新型嵌套缓冲阻尼器的多级被动抗震耗能性能研究：实验与数值模拟

《Soil & Environmental Health》：Experimental and numerical investigation of a novel nested cushion damper for multi-level passive seismic energy dissipation

本文提出了一种创新性的嵌套缓冲阻尼器(NCD)，通过内外钢制缓冲垫的可控接触实现多级屈服机制。实验表明，NCD在循环荷载下具有稳定的滞回性能和102-202 kJ的高耗能能力，等效阻尼比达30-40%。有限元分析验证了厚度、水平间隙(eH)等参数对性能的调控作用，为结构抗震设计提供了新型被动控制解决方案。

　　

^Highlight

^{General introduction}

这款新型嵌套缓冲阻尼器(NCD)由内外两层钢制缓冲垫组成，就像俄罗斯套娃一样精巧。每个缓冲垫单元包含两个半圆形端部和直线段，通过焊接组装而成。当结构受到地震作用时，外层缓冲垫会先发生屈服变形，就像第一道防线；随着震动加剧，内外层组件产生可控碰撞(e_H)，激活第二道耗能机制，实现智能分级抗震。

^{Specimens description}

研究人员设计了5个不同规格的试件进行"体检"，所有试件保持150mm×150mm×300mm的标准尺寸，但通过调整厚度和内外层水平间隙(e_H)来探索性能变化。特别设置了重复试件作为对照组，确保实验结果的可靠性。

^{Results and discussion}

力-位移曲线就像阻尼器的"心电图"，显示所有试件在60mm位移范围内都保持稳定的"心律"，没有出现强度衰减。有趣的是，由于内层组件的旋转变形，碰撞位移会像弹簧一样在循环加载中动态变化。试件厚度从16mm增加到20mm时，就像给阻尼器"增肌"，使其初始刚度提升约50%，耗能能力增长35%。

^{Validation of NCDs model}

通过Abaqus软件构建的数字化双胞胎模型，成功复现了试件的力学行为。采用18,000个C3D8R单元进行精细模拟，就像给阻尼器做了次"CT扫描"，准确捕捉到接触碰撞的非线性行为。参数分析显示，增加焊接区刚性长度就像强化"关节"，能显著提升初始刚度。

^Conclusion

研究表明NCD装置如同给建筑装上了智能"减震器"，其多级耗能机制能根据震级强度自动调节防护力度。等效阻尼比达到30-40%的优秀水平，且残余变形较小，展现出工程应用的巨大潜力。