喻夢利, 段紹偉, 丁沛

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基于聯(lián)合減震結(jié)構(gòu)的振動臺試驗分析

喻夢利, 段紹偉, 丁沛

(中南林業(yè)科技大學, 土木工程與力學學院, 湖南長沙, 410004)

通過在鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)中設(shè)置橡膠隔震支座及阻尼器的不同組合方式構(gòu)成減震結(jié)構(gòu), 并對結(jié)構(gòu)進行了振動臺試驗。試驗表明: 橡膠隔震支座對隔震層和上部結(jié)構(gòu)的加速度和位移均能起到很好的控制作用; 在上部結(jié)構(gòu)加設(shè)粘滯阻尼器之后, 隔震層的加速度和位移均有所減小, 但減小幅度不大, 而頂層的加速度和位移均出現(xiàn)大幅度減小, 梁、柱的應(yīng)變減小超過50%, 說明在設(shè)置隔震支座的基礎(chǔ)上, 通過布置粘滯阻尼器能達到較好的減震效果。

振動臺試驗; 粘滯阻尼器; 橡膠隔震支座; 加速度

地震是人類所面臨的突發(fā)性自然災(zāi)害之一。我國是一個地震頻發(fā)的國家, 比如1976年7月28日的唐山大地震、2008年5月12日的汶川大地震以及2010年4月14日的玉樹地震等等, 這些地震無一例外給人民群眾的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失。傳統(tǒng)的抗震是以防止結(jié)構(gòu)倒塌為目標, 其抗震性很大程度上依賴于結(jié)構(gòu)的延性, 而這樣的結(jié)構(gòu)往往在地震作用下會造成破壞, 使結(jié)構(gòu)不再安全。因此, 如何最大限度地保證在強烈的地震作用下結(jié)構(gòu)的安全是結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員面臨的亟待解決的一大課題。近年來, 結(jié)構(gòu)減震理論的發(fā)展[1]為解決此類問題開辟了新的途徑, 各種各樣的隔震減震裝置不斷地運用于實際結(jié)構(gòu)中, 其中橡膠隔震支座以及粘滯阻尼器以安裝簡便、減震效果良好的優(yōu)點備受青睞。國內(nèi)外學者對于設(shè)置隔震支座的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)[2–5]和安裝粘滯阻尼器[6–7]的減震結(jié)構(gòu)做了大量的研究, 并取得許多研究成果。但目前對于聯(lián)合減震結(jié)構(gòu)的研究還非常少[8–9], 因此, 本文將對同時設(shè)置橡膠隔震支座以及粘滯阻尼器的聯(lián)合減震結(jié)構(gòu)進行振動臺模擬分析。

1 振動臺試驗

1.1 試驗裝置

試驗采用4個直徑為500 mm的橡膠隔震支座以及2個液體粘滯阻尼器。每個隔震支座的設(shè)計承載力為2 940 kN, 阻尼器的最大位移為20 mm, 支座外形和阻尼器如圖1所示。

圖1 減震裝置

該試驗在中南大學高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室完成。MTS模擬振動臺臺面尺寸為4 m × 4 m, 最大承載30 t, 可對試驗對象進行,,三個方向的激振, 3個方向的臺面最大位移為±250 mm, ±250 mm和±160 mm。振動臺工作頻率范圍為0.1～50 Hz。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

該試驗為一個2層單跨的鋼-混凝土混合框架實體模型, 底層為2 m × 2 m × 2 m的混凝土結(jié)構(gòu), 上層為2 m × 2 m × 1 m的鋼結(jié)構(gòu)。減震體系由4個疊層橡膠隔震支座以及2個粘滯阻尼器構(gòu)成, 其中橡膠隔震支座頂面的鋼板通過螺栓與柱底預留鋼板連接。粘滯阻尼器安裝在上層的鋼結(jié)構(gòu)部分, 采用對角斜撐的形式[10](圖1), 通過鋼管將阻尼器與鋼柱連接, 節(jié)點部分采用焊接。

1.3 試驗與加載

試驗選用了汶川波、Kobe波(下文簡稱K波)2條天然強震記錄以及1條人工合成波(大瑞波)進行測試。試驗將加速度幅值調(diào)整為0.1g和0.4g在水平方向進行加載。試驗前采用白噪聲進行掃頻, 頻率為1～50 Hz。整個實驗根據(jù)輸入不同的加速度、有無隔震支座等情況, 共進行了32個工況試驗, 有4個加速度測點和3個位移測點, 測試內(nèi)容有隔震層及上部結(jié)構(gòu)各層的加速度反應(yīng), 各層間位移和梁、柱應(yīng)變反應(yīng)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 加速度反應(yīng)

加速度是衡量一定時間內(nèi)速度變化快慢的物理量, 結(jié)構(gòu)的加速度越大, 證明地震作用對結(jié)構(gòu)損傷越大。圖2、圖3和圖4、圖5分別為在0.4g的3種地震波作用下, 單獨設(shè)置隔震支座和隔震支座與阻尼器聯(lián)合設(shè)置時結(jié)構(gòu)頂層和隔震層加速度時程曲線圖。

圖2 隔震支座作用下頂層加速度時程曲線

從圖2和圖3可以看出, 在0.4g 不同地震波作用下, 設(shè)置隔震支座與粘滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)比單獨設(shè)置隔震支座的隔震結(jié)構(gòu)的頂點加速度幅值明顯要小, 在加速度峰值處的衰減尤為明顯, 超過了50%。

從圖4和圖5可以看出, 同樣在0.4g三條地震波作用下, 在設(shè)置隔震支座的基礎(chǔ)上加上粘滯阻尼器之后隔震層的加速度有所減小, 但是變化不明顯。這與粘滯阻尼器設(shè)置的位置有關(guān)[10], 粘滯阻尼器設(shè)置在上層, 所以對上層的加速度減小明顯, 對隔震層加速度影響不大。

圖3 隔震支座和阻尼器作用下頂層加速度時程曲線

圖4 隔震支座作用下隔震層加速度時程曲線

圖5 隔震支座和阻尼器作用下隔震層加速度時程曲線

2.2 位移反應(yīng)

模型結(jié)構(gòu)層間位移幅值反應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的大小, 此處對3種試驗?zāi)Ｐ?I—無隔震裝置、II—加隔震支座、III—加隔震支座與阻尼器組合)的層間位移進行比較。表1為3種結(jié)構(gòu)在3種不同地震波作用下的各層最大位移。

表1 3種波在不同加速度作用下的各層最大位移

從表1可看出, 在不同地震波作用下, 隔震支座能有效地減小了上部結(jié)構(gòu)的位移幅值, 各層的位移約能減少40%, 隨著樓層越高, 位移減少幅度越大; 當在基礎(chǔ)隔震的基礎(chǔ)上設(shè)置了粘滯阻尼器之后, 相比單獨設(shè)置隔震支座, 頂層位移減小70%左右, 隔震層位移也減少了25%左右, 說明同時設(shè)置隔震支座與阻尼器之后上部結(jié)構(gòu)的位移能得到有效的控制。

2.3 應(yīng)變反應(yīng)

試驗中在結(jié)構(gòu)梁柱的最不利截面布置了38個應(yīng)變片測點, 本文選取幾個典型截面進行分析。設(shè)置隔震支座的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)以及同時設(shè)置隔震支座與粘滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在0.4g的K波作用下的—圖如圖6、圖7所示。

圖6 K波作用下柱子ε—t圖

圖7 K波作用下梁ε—t圖

從圖6可以看出, 不管是一層的混凝土柱還是二層的鋼柱, 在隔震支座的基礎(chǔ)上設(shè)置了粘滯阻尼器之后柱子的應(yīng)變減小很多, 鋼柱柱頂位置的應(yīng)變由70變?yōu)?5, 減小超過50%, 而混凝土柱的柱頂由250變成50, 減小幅度更大; 隨著樓層的增高, 柱的應(yīng)變越小, 說明在水平力作用下, 結(jié)構(gòu)底部所受的剪力也越大。

從圖7可以看出, 鋼結(jié)構(gòu)梁由于抗彎剛度大于混凝土梁, 對于抗震來說, 鋼結(jié)構(gòu)的延性更好, 而混凝土是脆性材料, 所以鋼結(jié)構(gòu)的變形大于混凝土部分; 在上部結(jié)構(gòu)中設(shè)置了阻尼器之后, 梁的變形大大減小, 說明阻尼器增大了結(jié)構(gòu)的阻尼, 能有效地保護結(jié)構(gòu)構(gòu)件不被破壞。

3 結(jié)論

通過對非隔震結(jié)構(gòu)、單獨設(shè)置隔震支座的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)以及同時設(shè)置隔震支座與阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在汶川、K波、大瑞波的水平方向進行振動臺試驗分析, 得到以下主要結(jié)論。

在基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)上部加上阻尼器之后, 結(jié)構(gòu)頂層的加速度明顯變小, 尤其是在加速度峰值處的衰減尤為明顯; 基礎(chǔ)隔震層的加速度的衰減不太明顯, 這與阻尼器安裝的位置有關(guān)。

設(shè)置隔震支座和粘滯阻尼器能顯著減小結(jié)構(gòu)隔震層和上部結(jié)構(gòu)的位移, 可以實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)減震和限制位移的目標。

在上部結(jié)構(gòu)設(shè)置粘滯阻尼器之后, 構(gòu)件的應(yīng)變大大減小, 說明阻尼器消耗了大部分的地震力, 能有效地保護結(jié)構(gòu)不被破壞。

[1] 周福霖. 工程結(jié)構(gòu)減震控制[M]. 北京: 地震出版社, 1997: 22–24.

[2] 劉文光. 橡膠隔震支座力學性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學, 2003.

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(責任編校: 江河)

Experimental analysis of shaking table based on combined vibration damping structure

Yu Mengli, Duan Shaowei, Ding Pei

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

A series of shaking table tests of the steel-concrete hybrid structure are set up by changing the combination method of rubber bearings and dampers. The test results show that the rubber bearing can perform a well controlling effect in the acceleration and displacement of both of the rubber bearing isolation layer and the upper structure. After the additional viscous dampers on upper structure are settled, both the acceleration and the displacement of the isolation layer are reduced, but the reduction is not quite obvious. Meanwhile, the acceleration and displacement of the top layer are decreased drastically, and also both the strain of its beams and columns are reduced more than 50%, which means that placing a viscous damper on the basis of rubber bearings can achieve a better damping effect.

shaking table test; viscous damper; rubber isolation bearing; acceleration

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.018

TU 352.1+2

A

1672–6146(2017)01–0078–05

喻夢利, 1604704207@qq.com。

2016–10–24

國家自然科學基金(51274258)。