5.1.2.1　试件设计

笔者以波形钢板放置形式和钢材的屈服强度为变量，共设计了4个波形钢板阻尼器试件，分别命名为CSPD-1、CMSD-1、CSPD-2和CMSD-2。试件CSPD-1和试件CMSD-1的外部构造相同，试件CSPD-2和试件CMSD-2的外部构造相同。4个试件均由中间4块波形板与上、下端板焊接而成，试件加工中使翼缘和两边腹板各留1 cm的空隙以便于加载过程中充分发挥各自的变形能力，翼缘和腹板均反对称布置。该阻尼器试件的设计样式与尺寸如图5.3和图5.4所示，其具体的几何参数如表5.4所示。

图5.3　阻尼器构造示意

图5.4　阻尼器尺寸示意

表5.4　波形钢板阻尼器试件的基本参数

5.1.2.2　加载方案

本次试验选择低周反复荷载试验的方法进行试验。本次试验的加载示意如图5.5所示，试件与底梁通过4个高强螺栓连接，为保证底梁在加载过程中不会移动，试件两侧放置2道压梁，试件与MTS加载头通过1个工字形加载梁连接，采用电液伺服结构实验机在各试件上部工字梁一侧施加低周反复荷载（拟静力试验）。水平反复力由支撑在反力墙上的水平作动器提供，作动器一端与反力墙相连，另一端与加载梁侧端相连，定义与反力墙相连的一侧为西侧，与加载梁相连的为东侧。

图5.5　加载装置

根据设计要求，本试验采用力-位移混合控制加载制度，在试件屈服前，利用力控制加载制度，每一级循环1圈；在试件屈服后，利用位移控制加载制度，每一级循环3圈。试验中根据数据采集终端上显示的滞回曲线判断是否达到屈服状态（即荷载-位移曲线是否出现明显的转折），直至荷载下降至最大荷载的85%左右或试件不能再继续受力时认为构件破坏，加载终止。加载整个过程见图5.6。

图5.6　加载制度

测试内容如下：①试件的恢复力特性；②试件的面外变形；③试件的特征点荷载值。

具体数据采集时，由于低屈服点钢后期变形较大，会产生应变花和应变片脱落的现象，所以在本次试验中，为保证后期数据的顺利采集，在腹板和翼缘采用了近乎满贴的形式。其中，左右翼缘和前后腹板的应变片和应变花均为对应的反对称布置。

以试件CMSD-1为例，首先在试件腹板的2个波形面布置2个位移计，测量其面外变形程度，在上端板下侧布置1个位移计，测量其竖向位移；在翼缘中间的水平方向布置1个位移计，测量翼缘的鼓曲程度；在上端板背面水平方向布置1个位移计，用以测量试验过程中的面外扭转程度。应变片和位移计的布置如图5.7和图5.8所示。

图5.7　试件的应变片及应变花布置示意

图5.8　试件的位移计布置示意

5.1.2.3　试验结果

（1）试验现象

试件CMSD-1与试件CSPD-1的结构形式相同，其变形相似，以试件CMSD-1为例。试件CMSD-1在试验中的变形特征如图5.9所示。本次试验定义推力为正，拉力为负。在加载初始的荷载控制阶段，第一级加载数值为+10 kN，后续每一级的加载制度比前一级多10 kN。前5级加载，试件均无任何变形，处于弹性阶段，直至加载到+60 kN时，南北腹板发生轻微面外变形；当加载到-60 kN时，南北腹板又回至原位；当加载到90 kN时，数据采集室设备上的荷载-位移曲线出现明显拐点，此时认为试件开始屈服，此时位移计5的读数为1.99 mm，取整为2 mm，改用位移控制加载，将屈服位移定义为Δy，后面每一级的加载制度比前一级大0.5Ay，每一级循环3圈。随着加载的进行，腹板的2个角部的波角被逐渐拉大，腹板的面外变形也愈来愈明显。加载到中后期时，翼缘的角部也出现局部屈曲。当拉至-13 mm第1圈时，东侧翼缘的左下端出现1条长约1 cm的裂缝；在后续的加载过程中，腹板和翼缘角部不断出现裂缝，且裂缝逐渐变大。当推至+22 mm的第1圈时，承载力下降到峰值点的80%左右，此时认定试件已基本失效，故停止加载。直至加载结束，腹板和翼缘与端板的焊缝未出现开裂，表明二氧化碳保护焊可以很好地保证纯钢结构的整体性。由于加载结束，作动器要回归原位才可卸载试件，卸载后试件CMSD-1的残余变形如图5.10所示。

图5.9　试件CMSD-1的加载阶段示意

图5.10　试件CMSD-1的残余变形示意

试件CMSD-2与试件CSPD-2的结构形式相同，其变形相似，以试件CMSD-2为例。试件CMSD-2在试验中的变形特征如图5.11所示，残余变形如图5.12所示。试件CMSD-2采用和其他试件同样的加载制度，初始弹性阶段采用荷载控制，第一级荷载定为10 kN，后续每一级荷载比前一级大10 kN。在整个荷载控制阶段，试件均未发生任何变形，只出现少量焊渣掉落的现象，直至加载到120 kN时，此时数据采集设备上的荷载-位移曲线出现拐点，认为此时试件CMSD-2进入塑性阶段，此时位移计5的读数为1 mm，定义此时屈服位移Δy等于1 mm，并且后续每一级加载比前一级大0.5Δy。在第二级加载位移时，腹板角部的波角便出现被拉大的现象，随着加载进行，腹板2个角部出现局部屈曲，但是试件整体的变形不明显，伴随着腹板裂缝的产生且不断扩大，最终试件承载力下降严重，停止加载。在整个加载过程中，翼缘均未发生明显的变形。

图5.11　试件CMSD-2的加载阶段示意

图5.12　试件CMSD-2的残余变形示意

（2）滞回曲线

本次试验中4个试件的滞回曲线如图5.13所示。从图5.13（a）和图5.13（b）中可以看出，随着加载的进行，试件CMSD-1和试件CSPD-1的滞回环面积逐渐增大，承载力和刚度退化缓慢，最终滞回曲线呈饱满的梭形，说明水平波形钢板阻尼器的延性好，耗能能力佳，滞回性能稳定。由于低屈服点钢和普通钢厚度的实测值不同，所以试件CMSD-1和试件CSPD-1承载能力相似。从图5.13（c）和图5.13（d）中可以看出，试件CMSD-2和试件CSPD-2的滞回曲线在加载初期有一点的捏缩现象，试件CMSD-2的滞回曲线呈反S形，试件CSPD-2的滞回曲线较为饱满，但是在恢复力达到峰值点后，恢复力下降速度过快。

图5.13　滞回曲线

（3）骨架曲线

为了更清楚地分析4个试件的受力过程，作出4个试件的骨架曲线，如图5.14所示。从图5.14中可以看出，4个试件的骨架曲线均呈S形，说明4个试件在整个加载过程中均经历了弹性、弹塑性、塑性和破坏这4个阶段。4个试件在拉压方向上略有不平衡，原因主要是竖向波形钢板阻尼器在水平方向上会产生一种明显的拉压应力场，水平波形钢板阻尼器在推时腹板发生的剪切变形使腹板出现一些细小裂纹，而在反向加载时，只需施加较小的力便可使这些裂纹闭合。比较4个试件骨架曲线，可以明显得出：在波形钢板屈服强度相同时，竖向波形钢板阻尼器的承载能力大于水平波形钢板阻尼器，但竖向波形钢板阻尼器在加载位移较小时，便达到了峰值状态，说明竖向波形钢板阻尼器先于水平波形钢板阻尼器发生承载力退化，其位移延性比水平波形钢板阻尼器要差。(www.daowen.com)

图5.14　骨架曲线

（4）承载能力和延性

根据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101-96）求得4个试件在各个特征点下的荷载、位移以及位移延性系数，如表5.5所示。从表5.5中可以看出，4个试件的位移延性系数均大于3，说明4个试件的塑性变形能力均较好，其中试件CSPD-1的塑性变形能力最佳。由于4个试件厚度的实测值不同，所以这里只选用普通钢和低屈服点钢，而没有对波板放置形式不同时阻尼器力学性能的比较。水平波形钢板阻尼器的耗能能力优于竖向波形钢板阻尼器；试件CMSD-2的承载能力最大。比较试件CMSD-1和试件CMSD-2以及试件CSPD-1和试件CSPD-2的峰值荷载可知，竖向波形钢板阻尼器的承载能力大于水平波形钢板阻尼器。

表5.5　屈服状态、峰值状态、极限状态对应的荷载和位移及位移延性系数

（5）刚度退化和等效阻尼系数

将4个试件的刚度随加载位移的变化曲线绘制如图5.15所示。从图5.15（a）中可以看出：当阻尼器母材选用低屈服点钢时，试件CMSD-1和试件CMSD-2的刚度退化曲线近似呈线性分布，试件CMSD-1刚度退化速度较慢，说明其刚度退化特性优于试件CMSD-2的刚度退化特性。从图5.15（b）中可以看出：与低屈服点钢阻尼器类似，竖向波形钢板阻尼器的初始刚度远大于水平波形钢板阻尼器，但试件CSPD-1的刚度退化速度较试件CSPD-2的慢。综上说明，当波形腹板放置形式为水平方向时，阻尼器的刚度退化速度较慢，其变形能力较竖向波形钢板阻尼器的好。

图5.15　刚度退化曲线

对于阻尼器来说，其耗能能力尤为重要，所以将4个试件的等效黏滞阻尼系数计算出来绘于图5.16中。由图5.16可以看出：试件CSPD-1的耗能能力最佳，其等效黏滞阻尼系数最大可达到0.32，而试件CSPD-2的耗能效果最差，其等效黏滞阻尼系数最大时仅达到0.18，约为试件CSPD-1的56%。进一步说明，水平波形钢板阻尼器的耗能能力优于竖向波形钢板阻尼器，在加载后期随着面外变形的增大，4个试件的等效黏滞阻尼系数均出现增长速度降低的特征，其中竖向波形钢板阻尼器的等效黏滞阻尼系数上升速度明显比水平方向波形钢板阻尼器慢。

图5.16　等效黏滞阻尼系数-位移曲线