不锈钢管铅阻尼器(Lead-filled steel tube damper,简称LFSTD)由不锈钢管、铅芯、连接环及连接板四部分组成。

不锈钢管铅阻尼器是周云教授基于多种耗能机制共同耗能的思想[65],提出的一种构造简单,耗能机理明确且具有各向耗能能力的金属组合式耗能器。基于局部削弱相当于其它部分加强的思想,不锈钢管中部采用抛物线形式进行削弱,使得阻尼器的变形和耗能集中在中部,避免阻尼器由于端部连接破坏而使阻尼器过早退出工作。铅芯可直接置于不锈钢管中间,无需经过焊接处理,通过连接环与不锈钢管和端部连接板的焊接以实现阻尼器各部分间的连接。

文献通过建立有限元模型分析了不锈钢管铅阻尼器的力学性能以及阻尼器不同设计参数对其性能的影响。结果表明:不锈钢管铅阻尼器的滞回耗能性能优异且稳定;高宽比、厚径比、加强厚度比对其力学性能指标,如屈服位移、屈服承载力、初始刚度等具有较大的影响,加强长度比和挤压率对各性能指标影响不大。

文献[68]研究了不锈钢管铅阻尼器的力学模型,给出了双线性力学模型的简化计算方法。文献[69]对两个不锈钢管铅阻尼器试件进行了低周往复试验,并建立了与试件尺寸相同的有限元模型对其工作性能、耗能能力和破坏特征进行研究。研究结果表明:滞回曲线对称且饱满,耗能效率高,具有优异且稳定的耗能能力;阻尼器在约1mm位移下即进入屈服耗能,屈服后变形能力强,延性比大于20不锈钢管中部的合理削弱使阻尼器的变形和耗能集中在中部。

针对上述试验中其中一个试件出现端部过渡段位置发生破坏的现象,提出新的过渡段构造,由原等厚度的构造优化改进为厚度渐变的过渡形式。采用ABAQUS有限元软件对厚度渐变的过渡段构造形式进行验证,结果表明优化改进后的过渡段构造能够进一步改善阻尼器端部的受力形式和整体的破坏特征,以实现将阻尼器的变形和耗能集中在中部削弱部分的目标[70]。通过有限元软件对过渡段经过改进优化后的不锈钢管铅阻尼器进行分析,研究各设计参数对阻尼器滞回性能和塑形应变分布的影响。结果表明:不锈钢管和铅芯作为主要耗能原件,能够协同工作,共同耗能,不锈钢管铅阻尼器的传力机制和耗能机理明确。不锈钢管进入塑性状态后,不锈钢管和铅芯的耗能比例很快趋于稳定;厚径比、削弱比和高径比对其力学性能影响较大,通过参数分析给出了各设计参数的建议取值范围[71]。在此基础上,设计了7不锈钢管铅阻尼器试件进行低周往复试验,研究结果表明:削弱比、厚径比和高径比对不锈钢管铅阻尼器的力学性能和破坏特征影响较大,为了保证阻尼器的屈服耗能和塑形变形主要集中在中部削弱部分,应避免出现弯曲破坏。

为研究不锈钢管铅阻尼器的疲劳性能及抗过载能力,对不锈钢管铅阻尼器进行疲劳往复加载试验。结果表明:不锈钢管铅阻尼器在设计位移下进行循环加载时,各项疲劳性能指标均能够满足JGJ 297-2013《建筑消能减震技术规程》中对金属阻尼器疲劳性能规定的要求;在2倍和1.5倍设计位移下进行循环加载时,阻尼器能够承受一定循环次数的加载,疲劳性能良好;经历偶然过载后仍能承受一定次数的循环加载,抗过载能力强;不锈钢管铅阻尼器在疲劳性能试验中的破坏形式与常规性能试验一致。

基于上述研究基础及成果,周云团队对带加强环的不锈钢管铅阻尼器进行了进一步的优化和改进,提出了新型不锈钢管铅阻尼器。将阻尼器上下连接板变为凹型端板,不锈钢管两端可直接嵌入端板凹槽,无需使用加强环进行嵌套连接。阻尼器过渡段由厚度渐变的直线构造调整为反向抛物线形式,以提高过渡段强度并实现与中部削弱段和端部连接段的连续过渡。新型不锈钢管铅阻尼器的构造更加简单,同时过渡段与连接段间不存在焊缝,进一步改善了阻尼器的应力分布状态。

邓智采用有限元分析与理论推导相结合的方法对新型不锈钢管铅阻尼器的力学性能及应用开展了以下研究:(1)通过有限元分析研究了新型不锈钢管铅阻尼器的耗能机理以及不同设计参数对其力学性能的影响规律,给出各设计参数的合理取值范围,为新型不锈钢管铅阻尼器的设计提供依据;(2)对复杂受力状态下的新型不锈钢管铅阻尼器进行了有限元模拟分析,结果表明其在各种复杂受力状态下均表现出优异且稳定的工作性能;(3)对新型不锈钢管铅阻尼器的各力学参数,如初始刚度、初始屈服承载力、屈服位移等的计算方法进行研究,给出了相应的理论公式;(4)对装有不锈钢管铅阻尼器结构的设计方法进行研究,给出了附加不锈钢管铅阻尼器结构的分析方法。