徐荣荣，陶忠*，戴必辉,2，戴金沙，赵聪，杨林
(1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；
2.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224)
我国农村地区依旧存在大量的传统木结构建筑房屋，这些具有鲜明特色的地域建筑形态多样、文化丰富[1]，是乡村建设行动中需要重点保护和发展的对象。前期研究表明，这类房屋在长期使用后常常因为榫卯节点松动、糟朽或虫蛀而导致房屋抗震性能欠佳[2]，历次地震中往往受损严重。因此，在提升既有木结构建筑整体抗震性能方面，围绕榫卯节点加固的研究取得了一定进展，开发出了多种加固方法。
薛建阳等[3]对榫卯节点进行低周反复加载试验，得到了榫卯节点的相关抗震性能指标，利用创建的有限元模型分析梁截面高度和栓子截面尺寸对榫卯节点的影响。熊海贝等[4]通过进行单调加载足尺穿斗式木结构模型的试验，研究其榫卯节点、柱脚等相关性能。王博等[5]利用ANSYS进行数值模拟，分析穿斗木结构静力反应、动力特性、不同强度地震下的响应特性，并提出在中柱间设置剪刀撑，在梁下设置枋等措施来提高穿斗木结构房屋的抗震性能。周云等[6]发明了一种梁柱节点加固扇形铅黏弹性阻尼器，可直接安装在框架结构梁与柱下腋或和上腋内达到框架结构梁柱节点的抗震加固目的。陶忠等[7]在榫卯节点安装黏弹性阻尼器，通过试验表明其有助于改善结构的抗拔榫能力。
本课题组研究的穿斗木构架针对结构梁柱榫卯节点在地震下极易损坏的特点研制出适用于木结构的新型扇形黏弹性阻尼器，既能加强榫卯接点连接，还能节约建筑空间。
本文主要介绍2种形制的扇形黏弹性阻尼器的主要构造和工作机制，采用ABAQUS软件建立阻尼器模型并对其数值进行比较分析，研究添加钢板、橡胶块后的SX-2阻尼器相比较于SX-1阻尼器耗能性能和阻尼特性的影响。
扇形黏弹性阻尼器由橡胶层、约束钢板、剪切钢板组成，具体构造见图3和图4。
表1 试件设计尺寸及参数Tab.1 Test-piece design size and parameters
图1 SX-1黏弹性橡胶阻尼器Fig.1 SX-1 viscoelastic elastomeric damper
图2 SX-2黏弹性橡胶阻尼器Fig.2 SX-2 viscoelastic elastomeric damper
图3 SX-1黏弹性橡胶阻尼器构造图Fig.3 Structural diagram of SX-1 viscoelastic elastomeric damper
约束钢板、剪切钢板均采用Q235钢，橡胶层采用高阻尼丁苯橡胶，橡胶层与各个钢板间通过高温高压硫化而成，黏接紧密，具体材料特性见表2。本课题组研究的2种形制阻尼器均是以螺栓直接安装于木结构梁或枋和柱相连的节点区，钢板与梁、柱通过长螺杆螺栓固定。构造简单、美观，施工方便。试件采用位移控制加载法，电液伺服作动器控制工字钢梁的梁端，由电液伺服作动器施加竖向循环反复荷载带动工字钢梁往复运动，如图5所示。
图4 SX-2黏弹性橡胶阻尼器构造图Fig.4 Structural diagram of SX-2 viscoelastic elastomeric damper
表2 材料属性Tab.2 Material properties
周云等[8]设计的扇形铅黏弹性阻尼器利用铅(剪切挤压滞回变形)和黏弹性复合材料(剪切滞回变形)进行耗能。本课题组研究的SX-1形制扇形黏弹性阻尼器的耗能机制是利用橡胶材料剪切或挤压屈服后产生塑性变形，应用于震区的木结构房屋可减小震害，提供足够的木结构侧向刚度和恢复力[9]。SX-2形制扇形黏弹性阻尼器在地震作用下钢板相对转动使其间的黏弹性橡胶材料剪切变形，消耗地震能量。通过重点研究阻尼器的滞回曲线饱满程度、耗能系数(ψ)以及等效黏滞阻尼比(ξ)3个指标，便可以在宏观上观测到不同阻尼器耗能能力的差别。
滞回曲线是在反复荷载作用下结构的应力-应变曲线，滞回环面积越大，耗散能量越多，耗能能力越强。橡胶阻尼器在一定范围内的循环荷载作用下，内部橡胶材料保持超弹性变形[9-10]，扇形黏弹性阻尼器的力学行为可近似地取为双线性滞回模型(图6)。
耗能系数[11](ψ)是指一个加载周期内所耗散的能量与加载位移最大处所具有弹性势能的比值。可参照图6和式(1)进行计算。
(1)
等效阻尼比[11](ξ)表示阻尼器减震耗能作用的一个重要指标,也是线性反应谱分析的重要参数。可参照图6和式(2)进行计算。
(2)
图5 加载装置示意图Fig.5 Schematic diagram of loading equipment
图6 双线性滞回模型图Fig.6 Hyperolic hysteresis loop model
3.1 分析模型
为了研究2种形制的扇形黏弹性阻尼器的滞回耗能性能差异，采用ABAQUS有限元软件对2个阻尼器试件进行数值建模分析。参考文献[11-12]进行计算假定、单元划分和选取等。
“夫缀文者情动而辞发”不少课文蕴涵着丰富的情感，有强烈的感染力，能够引起学生的共鸣。教师应深入细读文本，引导学生熟读体会，与文本产生共鸣，为情所动，让心中涌动的情感不吐不快。如教学《地震中的父与子》时，教师结合洛杉矶地震、四川大地震的有关报道和影片，引出小练笔：此时，眼前是——（学生：无边的黑暗），耳边不停传来——（学生：孩子的哭声），一个7岁的孩子，他害怕吗？他恐惧吗？他在想什么？他能干什么？请你写一写。
根据阻尼器的构造和相应的设计参数，其有限元模型通过拉伸方式创建各个部件的三维实体模型。钢板和橡胶层分别赋予对应的材料属性；
试件中的约束钢板和中间剪切钢板定义为解析刚体；
最后将所有部件组装成为一体，如图4所示。所有的钢板采用八节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)分析，橡胶层则采用三维八节点六面体杂交单元(C3D8H)进行模拟。2组试件的实体模型如图7、图8所示。
图7 SX-1模型图Fig.7 SX-1 model diagram
图8 SX-2模型图Fig.8 SX-2 model diagram
约束钢板、剪切钢板均采用Q235钢，给出相应的材料属性，处理为线弹性材料[11]；
超弹性橡胶属于近似不可以压缩材料，力学模型可采用经典的Mooney-Rivilin模型[12]，采用此模型建立橡胶的本构必须输入C10和C01以及D1这3个参数，C10和C01为橡胶硬度，D1为体积模量，确定C10和C01数值后对应选取E∞，据公式D1=2/E∞确定D1。各材料属性[12-14]按照表2的数值输入。
黏弹性层(橡胶层)与钢板之间采用面面接触的绑接(Tie接触)。阻尼器的所有约束钢板的连接部位均采用固接形式。在剪切钢板顶部设置耦合点并进行加载，通过剪切钢板带动复合黏弹性层对黏弹性橡胶阻尼器实施循环加载。加载方式均施加低周往复荷载，如图9所示。
3.2 数值分析
3.2.1 滞回性能的分析
通过有限元模拟，得到在同一位移加载方式下的2组阻尼器弯矩-转角位移(M-θ)滞回曲线，如图10所示。
t/s图9 幅值加载曲线Fig.9 Amplitude loading curve
θ/rad(a)SX-1试件
由图10中2个试件的滞回曲线可以看出，黏弹性阻尼器的滞回曲线呈反向S形，SX-2阻尼器试件相较于SX-1阻尼器试件滞回曲线更加饱满，耗能能力更强。在转角位移作用下，剪切钢板带动橡胶层进行转动，从滞回曲线总体来看，随着变形的增大，阻尼力不断增大，扇形黏弹性阻尼器充分利用了黏弹性材料的剪切滞回变形机制耗能，耗能性能好。通过对比SX-1和SX-2滞回曲线图，同一个转角位移加载下SX-2滞回环面积比SX-1增大了54.07%；
SX-1和SX-2在最小转角位移幅值作用下的耗能分别为0.10和0.20 kN·mm，SX-2为SX-1的2倍；
最大转角位移幅值作用下的耗能分别为24.00和45.36 kN·mm，后者为前者的1.89倍；
SX-2滞回曲线将SX-1滞回曲线完全包络，表明改良后的阻尼器耗能能力得到增强。
3.2.2 耗能系数分析
将2组阻尼器在同一加载方式作用下滞回曲线各峰值点连线得出阻尼器的骨架曲线，如图11所示。从骨架曲线及滞回曲线面积计算出耗能系数和等效阻尼比，可知SX-2阻尼器相较于SX-1阻尼器具有更好的耗能能力；
并且随着剪切变形的增加，黏弹性橡胶阻尼器的最大阻尼力也会有所增加。
θ/rad图11 SX-1、SX-2骨架曲线Fig.11 Skeleton curve of SX-1 and SX-2
图12为SX-1和SX-2阻尼器的耗能系数随加载幅值的变化曲线。可以明显发现，在整个转角位移幅值作用下，位移加载幅值较小时，SX-1和SX-2耗能系数的数值均较小，耗能系数随着加载位移幅值的增大而逐渐增大，并且改良后的SX-2试件耗能系数要大于SX-1试件阻尼器。
θ/rad图12 SX-1和SX-2耗能系数Fig.12 Energy dissipation coefficient of SX-1 and SX-2
如图13所示，在转角位移幅值较大的情况下，SX-2试件的耗能系数较SX-1试件的耗能系数分别高出6.82%，5.83%，2.64%，6.43%，16.75%，革新后的黏弹性阻尼器的耗能系数得到提高，并且在较大位移幅值加载情况下增幅更大，可见，SX-2阻尼器的耗能能力更好。
θ/rad图13 SX-1、SX-2位移幅值为0.08～0.12 rad下的耗能系数Fig.13 Energy dissipation coefficient of SX-1 and SX-2 with displacement amplitude of 0.08-0.12 rad
3.2.3 等效阻尼比分析
SX-1和SX-2阻尼器的等效阻尼比随加载幅值的变化曲线如图14所示，在整个转角位移幅值作用下，位移加载幅值较小时，SX-1和SX-2等效阻尼比均较小，等效阻尼比随着加载的位移幅值增大而逐渐增大，并且改良后的SX-2试件等效阻尼比要大于SX-1试件阻尼器。
θ/rad图14 SX-1、SX-2等效阻尼比Fig.14 Equivalent damping ratio of SX-1 and SX-2
如图15所示，在转角位移幅值较大的情况下，SX-2试件的等效阻尼比相较于SX-1试件增幅分别为1.12%，0.93%，0.18%，0.38%，1.50%，在最大位移幅值加载下，SX-2的等效阻尼比为11.33%，是SX-1的1.15倍，相比SX-1的等效阻尼比增加了1.50%。由此可以得出改良后黏弹性橡胶阻尼器等效阻尼比得到增大，耗能水平更加明显。
θ/rad图15 SX-1、SX-2位移幅值为0.08～0.12 rad下的等效阻尼比Fig.15 Equivalent damping ratio of SX-1 and SX-2 with displacement amplitude of 0.08-0.12 rad
通过同一种转角位移加载作用下模拟分析两代扇形黏弹性阻尼器，可以初步得出以下结论:
(1)SX-2形制的扇形黏弹性阻尼器滞回曲线更饱满，耗能能力强，具有较大的变形能力。
(2)在整个转角位移幅值作用下，位移加载幅值较小时，耗能系数和等效阻尼比变化幅度很小，基本处于同一水平阶段，说明在外力作用较小时，该扇形阻尼器基本不发挥作用。但整体上扇形黏弹性阻尼器耗能系数及等效阻尼比均随着位移加载幅值的增加而增大。
(3)SX-2形制的黏弹性橡胶阻尼器的耗能系数及等效阻尼比相较于SX-1阻尼器均得到提高，阻尼器耗能能力得到提高。
扇形黏弹性阻尼器滞回性能稳定、耗能能力强，利用耗能机制和耗能材料进行耗能，不仅可用于新建木结构，也可用于既有传统木结构的加固。本文所论述的SX-2阻尼器相较于SX-1阻尼器，其耗能系数和等效阻尼比均有增强，说明SX-2阻尼器得到了较好的改良，能够更好地提高传统穿斗木构架的抗震能力。
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