CN114351884B - 一种芯部耗能结构以及轴向钢阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芯部耗能结构以及轴向钢阻尼器。轴向钢阻尼器包括芯部耗能结构和外围约束构件；芯部耗能结构至少包含一块奥氏体组织钢板和一块铁素体组织钢板，且铁素体组织钢板必须且只能与奥氏体组织钢板相邻并通过焊接方式相连接。奥氏体组织钢板的微观组织主要为亚稳态奥氏体，在周期性交替拉伸‑压缩塑性塑性变形时，奥氏体组织钢板内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变。本发明轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比不小于10，且极限允许位移不小于轴向钢阻尼器长度的1/60；在此极限允许位移下，轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸‑压缩塑性变形。

Description

一种芯部耗能结构以及轴向钢阻尼器
技术领域
本发明属于建筑工程结构技术领域，涉及一种芯部耗能结构以及轴向钢阻尼器。
背景技术
高烈度地震以及外部长持时震动均会对高层建筑物和构筑物造成巨大危害。利用消能减震装置和技术可以有效地吸收外部震动能量，使建筑物和构筑物损伤降低到最低程度。防屈曲耗能支撑是一种常见的轴向消能减震元件，因其具有传力途径直接、经济性良好等特征而被广泛应用于土木工程结构中。在小震下，防屈曲耗能支撑能够给梁柱结构提供附加刚度和减小结构变形；在较大震动下，防屈曲耗能支撑在受拉和受压时均能够达到屈服，表现出良好的滞回耗能能力。
目前，防屈曲耗能支撑主要以LY225低屈服点钢和Q235结构钢等钢材作为耗能芯材(上述钢种均为低碳铁素体钢)。由上述钢种制作的防屈曲耗能支撑在多遇地震(‘小震’)或设防烈度地震(‘中震’)情况下，往往只能起到提供一定刚度的作用而无法开始实质性的屈服变形来耗散地震能量。更为关键的是，受制于钢种的较低延性和低周疲劳变形能力，上述钢种由循环变形引起的累积塑性变形和累积塑性耗能功效有限。因此，罕遇地震(‘大震’)情况下，由上述钢种制作的防屈曲耗能支撑在较少周次拉伸-压缩循环载荷作用后就会发生疲劳断裂；并且，在罕遇地震或超罕遇地震下，防屈曲耗能支撑无法实现与建筑主体结构同冗余度失效(即：防屈曲耗能支撑早于建筑物主体结构破坏失效，从而使建筑物主体结构无法获得防屈曲耗能支撑的进一步防护作用)。综上，采用低碳铁素体钢材制造的防屈曲耗能支撑无法在不同烈度地震下均能发挥减震防护的作用。
一定成分范围内的低层错能Fe-Mn-Si系奥氏体合金具有优异低周疲劳性能和焊接性能，潜在被用作弹塑性阻尼钢去制作防屈曲耗能支撑；相应地，这类防屈曲耗能支撑可以具有优异的累积塑性变形能力(即：在防屈曲耗能支撑疲劳破坏前，芯板能承受大的累积拉伸和压缩位移)。低层错能Fe-Mn-Si系合金具有优异低周疲劳特性的根本原因是循环变形过程中材料内部发生位错平面滑移和可逆ε马氏体相变。然而，相对于LY225低屈服点钢和Q235结构钢来说，上述Fe-Mn-Si系合金的屈服强度高，这使得防屈曲耗能支撑的屈服力和屈服位移较大、延性仍然可能较低(这里，“延性”用防屈曲耗能支撑或轴向耗能元件的极限允许位移与屈服位移之比来描述)。相应地，耗能支撑在小震和中震下很难发挥消能减震作用，并且在大震下耗能支撑通过连接节点附加给建筑物主体结构的作用力会很大。因此，采用低层错能Fe-Mn-Si系合金钢制成的防屈曲耗能支撑对建筑物主体结构的保护作用有限。另外，在单一循环变形周次内Fe-Mn-Si系合金的加工硬化程度比较高，这同样会削弱防屈曲耗能支撑的耗能功效。以上原因限制低层错能Fe-Mn-Si系合金在实际工程中作为消能减震材料被广泛应用。
发明内容
基于上述技术现状，迫切需要开发出一种屈服位移小、延性和累积塑性变形能力优异、并且具有能与建筑主体结构同冗余度失效的轴向钢阻尼器。因此，本发明提供一种芯部耗能结构以及轴向钢阻尼器。本发明提供的轴向钢阻尼器在不同烈度地震下均能发挥消能减震作用和对建筑物抗震防护，可以替代现有防屈曲耗能支撑来实现建筑物抗震防护性能的显著提升。
相比较现有防屈曲耗能支撑，本发明的轴向钢阻尼器和芯部耗能结构具有优异的延性和累积塑性变形能力，可以实现与建筑主体结构同冗余度失效；相比较潜在的低层错能Fe-Mn-Si系奥氏体合金钢制成的防屈曲耗能支撑，本发明的轴向钢阻尼器和芯部耗能结构具有屈服位移小、延性优异、成本低的特征。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明首先提供一种芯部耗能结构，用于轴向钢阻尼器，在轴向钢阻尼器受到周期性交替拉伸-压缩塑性变形时起到吸收外部震动能量的作用，
所述芯部耗能结构至少包含一块奥氏体组织钢板和一块铁素体组织钢板，所述铁素体组织钢板必须而且只能与所述奥氏体组织钢板相邻并通过焊接方式相连接，并且奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板之间的连接焊缝平行于钢阻尼器和芯部耗能结构的轴向；
所述奥氏体组织钢板的微观组织由亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体组成，并且亚稳态奥氏体的平均晶粒尺寸不超过400μm，在拉伸或压缩塑性变形时，所述奥氏体组织钢板的亚稳态奥氏体在应变作用下诱发ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩塑性变形时，所述奥氏体组织钢板内部发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变；
所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，并且铁素体的平均晶粒尺寸不超过200μm；
所述奥氏体组织钢板的屈服强度不小于220MPa、断裂延伸率不小于40％，所述铁素体组织钢板的屈服强度小于180MPa、断裂延伸率不小于30％；
所述奥氏体组织钢板的厚度是所述铁素体组织钢板的厚度的0.4倍以上；
芯部耗能结构中，所有铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与所有奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和的比值不小于0.6。
芯部耗能结构中，当所述铁素体组织钢板不同时在其两侧和奥氏体组织钢板相邻连接时，所述铁素体组织钢板和相邻奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的任一非焊接侧的距离与所述铁素体组织钢板厚度之比不大于25。
本发明规定：芯部耗能结构中，若所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的横截面几何形状沿长度方向保持不变，则所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的核心耗能段即为所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的全长，此时，所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的核心耗能段的横截面即为所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的横截面；若所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的横截面几何形状沿长度方向呈现两头宽、中间窄的特征，则所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的核心耗能段为所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板中间窄的部分，此时，所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的核心耗能段的横截面即为所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板中间窄的部分的横截面。
本发明限定芯部耗能结构至少包含一块奥氏体组织钢板和一块铁素体组织钢板。奥氏体组织钢板的显微组织为亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体，其目的是促进钢板内部在拉伸-压缩交变载荷作用下应变诱发生成具有单一变体晶体学特征的片状ε马氏体，避免原始基体组织中的热诱发ε马氏体和应变诱发ε马氏体之间发生强烈交互作用，从而促进奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变，减少奥氏体钢板基体晶体缺陷的产生和延缓疲劳裂纹的扩展，使奥氏体钢板显现出优良低周疲劳性能和累积塑性变形能力，进而有助于增强芯部耗能结构整体(当芯部耗能结构用于轴向钢阻尼器时，亦即轴向钢阻尼器)的低周疲劳性能和累积塑性变形能力。
另外，本发明限定奥氏体组织钢板内部亚稳态奥氏体在拉伸或压缩塑性变形时α′马氏体相变受到抑制。这是因为，当亚稳态奥氏体在塑性应变作用下过度发生α′马氏体相变，钢板内部会很容易发生变形局部化，从而导致奥氏体组织钢板的低周疲劳性能急剧下降。本发明限定亚稳态奥氏体的平均晶粒尺寸不超过400μm。这是因为当奥氏体晶粒过于粗大时，奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变会受到显著抑制，从而显著降低奥氏体组织钢板的抗疲劳性能。本发明严格限定奥氏体组织钢板的显微组织，其目的是保证奥氏体组织钢板能够经受住大应变疲劳变形，确保轴向钢阻尼器在中、高烈度地震下均能发挥作用而不过早发生疲劳破坏失效。
铁素体组织钢板具有低屈服强度、高弹性模量以及循环变形周次内低加工硬化程度，因而有助于降低芯部耗能结构整体(亦即轴向钢阻尼器)的屈服力和屈服位移以及循环变形周次内加工硬化程度，使钢阻尼器在中小烈度地震下也能实现屈服耗能。本发明限定铁素体的平均晶粒尺寸不超过200μm。这是因为当铁素体晶粒过于粗大时，疲劳裂纹会很容易从晶界处萌生和扩展，从而显著降低铁素体组织钢板的抗疲劳性能。因此，对铁素体晶粒尺寸(和延伸率)的限制，目的是确保铁素体组织钢板具有适当的抗疲劳性能。
芯部耗能结构中，铁素体组织钢板必须与奥氏体组织钢板之间通过焊接方式紧密连接，否则上述奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板对芯部耗能结构整体的特殊贡献将不存在或很难充分显现。这是因为，当奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板紧密相连时，奥氏体组织钢板会对铁素体组织钢板的变形形成约束，这种约束内应力会增加铁素体组织钢板的抗疲劳性能(即“特殊贡献”)；当芯部耗能构件发生疲劳失效时，两类钢板往往在同一区段发生断裂。当同类钢板相连时，这种约束机制就不存在了；相应地，铁素体组织钢板与另一铁素体钢板相邻并焊接在一起时，两块铁素体组织钢板的抗疲劳性能不会得到提升。当两类钢板不相连时，首先，奥氏体组织钢板对铁素体组织钢板变形的约束机制不存在，芯部耗能结构整体的抗疲劳性能无法得到提升；另外，由于奥氏体组织钢板的抗疲劳性能明显优于铁素体组织钢板，因此在交替拉伸-压缩塑性变形过程中，铁素体组织钢板会首先发生断裂，轴向钢阻尼器的承载力会下降。因此，本发明限定芯部耗能结构中的铁素体组织钢板必须与奥氏体组织钢板之间通过焊接方式紧密连接。
本发明限定组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的屈服强度不小于220MPa、断裂延伸率不小于40％；铁素体组织钢板的屈服强度小于180MPa、断裂延伸率不小于30％。对两类钢板力学性能的限定，其主要目的是保证两类钢板材料具有良好的塑性变形能力和疲劳性能，从而使轴向钢阻尼器具有以下延性和累积变形能力的特征：极限允许位移与屈服位移之比不小于10，且极限允许位移不小于芯部耗能结构(或轴向钢阻尼器)长度的1/60，以及在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次交替拉压塑性变形且承载力衰减小于15％。
本发明限定奥氏体组织钢板的厚度是所述铁素体组织钢板厚度的0.4倍以上。这是因为，当奥氏体组织钢板的厚度小于铁素体组织钢板厚度的0.4倍，在拉伸-压缩交替塑性变形过程中，奥氏体组织钢板很难通过连接焊缝对铁素体组织钢板的变形形成充分约束。
本发明中，若所有铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与所有奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和的比值过小(小于0.6)，则芯部耗能结构的变形及承载主要由奥氏体组织钢板主导，这会使芯部耗能结构的屈服力和屈服位移显著增加，进而导致芯部耗能结构和轴向钢阻尼器的延性显著降低(钢阻尼器的延性低于10)。因此，本发明限定所有铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与所有奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和的比值不小于0.6；进一步地，从降低芯部耗能结构的屈服位移考虑，优选所有铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与所有奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和的比值不小于0.8。
在本发明的一个实施方式中，当所述铁素体组织钢板不同时在其两侧和奥氏体组织钢板相邻连接时，则所述铁素体组织钢板和相邻奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的任一非焊接侧的距离与所述铁素体组织钢板厚度之比不大于25。这里，需要考虑铁素体组织钢板与相邻奥氏体组织钢板的以下两种连接方式：
第一种，铁素体组织钢板只在单侧与奥氏体组织钢板相邻连，即两类钢板的连接焊缝位于所述铁素体组织钢板的一侧，此时，铁素体组织钢板只有一个非焊接侧。常见的连接形式包括：2块铁素体组织钢板和1块奥氏体组织钢板连接形成十字型结构，其中2块铁素体组织钢板分别垂直位于奥氏体组织钢板上方和下方；1块铁素体组织钢板和1块奥氏体组织钢板连接形成T字型结构，其中铁素体组织钢板垂直于奥氏体组织钢板放置，并且两类钢板的连接焊缝位于奥氏体组织钢板上(即连接焊缝位于奥氏体组织钢板两侧之间)。
第二种，两类钢板的连接焊缝位于铁素体组织钢板之上，即连接焊缝位于所述铁素体组织钢板两侧之间(连接焊缝不在所述铁素体组织钢板的任一侧)，此时，铁素体组织钢板有二个非焊接侧。常见的连接形式包括：2块铁素体组织钢板和1块奥氏体组织钢板连接形成工字型结构，其中奥氏体组织钢板垂直位于2块铁素体组织钢板之间；1块铁素体组织钢板和1块奥氏体组织钢板连接形成T字型结构，其中铁素体组织钢板垂直于奥氏体组织钢板放置，并且两类钢板的连接焊缝位于铁素体组织钢板上(即连接焊缝位于铁素体组织钢板两侧之间)。
对于上述两种情况，当约束连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的任一非焊接侧的距离与所述铁素体组织钢板厚度之比过大(大于25)时，铁素体组织钢板中远离焊缝的部分材料受到的约束作用会几近丧失，这一部分材料相比较焊缝约束附近的材料容易发生疲劳破坏，进而导致整块铁素体组织钢板以及芯部耗能结构的失效破坏。因此，本发明限定约束连接焊缝到铁素体组织钢板核心耗能段的任一非焊接侧的距离与所述铁素体组织钢板厚度之比不大于25。
当铁素体组织钢板在两侧与相邻奥氏体组织钢板都相连接时，铁素体组织钢板在两侧均受到约束和保护，因而疲劳裂纹无法从其两个侧面处形成，这会显著提升铁素体组织钢板的抗疲劳性能。本发明中，当所述铁素体组织钢板的两侧均和奥氏体组织钢板连接时，原则上所述铁素体组织钢板两侧的焊缝之间的距离不受约束，但仍需要满足“所有铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与所有奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和的比值不小于0.6”这一条件。并且，从芯部耗能结构的稳定性角度出发，建议所述铁素体组织钢板两侧的焊缝之间的距离不超过所述铁素体组织钢板厚度的80倍。铁素体组织钢板在两侧均和奥氏体组织钢板相连接的情形包括：1块铁素体组织钢板和2块奥氏体组织钢板连接形成工字型结构，其中铁素体组织钢板垂直位于2块奥氏体组织钢板之间。
本发明定义轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移。极限允许位移为轴向钢阻尼器在周期性交替拉伸-压缩塑性变形时所允许的最大位移，并且在这一最大位移时轴向钢阻尼器能够经受住至少30周次的循环拉伸-压缩塑性变形。当循环变形位移超过这一最大允许位移时，轴向钢阻尼器无法完成30周次循环变形而发生破坏失效。屈服位移是表示轴向钢阻尼器以极限允许位移作周期性交替拉伸-压缩变形时发生屈服变形所对应的位移。图1例示轴向钢阻尼器在以极限允许位移做周期性交替拉伸-压缩塑性变形时形成的滞回曲线。由滞回曲线的卸载段求得轴向钢阻尼器的弹性刚度。当滞回曲线的中心不在坐标轴原点，滞回曲线拉伸部分的最大位移为
Figure BDA0003437330410000071
滞回曲线压缩部分的最大位移为
Figure BDA0003437330410000072
则极限允许位移ud,max计为
Figure BDA0003437330410000073
如果滞回曲线的中心在坐标轴原点，则滞回曲线拉伸部分的最大位移与压缩部分的最大位移相同，此时有
Figure BDA0003437330410000074
滞回曲线拉伸部分的卸载段对应的弹性刚度为
Figure BDA0003437330410000075
滞回曲线压缩部分的卸载段对应的弹性刚度为
Figure BDA0003437330410000076
如果
Figure BDA0003437330410000077
则轴向钢阻尼器的弹性刚度Kd计为
Figure BDA0003437330410000078
如果
Figure BDA0003437330410000079
此时有轴向钢阻尼器的弹性刚度
Figure BDA00034373304100000710
过坐标原点作斜率为弹性刚度Kd的直线，该直线与滞回曲线拉伸部分的交点即为循环变形拉伸时的屈服位移
Figure BDA00034373304100000711
该直线与滞回曲线压缩部分的交点即为循环变形压缩时的屈服位移
Figure BDA00034373304100000712
轴向钢阻尼器的屈服位移udy计为
Figure BDA00034373304100000713
由极限允许位移ud,max与屈服位移udy，即可求得轴向钢阻尼器的ud,max与udy之比，即钢阻尼器的延性。
在本发明的一个实施方式中，限定所述奥氏体组织钢板的化学成分的质量百分数为：C≤0.15％，22.0％≤Mn≤34.0％，3.5％≤Si≤5.5％，Al≤2.5％，Ni≤5.0％，Cu≤2.0％，P≤0.03％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中，Al、Ni和Cu质量百分含量还满足如下关系：Ni/Cu≥0.25和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.5％。
满足上述成分要求的材料具有的显微组织为亚稳态奥氏体和体积分数不超过10％的热诱发ε马氏体，并且亚稳态奥氏体在拉伸-压缩交变载荷作用下发生可逆ε马氏体相变(即亚稳态奥氏体与应变诱发ε马氏体在交变载荷作用下发生两相相互转变)且α′马氏体相变受到抑制，从而使钢板材料具有优异的低周疲劳性能。
在不改变上述基本微观组织特征的前提条件下，奥氏体组织钢板的化学成分还可以包含少量Cr元素；本发明限定Cr元素的质量百分数为：Cr≤2％。
当具有上述合金成分且亚稳态奥氏体的平均晶粒尺寸不超过400μm时，奥氏体组织钢板的屈服强度不小于220MPa、断裂延伸率不小于40％。
在本发明的一个实施方式中，限定铁素体组织钢板的化学成分的质量百分数为：C≤0.1％，Mn≤1.0％，Si≤0.8％，Ti≤0.15％，Nb≤0.1％，V≤0.2％，P≤0.03％，S≤0.03％，N≤0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
满足上述成分要求的材料具有的显微组织主要为铁素体。在不改变上述基本微观组织特征的前提条件下，铁素体组织钢板的化学成分还可以包含少量的Cu、Cr和Ni元素；本发明限定Cu、Cr和Ni元素的质量百分数为：Cu≤0.5％、Cr≤1％、Ni≤1％。
当具有上述合金成分且铁素体的平均晶粒尺寸不超过200μm时，铁素体组织钢板的屈服强度小于180MPa、断裂延伸率不小于30％。
在本发明的一个实施方式中，所述芯部耗能结构的横截面可以具有任一类型轴对称几何形状。所述具有任一类型轴对称几何形状的截面形式主要有十字型、工字型等。
在本发明的一个实施方式中，所述轴向钢阻尼器的芯部耗能结构可采用中间窄、两头宽的截面形式。如图2和图3所示。图2为组成一种芯部耗能结构的铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板的几何形状及其相对位置，图3为相应的经过焊接拼装形成的芯部耗能结构的示意图。
本发明中，当两类钢板具有两头宽、中间窄的几何形状(钢板中间窄的部分称为核心耗能段)时，由两类钢板组成的芯部耗能结构的中间窄的部分称为所述芯部耗能结构的核心耗能段。由于所述轴向钢阻尼器是通过连接节点或其它连接构件与建筑物的梁柱主体结构或其它钢支撑相连接，上述关于芯部耗能结构的截面几何设计是为了使钢阻尼器的塑性变形只集中在芯部耗能结构的核心耗能段、避免连接节点或其它连接构件在轴向钢阻尼器服役过程中可能发生明显屈服变形甚至破坏。
所述芯部耗能结构的核心耗能段与两头部分截面面积比值大小的合理选择主要取决于芯部耗能结构与连接节点或其它连接构件的材料强度以及两者之间的连接强度。原则上，连接节点或其它连接构件发生屈服时的屈服力需要大于芯部耗能结构发生屈服时的屈服力。
本发明还提供一种轴向钢阻尼器，包括上述的芯部耗能结构和外围约束构件，所述芯部耗能结构起到在轴向钢阻尼器受到周期性交替拉伸-压缩塑性变形时吸收外部震动能量的作用，所述外围约束构件起到对芯部耗能结构侧向位移进行约束、防止芯部耗能结构发生屈曲失稳的作用。
在本发明的一个实施方式中，所述轴向钢阻尼器的外围约束构件选择为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管，或钢筋混凝土约束套管，或纯钢型结构约束。
本发明还提供所述轴向钢阻尼器的应用，所述轴向钢阻尼器单独使用或者与其它钢支撑连接组合形成轴向耗能支撑，安装在建筑物或构筑物中，与建筑物或构筑物的梁柱主体结构和连接节点连接形成一个整体，起到耗散外部震动能量的作用。
在本发明的一个实施方式中，所述轴向钢阻尼器，可以通过法兰或中间连接板与其它钢支撑相连接，组合形成轴向耗能支撑，以满足装配式建筑和震后快速更换的要求。组合轴向耗能支撑安装在建筑物和构筑物中，与建筑物或构筑物的梁柱主体结构和连接节点连接形成一个整体，起到耗能外部震动的作用，能显著提高建筑物和构筑物的抗震性能。
在本发明的一个实施方式中，所述轴向钢阻尼器，单独直接安装在建筑物和构筑物中，与建筑物或构筑物的梁柱主体结构和连接节点连接形成一个整体，起到耗能外部震动的作用，能显著提高建筑物和构筑物的抗震性能。
本发明轴向钢阻尼器的结构尺寸通常可以比常规防屈曲耗能支撑的结构尺寸小、自身重量轻。图4所示为由可更换的轴向钢阻尼器与其它钢支撑组合形成的轴向耗能支撑的示意图，其三维立体图见图5所示。所述轴向钢阻尼器一端通过中间连接板和球铰与建筑物节点板相连接，所述轴向钢阻尼器的另一端通过中间连接板(或法兰)与其它钢支撑连接组合形成轴向耗能支撑。
本申请研究发现，低碳铁素体钢的低周疲劳性能低下的根本原因在于：循环变形过程中，由于交滑移的频繁发生和微观上塑性变形不可逆，材料表现出组织稳定性降低和塑性应变局部化；随循环累积应变增加，疲劳裂纹会从材料表层的应变不相容处(如晶界、铁素体/渗碳体相界)或驻留滑移带处形核，继而沿晶界或向晶内生长，直至材料发生沿晶或穿晶疲劳破坏。所以，用低碳铁素体钢(如LY225和Q235)制作的钢阻尼器的延性和累积塑性变形能力低。而采用低层错能Fe-Mn-Si系合金钢制成的防屈曲耗能支撑对建筑物主体结构的保护作用同样有限。本发明研制出一种屈服位移小、延性和累积塑性变形能力优异、并且具有能与建筑主体结构同冗余度失效的轴向钢阻尼器。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)相比较现有防屈曲耗能支撑(芯部耗能结构通常采用LY225或Q235钢板制成)，本发明的轴向钢阻尼器的芯部耗能结构具有良好延性和累积塑性变形能力，其极限允许位移与屈服位移之比不小于10，且极限允许位移不小于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。现有防屈曲耗能支撑无法达到上述指标性能。
2)相比较潜在的低层错能Fe-Mn-Si系奥氏体合金钢制成的防屈曲耗能支撑，本发明的轴向钢阻尼器的芯部耗能结构具有屈服位移和屈服力小、加工硬化程度低、延性良好、成本较低的特征。申请人研究发现，利用低层错能Fe-Mn-Si系奥氏体合金钢制成的防屈曲耗能支撑，由于屈服力和屈服位移大，其极限允许位移与屈服位移之比往往小于7，因而该支撑的耗能功效并非显著。另外，低层错能Fe-Mn-Si系奥氏体合金钢的成本相对较高，完全利用该类材料制成的防屈曲耗能支撑成本会较高。
3)相较于现有防屈曲耗能支撑和潜在的低层错能Fe-Mn-Si系奥氏体合金钢制成的防屈曲耗能支撑，本发明轴向钢阻尼器具有大幅提升的延性，可以在不同烈度地震下实现屈服耗能，可以实现与建筑主体结构同冗余度失效，并且具有优异的累积塑性变形能力。
4)本发明轴向钢阻尼器可以与其它钢支撑连接组合形成轴向耗能支撑，满足装配式建筑和震后快速更换的要求。本发明轴向钢阻尼器的结构尺寸和自身重量可以比常规防屈曲耗能支撑的结构尺寸和自身重量都要小。
5)现有防屈曲耗能支撑需要按照主体结构框架斜向尺寸设计制作，耗能支撑构件的尺寸普遍较大，不利于现场安装和震后更换。而本发明轴向钢阻尼器的结构尺寸通常可以比常规防屈曲耗能支撑的结构尺寸小、自身重量轻，其易于现场安装和震后更换。
本发明中，所述轴向钢阻尼器中组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板在交替拉伸-压缩塑性变形过程中发生奥氏体和应变诱发ε马氏体之间可逆相变，因而所述奥氏体组织钢板具有优异的疲劳变形性能，从而使所述轴向钢阻尼器能具有很高极限允许位移。如若轴向钢阻尼器的芯部耗能结构使用的奥氏体组织钢板在循环载荷作用下只发生位错平面滑移的变形机制，对应的奥氏体组织钢板的化学成分的质量百分数可以为0.4％≤C≤0.7％、16.0％≤Mn≤26.0％、Si≤2.0％、P≤0.02％、S≤0.03％、N≤0.03％、其余为Fe和不可避免的杂质元素，则该轴向钢阻尼器的延性和累积塑性变形能力虽然能优于现有防屈曲耗能支撑，但会显著低于本发明的轴向钢阻尼器。
附图说明
图1例示轴向钢阻尼器在以极限允许位移做周期性交替拉伸-压缩塑性变形时形成的滞回曲线。由极限允许位移与屈服位移，求得轴向钢阻尼器的延性。
图2为组成一种芯部耗能结构的铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板的几何形状及其相对位置。
图3为一种轴向钢阻尼器的芯部耗能结构的示意图。
图4为轴向钢阻尼器与其它钢支撑组合形成的轴向耗能支撑的示意图。
图5为轴向钢阻尼器与其它钢支撑组合形成的轴向耗能支撑的三维立体图。
图6为实施例1中组成轴向钢阻尼器芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状。
图7为实施例1中组成轴向钢阻尼器芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状。
图8为实施例1中轴向钢阻尼器的芯部耗能结构的主视图。
图9为实施例1中轴向钢阻尼器的芯部耗能结构的俯视图。
图10为实施例1中轴向钢阻尼器的芯部耗能结构的侧视图。
图11为实施例1中轴向钢阻尼器的主视图。
图12为实施例1中轴向钢阻尼器的俯视图。
图13为实施例1中轴向钢阻尼器的A-A剖面图。
图14为实施例1中轴向钢阻尼器经历周期性交替拉伸-压缩塑性变形时的滞回曲线。
图15为实施例2中轴向钢阻尼器经历周期性交替拉伸-压缩塑性变形时的滞回曲线。
图中标号：1、铁素体组织钢板；11、焊接侧，12、非焊接侧；2、奥氏体组织钢板；3、焊缝；4、外围约束钢管；5、轴向钢阻尼器；6、中间连接板；7、钢支撑；8、球铰；9、混凝土。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构的横截面具有十字型轴对称几何形状，其对称轴为钢阻尼器的轴线方向，横截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽。如图2和图3所示，芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板2和2块铁素体组织钢板1组成，奥氏体组织钢板2和铁素体组织钢板1沿纵向长度相同；2块铁素体组织钢板1分别置于奥氏体组织钢板2的上方和下方，以奥氏体组织钢板2的纵向中心线为对称轴；2块铁素体组织钢板1分别与奥氏体组织钢板2通过焊接的方式紧密相连，焊缝3平行于芯部耗能结构和钢阻尼器的轴线方向，图2中，铁素体组织钢板1的两个侧面分别为焊接侧11和非焊接侧12。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝160mm；钢板的厚度T＝16mm。
所述奥氏体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：29.4％Mn，4.3％Si，1.4％Al，0.049％C，0.009％P，0.008％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为304MPa、断裂延伸率为52％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织，平均奥氏体晶粒尺寸为76μm；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝80mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述铁素体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：0.30％Mn，0.05％Si，0.015％C，0.05％Ti，0.012％P，0.006％S，0.006％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为157MPa、断裂延伸率为47％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体组织，平均铁素体晶粒尺寸为50μm。
所述奥氏体组织钢板的厚度与所述铁素体组织钢板的厚度相同。2块铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与1块奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为1.0(大于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述两块铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比均为5.0。
经过焊接拼装后，芯部耗能结构的主视图、俯视图以及侧视图分别如图8、图9和图10所示。
所述外围约束构件为由外围约束钢管4与内填混凝土9组合形成的约束套管，外围约束构件起到对芯部耗能结构侧向位移进行约束、防止芯部耗能结构发生屈曲的作用。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料，以消除外围约束构件与芯部耗能结构之间的摩擦。
经过组装后，轴向钢阻尼器的主视图、俯视图以及沿A-A面的剖面图分别如图11、图12和图13所示。
图14所示为所述轴向钢阻尼器在拉伸-压缩交替变形时的滞回曲线。轴向钢阻尼器以40mm位移周期性交替拉伸-压缩33周次后，仍未发生疲劳破坏且最大承载力几乎保持不变。40mm工作位移相当于钢阻尼器轴向长度的1/50。由图14可知，所述轴向钢阻尼器的极限允许位移大于40mm。从40mm位移滞回曲线卸载段求得弹性刚度，继而获得屈服位移约为3.1mm。随后继续以43mm位移循环变形2周次，由变形滞回曲线可见，随拉伸-压缩循环变形位移增加，屈服位移变化不大。计算轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)大于12.9。
因此，本实施例所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比大于10，且极限允许位移大于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。本实施例中轴向钢阻尼器可以实现与建筑主体结构同冗余度失效。
图4和图5所示为本实施例中轴向钢阻尼器与其它钢支撑组合形成的轴向耗能支撑的示意图。所述轴向钢阻尼器5一端通过中间连接板6和球铰8与建筑物节点板相连接，所述轴向钢阻尼器5的另一端通过中间连接板6与其它钢支撑7连接组合形成轴向耗能支撑。
实施例2：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构的横截面具有十字型轴对称几何形状，其对称轴为钢阻尼器的轴线方向，横截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽。具体地说，芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板和2块铁素体组织钢板组成，奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板沿纵向的长度相同；两类钢板的相对位置和连接方式如图2和图3所示。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝50mm；钢板的厚度T＝16mm。
所述奥氏体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：29.4％Mn，4.3％Si，1.4％Al，0.049％C，0.009％P，0.008％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为304MPa、断裂延伸率为52％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织，平均奥氏体晶粒尺寸为76μm；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝80mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述铁素体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：0.30％Mn，0.05％Si，0.015％C，0.05％Ti，0.012％P，0.006％S，0.006％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为157MPa、断裂延伸率为47％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，平均铁素体晶粒尺寸为50μm。
所述奥氏体组织钢板的厚度与所述铁素体组织钢板的厚度相同。2块铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与1块奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为3.2(大于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述两块铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比均为5.0。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料。
图15所示为所述轴向钢阻尼器在拉伸-压缩交替变形时的滞回曲线。轴向钢阻尼器以40mm位移周期性交替拉伸-压缩30周次后，再以45mm位移交替拉伸-压缩4周次，未发生疲劳破坏，并且承载力未发生衰减。40mm工作位移相当于钢阻尼器轴向长度的1/50。所述轴向钢阻尼器的极限允许位移大于40mm。由40mm位移的滞回曲线卸载段求得弹性刚度，继而获得屈服位移约为3.1mm(比较40mm变形位移和45mm变形位移的滞回曲线可知，40mm变形位移后，随拉伸-压缩循环变形位移增加，屈服位移变化不大)。计算轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)大于12.9。
因此，本实施例所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比大于10，且极限允许位移大于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。本实施例中轴向钢阻尼器可以实现与建筑主体结构同冗余度失效。
实施例3：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构的横截面具有十字型轴对称几何形状，其对称轴为轴向钢阻尼器的轴线方向，横截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽。具体地说，芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板和2块铁素体组织钢板组成，奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板沿纵向的长度相同；两类钢板的相对位置和连接方式如图2和图3所示。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝160mm；钢板的厚度T＝14mm。
所述奥氏体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：27.5％Mn，4.0％Si，0.6％Al，0.002％C，2.0％Ni，0.7％Cu，0.007％P，0.006％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为229MPa、断裂延伸率为58％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织,平均奥氏体晶粒尺寸为126μm；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝200mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述铁素体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：0.18％Mn，0.05％Si，0.01％C，0.04％Ti，0.01％P，0.006％S，0.006％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为122MPa、断裂延伸率为50％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，平均铁素体晶粒尺寸为86μm。
所述奥氏体组织钢板的厚度是所述铁素体组织钢板的厚度的0.875倍。2块铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与1块奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为2.86(大于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述两块铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比均为12.5。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料。
轴向钢阻尼器以40.4mm位移周期性交替拉伸-压缩30周次，未发生疲劳破坏且最大承载力几乎保持不变。40.4mm工作位移相当于钢阻尼器轴向长度的1/50。所述轴向钢阻尼器的极限允许位移大于40.4mm。由滞回曲线求得屈服位移约为3.1mm。计算轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)大于13。
因此，本实施例所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比大于10，且极限允许位移大于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。
实施例4：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构的横截面具有十字型轴对称几何形状，其对称轴为轴向钢阻尼器的轴线方向，横截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽。具体地说，芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板和2块铁素体组织钢板组成，奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板沿纵向的长度相同；两类钢板的相对位置和连接方式如图2和图3所示。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝160mm；钢板的厚度T＝5mm。
所述奥氏体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：26.3％Mn，4.1％Si，1.0％Al，1.1％Ni、0.02％C，0.009％P，0.008％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为288MPa、断裂延伸率为50％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织，平均奥氏体晶粒尺寸为102μm；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝290mm；钢板的厚度t＝12mm。
所述铁素体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：0.50％Mn，0.3％Si，0.095％C，0.1％Ti，0.06％Nb、0.01％P，0.006％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为175MPa、断裂延伸率为31.5％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，平均铁素体晶粒尺寸为192μm。
所述奥氏体组织钢板的厚度是所述铁素体组织钢板的厚度的0.416倍。2块铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与1块奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为8.7(大于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述两块铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比均为24.2。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料。
轴向钢阻尼器以33.8mm位移周期性交替拉伸-压缩30周次后，未发生疲劳破坏，并且承载力未发生衰减。33.8mm工作位移相当于钢阻尼器轴向长度的1/60。所述轴向钢阻尼器的极限允许位移大于33.8mm。由滞回曲线卸载段求得弹性刚度，继而获得屈服位移约为3.0mm。计算轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)大于11.2。
因此，本实施例所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比大于10，且极限允许位移大于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。
实施例5～8：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板和1块铁素体组织钢板组成，奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板沿纵向长度相同；铁素体组织钢板垂直于奥氏体组织钢板放置；铁素体组织钢板与奥氏体组织钢板之间通过焊接的方式紧密相连，焊缝平行于轴向钢阻尼器的轴线方向，并且连接焊缝位于奥氏体组织钢板上。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝80mm；钢板的厚度T＝16mm。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝80mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述奥氏体组织钢板的厚度与所述铁素体组织钢板的厚度相同。铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积与奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为1.0(大于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比均为5.0。
所述奥氏体组织钢板的主要化学成分(钢中不可避免含有微量P、S、N和其他杂质元素)和力学性能见表1所示。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变，在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。所述奥氏体组织钢板的平均奥氏体晶粒尺寸见表1所示。
所述铁素体组织钢板的主要化学成分(钢中不可避免含有微量P、S、N和其他杂质元素)和力学性能见表1所示。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体组织。所述铁素体组织钢板的平均铁素体晶粒尺寸见表1所示。
表1
Figure BDA0003437330410000181
Figure BDA0003437330410000191
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料。
上述实施例中，所述轴向钢阻尼器的屈服位移、极限允许位移、极限允许位移与屈服位移之比见表2所示。在极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器均完成了至少30周次的循环拉伸-压缩塑性变形而不发生疲劳破坏，并且钢阻尼器的承载力未发生衰减。
表2
屈服位移(μm) 极限允许位移(μm) 极限允许位移与屈服位移之比
实施例5 3.1 ＞38.2 ＞12.3
实施例6 3.0 33.8 11.2
实施例7 3.1 ＞34.2 ＞11.0
实施例8 3.0 35.8 11.9
因此，上述实施例中，所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比均大于10，且极限允许位移大于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。
实施例9：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板和1块铁素体组织钢板组成，奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板沿纵向长度相同；铁素体组织钢板垂直于奥氏体组织钢板放置；铁素体组织钢板与奥氏体组织钢板之间通过焊接的方式紧密相连，焊缝平行于钢阻尼器的轴线方向，并且连接焊缝位于奥氏体组织钢板上。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(即核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝100mm；钢板的厚度T＝16mm。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(即核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝65mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述奥氏体组织钢板的厚度与所述铁素体组织钢板的厚度相同。铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积与奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为0.65(大于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比约为4.1。
所述奥氏体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：29.4％Mn，4.3％Si，1.4％Al，0.049％C，0.009％P，0.008％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的平均奥氏体晶粒尺寸为76μm。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为304MPa、断裂延伸率为52％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
所述铁素体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：0.30％Mn，0.05％Si，0.015％C，0.05％Ti，0.012％P，0.006％S，0.006％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为157MPa、断裂延伸率为47％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，平均铁素体晶粒尺寸为50μm。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料，以消除外围约束构件与芯部耗能结构之间的摩擦。
轴向钢阻尼器以40mm位移周期性交替拉伸-压缩30周次，未发生疲劳破坏且最大承载力几乎保持不变。40mm工作位移相当于钢阻尼器总长度的1/50。所述轴向钢阻尼器的极限允许位移大于40mm。由40mm位移的滞回曲线求得屈服位移约为3.8mm。计算轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)大于10.5。
因此，本实施例中，所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比大于10，且极限允许位移大于钢阻尼器轴向长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15％。
对比例1：
一种防屈曲耗能支撑，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构的横截面具有十字型轴对称几何形状，其对称轴为耗能支撑的轴线方向，横截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽。具体地说，芯部耗能结构由1块宽奥氏体组织钢板和2块窄奥氏体组织钢板组成，3块奥氏体组织钢板沿纵向长度相同；2块窄奥氏体组织钢板分别置于宽奥氏体组织钢板的上方和下方，以宽奥氏体组织钢板的纵向中心线为对称轴；3块奥氏体组织钢板通过焊接的方式紧密相连，焊缝平行于防屈曲耗能支撑的轴线方向。
所述宽奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。宽奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位的长度L0＝1530mm、宽度W0＝160mm；钢板的厚度T＝16mm。
所述窄奥氏体组织钢板的几何形状如图7所示。窄奥氏体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝80mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述宽、窄奥氏体组织钢板的化学成分完全相同，其化学成分的质量百分数为：29.4％Mn，4.3％Si，1.4％Al，0.049％C，0.009％P，0.008％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为304MPa、断裂延伸率为52％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织，平均奥氏体晶粒尺寸为76μm；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料。
防屈曲耗能支撑以51.4mm位移周期性交替拉伸-压缩约30周次后发生疲劳破坏(疲劳变形过程中最大承载力基本保持不变)。51.4mm工作位移相当于支撑总长度的1/39。所述防屈曲耗能支撑的极限允许位移约为51.4mm。由滞回曲线求得屈服位移约为7.8mm。计算防屈曲耗能支撑的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)约为6.6。
因此，本对比例所述防屈曲耗能支撑尽管具有较大的极限允许位移，但由于屈服位移也较大，这使得极限允许位移与屈服位移之比显著小于10。
对比例2：
一种防屈曲耗能支撑，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构的横截面具有十字型轴对称几何形状，其对称轴为耗能支撑的轴线方向，横截面沿轴线方向呈中间窄、两头宽。具体地说，芯部耗能结构由1块宽铁素体组织钢板和2块窄铁素体组织钢板组成，3块铁素体组织钢板沿纵向的长度相同；2块窄铁素体组织钢板分别置于宽铁素体组织钢板的上方和下方，以宽铁素体组织钢板的纵向中心线为对称轴；3块铁素体组织钢板通过焊接的方式紧密相连，焊缝平行于防屈曲耗能支撑的轴线方向。
所述宽铁素体组织钢板的几何形状如图6所示。宽铁素体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位的长度L0＝1530mm、宽度W0＝160mm；钢板的厚度T＝16mm。
所述窄铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。窄铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝80mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述宽、窄铁素体组织钢板的化学成分完全相同，其化学成分的质量百分数为：0.30％Mn，0.05％Si，0.015％C，0.05％Ti，0.012％P，0.006％S，0.006％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为157MPa、断裂延伸率为47％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体组织，平均铁素体晶粒尺寸为50μm。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料。
所述防屈曲耗能支撑以33mm位移交替拉伸-压缩不到30周次即发生疲劳破坏。33mm工作位移大约相当于支撑总长度的1/60。因此，本对比例所述防屈曲耗能支撑的极限允许位移小于33mm，即小于芯部耗能结构轴向长度的1/60。
对比例3：
一种轴向钢阻尼器，由芯部耗能结构和外围约束构件组成。
所述芯部耗能结构由1块奥氏体组织钢板和1块铁素体组织钢板组成，奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板沿纵向长度相同；铁素体组织钢板垂直于奥氏体组织钢板放置；铁素体组织钢板与奥氏体组织钢板之间通过焊接的方式紧密相连，焊缝平行于钢阻尼器的轴线方向，并且连接焊缝位于奥氏体组织钢板上。
组成芯部耗能结构的奥氏体组织钢板的几何形状如图6所示。奥氏体组织钢板总长L＝2000mm；钢板中心部位(即核心耗能段)的长度L0＝1530mm、宽度W0＝100mm；钢板的厚度T＝16mm。
组成芯部耗能结构的铁素体组织钢板的几何形状如图7所示。铁素体组织钢板总长l＝2000mm；钢板中心部位(即核心耗能段)的长度l0＝1530mm、宽度w0/2＝54mm；钢板的厚度t＝16mm。
所述奥氏体组织钢板的厚度与所述铁素体组织钢板的厚度相同。铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积与奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积的比值为0.54(小于0.6)。经过焊接拼装后，所述铁素体组织钢板和奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的非焊接侧的距离(即为铁素体组织钢板核心耗能段的宽度w0/2)与铁素体组织钢板厚度(t)之比约为3.4。
所述奥氏体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：29.4％Mn，4.3％Si，1.4％Al，0.049％C，0.009％P，0.008％S，0.005％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述奥氏体组织钢板的平均奥氏体晶粒尺寸为76μm。所述奥氏体组织钢板的屈服强度为304MPa、断裂延伸率为52％。所述奥氏体组织钢板的微观组织为单一奥氏体组织；在进入屈服阶段，亚稳态奥氏体在应变作用下发生ε马氏体相变且α′马氏体相变受到抑制，并且在拉伸-压缩交变载荷作用下发生亚稳态奥氏体和应变诱发ε马氏体之间的可逆相变。
所述铁素体组织钢板的化学成分及其质量百分数为：0.30％Mn，0.05％Si，0.015％C，0.05％Ti，0.012％P，0.006％S，0.006％N，其余为Fe和不可避免的杂质元素。所述铁素体组织钢板的屈服强度为157MPa、断裂延伸率为47％。所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，平均铁素体晶粒尺寸为50μm。
所述外围约束构件为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管。所述外围约束构件与所述芯部耗能结构之间有一层无粘结材料，以消除外围约束构件与芯部耗能结构之间的摩擦。
轴向钢阻尼器以42mm位移周期性交替拉伸-压缩近30周次后，发生疲劳破坏。所述轴向钢阻尼器的极限允许位移约为42mm。由42mm位移的滞回曲线求得屈服位移约为4.5mm。计算轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比(即延性)约为9.3。因此，本对比例中，所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比小于10。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种芯部耗能结构，用于轴向钢阻尼器，在轴向钢阻尼器受到周期性交替拉伸-压缩塑性变形时起到吸收外部震动能量的作用，其特征在于，
所述芯部耗能结构至少包含一块奥氏体组织钢板和一块铁素体组织钢板，所述铁素体组织钢板必须而且只能与所述奥氏体组织钢板相邻并通过焊接方式相连接，并且奥氏体组织钢板和铁素体组织钢板之间的连接焊缝平行于芯部耗能结构的轴向；
所述奥氏体组织钢板的微观组织由亚稳态奥氏体和体积分数不超过10%的热诱发ɛ马氏体组成，并且亚稳态奥氏体的平均晶粒尺寸不超过400μm，在拉伸或压缩塑性变形时，所述奥氏体组织钢板的亚稳态奥氏体在应变作用下诱发ɛ马氏体相变且α'马氏体相变受到抑制；在周期性交替拉伸-压缩塑性变形时，所述奥氏体组织钢板内部发生奥氏体和应变诱发ɛ马氏体之间可逆相变；
所述铁素体组织钢板的微观组织主要为铁素体，并且铁素体的平均晶粒尺寸不超过200μm；
所述奥氏体组织钢板的屈服强度不小于220MPa、断裂延伸率不小于40%，所述铁素体组织钢板的屈服强度小于180MPa、断裂延伸率不小于30%；
所述奥氏体组织钢板的厚度是所述铁素体组织钢板的厚度的0.4倍以上；
所有铁素体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和与所有奥氏体组织钢板核心耗能段的横截面面积之和的比值不小于0.6；
当所述铁素体组织钢板不同时在其两侧和奥氏体组织钢板相邻连接时，所述铁素体组织钢板和相邻奥氏体组织钢板之间的连接焊缝到所述铁素体组织钢板核心耗能段的任一非焊接侧的距离与所述铁素体组织钢板厚度之比不大于25。
2.根据权利要求1所述的芯部耗能结构，其特征在于，若所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的横截面几何形状沿长度方向保持不变，则所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的核心耗能段即为所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的全长；
若所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的横截面几何形状沿长度方向呈现两头宽、中间窄的特征，则所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板的核心耗能段为所述铁素体组织钢板或奥氏体组织钢板中间窄的部分。
3.根据权利要求1所述的芯部耗能结构，其特征在于，所述奥氏体组织钢板的化学成分的质量百分数为：C≤0.15%，22.0%≤Mn≤34.0%，3.5%≤Si≤5.5%，Al≤2.5%，Ni≤5.0%，Cu≤2.0%，P≤0.03%，S≤0.03%，N≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中，Al、Ni和Cu质量百分含量还满足如下关系：Ni/Cu≥0.25和Al+0.4Ni+0.25Cu≤3.5%。
4.根据权利要求1所述的芯部耗能结构，其特征在于，所述铁素体组织钢板的化学成分的质量百分数为：C≤0.1%，Mn≤1.0%，Si≤0.8%，Ti≤0.15%，Nb≤0.1%，V≤0.2%，P≤0.03%，S≤0.03%，N≤0.02%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
5.根据权利要求1所述的芯部耗能结构，其特征在于，所述芯部耗能结构的横截面选择为轴对称几何形状。
6.一种轴向钢阻尼器，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的芯部耗能结构和外围约束构件，所述外围约束构件起到对芯部耗能结构侧向位移进行约束、防止芯部耗能结构发生屈曲失稳的作用。
7.根据权利要求6所述的一种轴向钢阻尼器，其特征在于，所述外围约束构件选择为由钢管与内填混凝土组合形成的约束套管，或钢筋混凝土约束套管，或纯钢型结构约束。
8.根据权利要求6所述的一种轴向钢阻尼器，其特征在于，所述轴向钢阻尼器的极限允许位移与屈服位移之比不小于10，且极限允许位移不小于所述轴向钢阻尼器长度的1/60；并且，在此极限允许位移条件下，所述轴向钢阻尼器能够完成至少30周次周期性交替拉伸-压缩塑性变形且承载力衰减小于15%。
9.权利要求6所述的轴向钢阻尼器的应用，其特征在于，所述轴向钢阻尼器单独使用或者与其它钢支撑连接组合形成轴向耗能支撑，安装在建筑物或构筑物中，与建筑物或构筑物的梁柱主体结构连接形成一个整体，起到耗散外部震动能量的作用。
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