新日铁关于抑制压曲的波形钢板减震器的研发

新日铁住金工程公司过去已经开发出抑制压曲支撑、钢棒减震器、剪切板减震器等钢制减震器，这些减震器提高了建筑物和...





新日铁住金工程公司过去已经开发出抑制压曲支撑、钢棒减震器、剪切板减震器等钢制减震器，这些减震器提高了建筑物和钢结构的抗震性。本文介绍了新日铁最新开发的抑制压曲的波形钢板减震器的有关性能，针对波形钢板形状与负荷－位移曲线关系进行了解析研究，并对钢制减震器施加动负荷试验，以考察钢制减震器的动态特性和负荷速度的关系。

东日本大地震后，新日铁公司针对建筑物和钢结构在长时间、持续性地震发生时的安全性进行了研究。其中对在大都市近郊发生大地震时，建筑物和钢结构安全性进行了特别研究，研究结果表明，需要开发出耐久性更高的减震器。

对于桥梁来说，保证地震时的道路畅通十分重要。因此，防止地震时桥梁坍塌是最重要的课题。过去防止地震时桥梁坍塌的方法是，利用链条、钢绳等防止地震时桥梁桁架的塌落。由于这些方法没有减震功能，在地震力的作用下，会发生桥梁部件损坏和桥梁桁架从支撑部脱落，从而引起灾难性后果。虽然这些方法防止了桥梁的坍塌，但修复作业需要很长时间。因此，从保证运输和各项工作有序进行的角度来说，提高桥梁的抗震性比提高修复性更重要。

根据上述要求，新日铁住金开发出桥梁用抑制压曲的波形钢板（Buckling-Restrained Rippl ed Plat e Damper：BRRP ）减震器。该减震器连接桥梁桁架和桥墩，具有良好的耐久性，并且可以大量吸收地震冲击力。

1抑制压曲的波形钢板减震器



1.1抑制压曲的波形钢板减震器开发思路

抑制压曲支撑是将平板芯材作为地震能的吸收部件，并对支撑进行拘束，使支撑在受到压缩变形时，不发生压曲。这种抑制压曲支撑是新日铁住金公司和其他公司开发的减震器。这种减震器有效利用了芯材断面，是减震功能高、经济性好的减震器。但这种减震器在反复变形时会发生局部应力集中，根据由减震器部件伸缩量计算得到的公称应变，减震器反复允许应变量是3%。因此，在将这种减震器用于桥梁时，减震器要做的很大，因此安装空间受到一定限制。

剪切板减震器，是在平板上焊接补强钢筋，抑制切变压曲，利用剪切板切变变形吸收地震能的减震器。这种减震器的宽厚比小，根据这个结构特点，已经用于桁架端部减震器。这种减震器存在的问题是，反复变形时的应变硬化，导致减震器负荷升高和补强钢筋产生局部应力集中。



新日铁在过去开发减震器的基础上，提出了新型抑制压曲的波形钢板（BRRP ）减震器的开发方案。

抑制压曲的波形钢板减震器的结构特点是，吸收地震能的芯材由过去的平板，改为波形板，并在波形板芯材周围配置钢制拘束材。防止芯材的压曲。由于将芯材做成波浪形，抑制了芯材的大伸缩和局部应力集中，提高了芯材的反复变形功能。并且通过调整芯材波形形状（板厚、波长、波高等），可以自由设定减震器的负荷和变形特性。

以下以BRRP减震器功能为重要参数，即拘束材和波形芯材之间的间隙为例进行说明。预备试验表明，芯材波形钢板在压缩变形时，波形部位发生膨出，如果不预先留出相应的间隙，压缩时波形部位会发生堆积（如图1）。因此，设定适宜的拘束材和波形芯材之间的间隙十分重要。

1.2BRRP减震器在桥梁上的应用

为使BRRP减震器能够用于桥梁，BRRP减震器的结构应是两点连接结构，连接的部位是上桁架、桥墩、桁架等桥梁支撑部。为此，将波形钢板端部固定在拘束材上，在拘束材下面有钢基板，并将钢基板安装在桥墩上，波形板的另一端与桥梁桁架相连接（如图2、图3）。这种减震器在平时和发生一级地震前，处于固定状态或准固定状态，在发生二级地震时，发挥减震功能，吸收地震能。超过二级地震时，拘束材抑制桥梁桁架，发挥止动器作用。由于这种减震器的两级保护功能，即使发生超过预计震级的地震时，也可以大大降低地震能的破坏作用，有效减少桥梁的损伤程度。

1.3钢制减震器性能研究



对于钢制减震器主要应进行以下两项性能核查：

1）极限应变（最大变形）核查

γ·ε）amax≤εu

2）低周波疲劳（反复载荷）核查

γ·CID = γ∑|εpi|

≤CID）l im

n n Δpi

CID = ∑εpi=∑——

i=1 i=1 L0

式中，ε）amax：平均应答应变最大值；εu：极限应变；CID：累计塑性变形；εpi：平均应答应变的塑性成分；CID）l im：累计塑性变形极限值；γ：安全系数。

对于桥梁用钢制减震器来说，最大应变εu=0.03，累计塑性变形极限值CID）l im=0.7时，可以保证3次二级地震的抗震功能。

除了上述1）、2）两点，BRRP减震器固有的要求是，压缩变形时负荷－位移曲线的稳定性。这是因为，虽然在波形钢板和拘束材之间设定了间隙，防止压缩时波形芯材的堆积，但在有些波形的情况下，压缩变形时，负荷－位移曲线不稳定，不能获得要求的反复变形特性。

根据以上所述，本文钢制减震器的性能研究，首先进行波形钢板形状与负荷－位移曲线关系的解析研究；然后进行对钢制减震器施加动负荷的试验，考察钢制减震器的动态特性和负荷速度的关系。

2波形钢板形状解析研究



2.1波形参数设定和解析模型

波形钢板形状解析研究的目的是，确定波形钢板的最佳形状。波形钢板的最佳形状的条件是：①稳定的负荷－位移曲线；②局部应变最小化；③抗震屈服强度高。波形钢板解析形状是凸凹圆弧相等的形状，解析参数是圆弧曲率和圆弧高度。

解析波形钢板厚度t=9mm、波形形状共计12种：内径/板厚r/t=2.5、3.5、4.5，波高2A=15、25、35、45mm。解析模型的高度h=50mm，是实际桥梁减震器的1/10。解析波形钢板减震器的长度L0=450mm（如图4）。波形芯材的屈服强度σy=335MPa、弹性系数E=2.06×105MPa、泊松比ν=0.3。为防止拘束材变形，拘束材的刚性是芯材的1000倍。解析方法是大变形弹塑性解析，假定条件是材料结构为双线性移动硬化型。解析模型（如图5）的状态是，对芯材实施单轴压缩力使芯材表面与拘束材表面接触。



2.2 解析结果

表1给出了各解析参数和芯材压缩变形40mm时的减震器负荷、最大局部应变，以及根据减震器长度和压缩变形40mm计算出的公称应力、波形形状。

从表1可知，2A值越小，减震器负荷越大，芯材局部应变越大。2A值小时，芯材压缩时的负荷－位移曲线不稳定，2A值增大，芯材压缩时的负荷－位移曲线出现稳定状态。此外，从表1可知，2A值增大，芯材局部应变也变大，并且d/2A 为1.24-1.46时，局部应变小于公称应变。局部应变与r/t无关，2A值越小，局部应变越大。



根据低周波疲劳的Manson-Coffin公式，减小芯材局部应变有利于提高疲劳特性。因此推测，在d/2A=1.2-1.5、r/ t=2.5-3.5时，可以获得稳定的芯材压缩负荷－位移曲线和抑制芯材局部应变，从而提高减震器对反复负荷的耐久性。

3静态负荷试验

3.1静态负荷试验体

为了对上述解析结果进行验证，进行了静态负荷试验。静态负荷试验体用材是SS400，弯曲加工成试验体后，对试验体进行退火处理（SR），以消除弯曲加工残余应变。试验体的结构是桥梁用减震器结构。设定的桥梁情况是，在跨距30-40 m的桥梁桁架端部安装3-4个减震器。设定减震器极限位移为40mm，选定波性形状，使每个减震器的最大负荷为400kN。



在这种设定条件下，试验体的试验条件有以下两种。

◆试验条件1（PA-151-2.5）是，板厚t=25mm，d / 2 A = 1 . 2 7，r / t = 2 . 5，d=19.82mm，2A=151mm。

◆试验条件2（PA-26-2.5）是，板厚t=9mm，d / 2 A = 1 . 5 8，r / t = 2 . 5，d=412mm，2A=26mm，板宽B=500mm。

根据加工性和施工性便利的要求，试验条件1的试验体是板宽为90mm的5片波型板在试验体高度方向上叠放的结构（90mm×5片=450mm）。

3.2静态负荷试验方法和试验结果

通过固定在负荷机架上的油缸（±1000kN），将水平负荷施加在试验体高度的中心线上。



试验进行的方法是逐渐增大油缸位移，来逐渐增加负荷。试验结果和解析结果绘制在一起，通过渐增负荷试验，可以确认，试验条件1的试验体显示出非常稳定的负荷－位移曲线。试验条件2的试验体在压缩变形时负荷－位移曲线紊乱。在反复负荷增减过程中，变形形状混乱。试验体凸凹部产生裂纹，导致负荷下降并将试验载荷停止。试验条件2的d/2A大于试验条件1、2A小于试验条件1，因此，本试验结果证实了前面的解析结果。

对稳定的负荷－位移曲线的试验条件1试验体，进行了低周波疲劳试验。试验得到的累计塑性变形能CID）l im=6.8大大超过钢制减震器累计塑性变形能的规定值0.7。

4动态负荷试验

4.1动态负荷试验体



在上述的静态负荷试验证实解析结果的基础上，进行了动态负荷试验以证实前面的解析结果。此外，还利用动态负荷试验查明钢制减震器的动态特性和负荷速度的关系。

动态负荷试验体是静态负荷试验中稳定负荷－位移曲线的试验条件1的试验体。根据负荷装置的动态负荷大小，将波形试验体在高度方向上的片数由5片变化到2片（宽度90mm×2片=180mm）。波形试验体的最大负荷为190kN（振幅±40mm）。

试验体用材是SS400B，冷弯加工后进行退火处理（SR），然后进行热镀锌（HDZ55）试验。

4.2动态负荷试验方法

利用新日铁住金工程公司的可施加动态负荷的水平载荷装置进行本研究的动态负荷试验。利用该装置的油缸将动态水平负荷反复施加到移动架台。在油缸上安装负荷传感器，在波形试验体上安装应变仪，分别对负荷和位移进行测量，了解动态负荷时的负荷－位移特性。

动态负荷试验方法如下。动态负荷频率有3种，每种频率按照规定的位移（±40mm）反复进行11次动态负荷。根据每种频率条件下的负荷－位移特性计算出试验体的平均等效刚性和平均等效衰减常数。根据试验装置的能力，设定动态负荷频率为0.2、0.3、0.6Hz（周期为5.2s、3.1s、1.6s）。为了与静态负荷进行比较，在动态负荷施加前后，各施加一次静态负荷。在试验体的凹部内侧表面，贴付应变仪，贴付位置如图6所示。

4.3动态负荷试验结果

4.3.1负荷-位移回线试验

通过单纯静态负荷的负荷－位移回线可以看出，最大位移时的试验体负荷随着试验负荷施加的进行逐渐下降，但其负荷－位移回线是稳定的纺锤形回线。从单纯动态负荷的负荷－位移回线可知，随着试验负荷施加频率的增加，受试验机松动的影响，发生试验体压缩侧无负荷时的滑动和回线紊乱，但各种动态负荷时的负荷－位移回线基本相同。从试验可以看出，静态负荷和动态负荷的负荷－位移回线基本相同，因此，静态负荷和动态负荷下的负荷－位移特性没有区别。从第一循环静态负荷时的负荷－应变回线图分析可知，波形钢板中间（4、5、6号应变仪）的应变大于波形钢板两端（1、2、7、8号应变仪）的应变。波形钢板应变最大值约为±40000μ（4%）。根据波形钢板变形量计算出的公称应变是ε=40mm/699mm×100=6%。波形钢板应变最大值小于公称应变的计算值ε。

4.3.2 减震器动态特性的负荷速度依存性检验

图7是单纯动态负荷时最大拉伸·压缩位移的试验体的负荷值曲线（Peak-Val l ey曲线）。根据该图可知，在各种动态负荷下，试验体负荷值没有特别大的变化，而是缓慢下降，显示出试验体负荷值稳定的特性。图7是以累计反复次数为横轴，标出表2的静态、动态各负荷阶段的吸收能计算值的图形。从表2的数值和图7可以看出，试验体在全负荷过程中均匀吸收能量。检验结果确认减震器动态特性与负荷速度没有依存关系。

4.3.3负荷试验后对试验体的观察

负荷试验后将试验体从试验装置中取出，检查试验体的损坏情况。检查结果是，试验体凸凹面的凸部完全无损坏，试验体中间凸部表面有条状裂纹。这是反复弯曲变形的结果。但也显示出试验体良好的耐反复弯曲特性。

5 BRRP减震器的桥梁应用研究

5.1解析研究

解析研究的减震器结构是前述的试验条件1的试验体，但波形芯材是90mm×6片。确定这种试验体是为了使波形芯材的屈服强度大于1级地震时水平弯曲力的设计值。在桥梁桁架端部各安装3个减震器。解析用模型是根据试验得到的负荷－位移回线，进行双线性近似的模型，输入地震动能是2级地震。

5.2解析结果

根据BRRP减震器的负荷－位移曲线和BRRP减震器的累计塑性应变的试验结果可知，BRRP减震器的最大应答位移在极限位移±40mm以下，累计塑性变形CID小于低周波疲劳试验得到的累计塑性变形极限值CID）l im=6.8。因此是安全的。

6结论

本文对新开发的抑制压曲的波形钢板（BRRP ）减震器进行了解析研究、静态试验和动态试验研究，并对桥梁应用进行了概略解析研究。

对波形钢板进行动态试验时，得到的负荷－位移回线形状与静态试验得到的负荷－位移回线基本相同，说明BRRP减震器的负荷－位移特性与负荷速度没有依存关系。研究证明，BRRP 减震器对于负荷具有稳定的能量吸收功能，在负荷作用下，没有发生负荷急剧下降的情况。BRRP 减震器达到桥梁减震器的要求性能。

End

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