载过程中，平直段和圆弧段不受约束，自由变形。根据U型钢棒阻尼器的受力性能，所设计的试验装置如图2所示。水平加载设备采用卧式低周反复加载试验检测设备，拉压载荷最大为600t，行程为1 000mm。加载时，U型钢棒阻尼器下端通过螺栓固定在箱形钢立柱上，上端通过螺栓与加载装置相连，在加载过程中做复
运动。利用该装置考察U型钢棒阻尼器的耗能性能和变形能力。
1.3 U型钢棒阻尼器加载方法
本试验采用位移控制、渐增位移循环加载。由于该U型钢棒阻尼器属于位移相关型耗能构件，其加载速度对力学性能影响可以忽略不计，故采用频率一致的缓慢加载方式。为了考察U型钢棒阻尼器平面内和平面外的受力性能，分别在U型钢棒阻尼器平面内00和平面外900两个水平方向施加荷载，如图3所示。共对6个尺寸完全相同的U型钢棒阻尼器（UGB-1~UGB-6）进行试验，其中UGB-1~ UGB-3进行平面内加载，UGB4~UGB-6进行平面外加载。加载至最大位移后，UGB-1和UGB-4以210mm的位移幅值进行疲劳加载，直至U型钢棒阻尼器破坏，其他试件则以210mm的位移幅值进行10次循环加载。加载方法如图4所示。
2 新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座试验
为了研究新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座（带有U型钢棒阻尼器的无铅芯橡胶支座）的滞回曲线、耗能能力、水平剪切刚度和屈服力等受力性能，本文共对4个直径为400mm的新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座（编号为SJl~SJ4）进行了试验研究。每个新型隔震支座都对称装有4个U型钢棒阻尼器。根据加载方向的不同，分为45。方向加载和90。方向加载两组。SJ1和SJ2加载方向为90。，SJ3和SJ4加载方向为45。，如图5所示。依据《橡胶支座第1部分：隔震橡胶支座试验方法》(GB／T 20688.1-2007》对试件进行竖向压缩试验和水平剪压试验。试验所用仪器为压剪振液压伺服全自动试验机，试验装置如图6所示。
3 U型钢棒阻尼器试验结果分析
3.1 U型钢棒阻尼器主要试验数据分析
当U型钢棒阻尼器水平位移等于无铅芯橡胶隔震支座的橡胶总厚度的1倍、2倍和3倍时，分别称为100%水平位移、200 %水平位移和300qo水平位移，本研究所用无铅芯橡胶支座的橡胶总厚度为70mm，则这3个水平位移值为70，140，210mm。主要分析以这3个位移为幅值进行往复加载时钢棒的荷载、耗能和等效黏滞阻尼系数等受力性能。根据《橡胶支座第1部分：隔震橡胶支座试验方法》(GB／T 20688. 1-2007)，U型钢棒阻尼器水平加载时的屈服力等于以100%水平位移为幅值进行往复加载时零位移所对应的平面内0。和平面外90。两个方向荷载绝对值的平均值。
由表1可以看出，平面内加载时U型钢棒阻尼器的屈服力要明显高于平面外加载的，因此平面内受力的U型钢棒阻尼器能为橡胶支座提供更大的屈服力。对于最大位移对应的荷载，可以看出，在100%水平位移时，平面内加载U型钢棒阻尼器的最大位移对应的荷载要略高于平面外加载U型钢棒阻尼器。而随着位移的增大，平面内加载U型钢棒阻尼器的最大位移对应的荷载呈现下降趋势，而平面外加载U型钢棒阻尼器的最大位移对应的荷载呈上升趋势。这主要是因为平面内加载U型钢棒阻尼器比平面外加载U型钢棒阻尼器更早地发生了全截面屈服，并且随着位移的增加，U型钢棒阻尼器的平直段弯曲变形逐渐增大并在某一截面出现了塑性铰。平面外加载时，U型钢棒阻尼器主要通过平直段和圆弧段的弯曲以及扭转变形来消耗能量，变形情况比平面内加载时更加复杂。对于耗能，可以看出，当以100 %水平位移为幅值进行加载时，平面外加载的耗能值低于平面内加载，这是由于平面外加载时U型钢棒与螺栓之间存在相对滑动，造成耗能值降低。当以200%和300%水平位移为幅值进行加载时，这种相对滑动造成的影响程度逐渐降低，平面外加载和平面内加载的耗能值逐渐接近，大体上满足预期两个加载方向耗能值相等的要求。等效黏滞阻尼系数也是反映构件的耗能能力的一个重要指标。从表1中可以看出，平面内加载时U型钢棒阻尼器的等效黏滞阻尼系数大于平面外加载的，说明U型钢棒阻尼器在平面内加载时，具有更强的耗能能力。平面内和平面外加载时U型钢棒阻尼器的等效黏滞阻尼系数均在0. 35以上，说明U型钢棒阻尼器在两个方向都具有较强的耗能能力。
3.2试验现象
U型钢棒阻尼器在加载过程中的最大变形如图7所示，可以看出，U型钢棒阻尼器具有很强的平面内和平面外变形能力。平面内加载时，U型钢棒阻尼器平直段发生较大弯曲，说明U型钢棒阻尼器主要通过平直段的弯曲变形来消耗能量。平面外加载时，U型钢棒阻尼器则通过平直段和圆弧段的弯曲及扭转来消耗能量。
3.3滞回曲线分析
由图8的U型钢棒阻尼器滞回曲线可以看出，U型钢棒阻尼器在受力时都表现出良好的耗能性能，滞回曲线饱满，呈典型梭形，试件具有一定的初始刚度，在多次循环加载作用下，未出现强度和刚度的退化现象，满足抗震要求。U型钢棒阻尼器在平面内反复荷载作用下，随着位移的增大，强度都趋于平缓。而在平面外反复荷载作用下，强度则不断增加。平面内反复荷载作用下的滞回曲线都比平面外反复荷载作用下的曲线饱满。
3.4延性分析
U型钢棒阻尼器的骨架曲线如图9所示，平面内和平面外加载时的初始屈服点分别采用能量等值法和几何作图法确定，该点对应位移为初始屈服位移D，。平面内和平面外加载时的极限点取荷载下降至85%最大承载力时所对应的点，该点对应位移为极限位移D。，其中平面外加载时U型钢棒阻尼器没有出现承载力下降，取最大承载力点为极限点。延性系数p=D。/D，。
由图9可见，骨架曲线正负向基本对称，取骨架曲线正向计算延性系数，结果如表2所示。由表2可以看出，无论是平面内还是平面外加载，U型钢棒阻尼器的延性系数都高于延性破坏的一般要求（u=3~4），说明其具有良好的延性。
3.5刚度退化分析
U型钢棒平面内和平面外加载的刚度退化曲线类似，以UGB-1和UGB-4为例说明U型钢棒阻尼器的刚度退化情况，如图10所示。可以看出，U型钢棒在平面内和平面外加载情况下都具有较高的初始刚度，这对于保证建筑物在正常使用过程中抵抗风荷载等水平荷载是有利的。随着加载位移的增大，钢棒刚度在逐渐退化，没有发生刚度突然降低现象。加载完成后，钢棒仍具有一定刚度，可以为橡胶支座提供一定的屈服后刚度。
3.6 U型钢棒阻尼器疲劳性能
UCB-1和UGB-4在加载至最大位移210mm后，即以该位移幅值进行往复加载，UGB-1往复加载37次后在端部发生断裂，UGB-4往复加载40次仍未发生断裂，此时停止加载。U型钢棒最终破坏形态如图11所示。
UGB-1和UGB-4疲劳性能指标如表3所示，由表可以看出，U型钢棒阻尼器经过疲劳加载，以210 mm的位移幅值加载了30圈以上，其各项指标均有所下降，但降低率均在15%以内，满足《建筑消能减震技术规程》( JGJ 297-2013)要求。
4 新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座试验结果分析
4.1试验现象
对新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座进行剪切试验时，最大变形如图12所示。从图12(a)中可以看出，在90。方向加载作用下，随着橡胶隔震支座剪切变形的增大，4个U型钢棒阻尼器随之发生两种形式的大变形：与加载方向平行的U型钢棒，主要以弯曲变形来消耗能量；而与加载方向垂直的U型钢棒，以扭转变形来消耗能量。从图12( b)中可以看出，在45。方向加载作用下，随着橡胶隔震支座剪切变形的增大，4个U型钢棒阻尼器都随之发生弯曲和扭转相结合的大变形。
4.2滞回曲线分析
新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座的滞回曲线如图13所示。可以看出，在45。方向和90。方向加载情况下，新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座的滞回曲线都较饱满；并且随着位移的增大，构件的荷载和耗能能力不断增加，说明其具有良好的抗震性能。
4.3主要抗震性能分析
根据《橡胶支座第1部分：隔震橡胶支座试验方法》( GB/T 20688. 1-2007)和新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座的试验数据，计算得到新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座的抗震性能指标数值如表4所示。
由表4可以看出，支座在90。方向和45。方向加载时，各项性能指标较为接近，说明这两个方向的抗震性能接近，从而可以得出支座在任意水平方向具有相近的抗震性能，不存在方向性差异的结论。支座等效阻尼比在23%~30%之间，具有较强的耗能能力。橡胶支座具有较大的屈服后刚度，可以保证支座不产生过大的剪切变形。
表5给出了新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座与LRB400铅芯橡胶支座的各项抗震性能指标的对比。可以看出，对称安装有4个U型钢棒阻尼器的无铅芯橡胶支座在90。方向和在45。方向加载作用下，其等效水平刚度、屈服后刚度和屈服力约是LRB400铅芯橡胶支座的两倍左右。同时，其等效阻尼比也要高于LRB400铅芯橡胶支座，表现出了较强的耗能能力。在实际应用中，可通过增减U型钢棒阻尼器的数量来调节该新型支座的性能。
5 结论
本文提出一种新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座，通过分别对U型钢棒阻尼器和新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座进行试验研究，得出以下结论：
(1)U型钢棒阻尼器滞回曲线饱满，呈典型梭形，具有良好的耗能能力。其各个方向的耗能值接近，适宜安装在普通无铅芯橡胶支座上，在任意方向上均可发挥消能减震作用。
(2)U型钢棒阻尼器具有优良的延性和变形能力，非常适合作为耗能减震构件。
(3)U型钢棒阻尼器具有一定的初始刚度，有利于建筑物在正常使用过程中抵抗水平荷载，同时具有一定的屈服后刚度，可以保证橡胶支座不产生过大的剪切位移。
(4)U型钢棒阻尼器在最大加载位移幅值条件下，可以加载30圈以上，且最大位移对应荷载、零位移对应荷载、割线刚度、耗能等指标的降低率满足规范要求，具有良好的抗疲劳性能。
(5)由U型钢棒阻尼器与普通无铅芯橡胶支座组合而成的新型U型钢棒阻尼器隔震橡胶支座滞回曲线饱满，各个水平方向的抗震性能良好且不存在方向性差异。此新型橡胶隔震支座等效水平刚度、屈服后刚度、屈服力和等效阻尼比等抗震性能指标均高于同直径的铅芯橡胶隔震支座，具有较强的耗能能力。在实际应用中，可通过增减U型钢棒阻尼器的数量来调节该新型橡胶隔震支座的性能。
