呂遠(yuǎn) 孫宗光 孫建剛 崔利富 王振

摘要：根據(jù)力平衡原則推導(dǎo)了橢圓軌道滾動(dòng)隔震裝置恢復(fù)力力學(xué)模型，并分析了其不同橢圓函數(shù)參數(shù)及滾動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)的力學(xué)性能。得出滾球半徑及橢圓軌道短軸尺寸一定時(shí)，隨著長軸的增加，剛度系數(shù)逐漸減小，且剛度函數(shù)及周期函數(shù)的變化率逐漸變小，地震作用時(shí)可調(diào)節(jié)范圍也逐漸變小。建議橢圓長軸值的選取綜合考慮上部結(jié)構(gòu)自振頻率及有可能產(chǎn)生的最大水平位移優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用速度勢剛性理論推導(dǎo)球形儲(chǔ)罐考慮儲(chǔ)液晃動(dòng)的變曲率滾動(dòng)隔震簡化力學(xué)模型，并進(jìn)行了地震動(dòng)響應(yīng)研究。結(jié)果表明：考慮滾動(dòng)基礎(chǔ)隔震后能夠有效地減小球形儲(chǔ)罐地震動(dòng)響應(yīng)，尤其對基底剪力及傾覆彎矩有較好的減震控制作用。同時(shí)對儲(chǔ)液的晃動(dòng)響應(yīng)也能起到一定的抑制作用。球形軌道滾動(dòng)隔震與橢圓形軌道滾動(dòng)隔震各工況均值減震率相差較小，且變曲率滾動(dòng)隔震能在一定程度上限制隔震層位移。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)隔震;球形儲(chǔ)罐;變曲率;力學(xué)分析;地震動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4523（2020）01-0188-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.0.1021

1概述

基礎(chǔ)隔震是一種有效的被動(dòng)控制措施，通過在結(jié)構(gòu)與地面植入柔性隔震層，將地面與上部結(jié)構(gòu)解耦，隔絕了地震動(dòng)能量自下而上的傳導(dǎo)，其實(shí)質(zhì)是延長了結(jié)構(gòu)體系的自振周期，從而避開了地震動(dòng)卓越周期達(dá)到減震效果。在實(shí)際工程中橡膠墊隔震支座和滑移隔震系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于建筑物及筑物工程。帶凹槽自復(fù)位滾動(dòng)隔震系統(tǒng)也是一種十分有效的基礎(chǔ)隔震措施，其具有隔震效果好，震后自復(fù)位能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。Lin和Hone為了保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的安全性提出了滾動(dòng)隔震的概念。Zhou等提出了帶凹槽自復(fù)位滾動(dòng)隔震系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明采用滾動(dòng)隔震后能有效降低地震動(dòng)響應(yīng)，防止墻體裂縫的出現(xiàn)。姚謙峰等對自復(fù)位滾動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析并給出了隔震體系的計(jì)算模型及運(yùn)動(dòng)方程。孫建剛等提出了立式儲(chǔ)罐自復(fù)位滾動(dòng)隔震體系，進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該隔震系統(tǒng)對短周期地震動(dòng)有較好的控制作用。為了控制滾動(dòng)隔震隔震層的偏移，Guerreiro對一種新型橡膠層滾動(dòng)隔震體系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明新型滾動(dòng)隔震體系能大幅降低加速度響應(yīng)，阻尼增加了近30%，橡膠層的材料及厚度對隔震效果有顯著影響。Harvey和Gavin模擬了球形滾動(dòng)系統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)隔離器的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致滾球偏離上下凹槽板中心之問的中心線。Fiore等對橡膠一滾球隔震體系進(jìn)行了力學(xué)分析，通過分析可以確定表征此類設(shè)備性能的主要參數(shù)。郝進(jìn)鋒針對大型立式浮頂儲(chǔ)罐基礎(chǔ)采取滾動(dòng)隔震措施，并進(jìn)行了數(shù)值分析及試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在儲(chǔ)罐基礎(chǔ)附加自復(fù)位滾動(dòng)隔震系統(tǒng)能較好地控制儲(chǔ)罐的地震動(dòng)響應(yīng)。孫建剛等_1胡進(jìn)行了立式儲(chǔ)罐滾動(dòng)隔震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明采用滾動(dòng)隔震后罐壁處加速度峰值的減震率達(dá)到了75%，罐壁應(yīng)力大幅降低，但滾動(dòng)隔震對儲(chǔ)液晃動(dòng)波高的控制有限。

綜上所述，凹槽自復(fù)位滾動(dòng)隔震是一種構(gòu)造相對簡單且減震效率較高的隔震措施，但地震動(dòng)作用時(shí)可能會(huì)造成較大的偏移。影響其減震效果及隔震層偏移量的主要有上部結(jié)構(gòu)體系，凹槽軌道函數(shù)，滾球與凹槽接觸面材料及粗糙程度等。為了限制滾動(dòng)裝置的偏移，有學(xué)者提出了限位裝置——滾珠滾動(dòng)組合隔震體系，旨在通過彈簧，軟鋼，sMA等限制隔震層位移，但組合隔震體系通常構(gòu)造復(fù)雜，且往往由于限位裝置而影響了滾動(dòng)隔震措施的減震效果。目前自復(fù)位滾動(dòng)隔震體系的滾動(dòng)軌道多為球形，在隔震層位移較小時(shí)可看作是等剛度隔震體系，鑒于此本文從改變滾動(dòng)軌道函數(shù)的角度出發(fā)，提出了變曲率橢圓軌道滾動(dòng)隔震裝置，推導(dǎo)了其恢復(fù)力力學(xué)模型，并將其應(yīng)用于石油化工中的關(guān)鍵存儲(chǔ)設(shè)備球形儲(chǔ)罐中，進(jìn)行了地震動(dòng)響應(yīng)分析。

變曲率橢圓軌道滾動(dòng)隔震裝置圖如圖1所示，由上下凹槽板與鋼制滾珠組成，上下頂板凹槽沿360°的任意切面均為同一橢圓函數(shù)。從幾何角度看，橢圓軌道的曲率半徑處處不同，隨著隔震裝置的偏移，曲率半徑逐漸減小，恢復(fù)力剛度逐漸增大。

從圖3可以看出，滾球半徑及橢圓軌道短軸尺寸一定時(shí)，隨著長軸的增加，剛度系數(shù)逐漸減小，隔震周期逐漸增大，且剛度函數(shù)及周期函數(shù)的變化率逐漸變小，地震作用時(shí)可調(diào)節(jié)范圍也逐漸變小。但為達(dá)到較好的減震效果，隔震周期也不宜不過小，因此長軸值的選取需綜合考慮上部結(jié)構(gòu)自振頻率及有可能產(chǎn)生的最大水平位移優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2橢圓軌道滾動(dòng)隔震擬靜力滯回研究

從圖5可以看出，恢復(fù)力滯回曲線呈反S型，隨著摩擦系數(shù)的增大滯回曲線愈加飽滿，且恢復(fù)力也呈增大趨勢，說明適當(dāng)增大橢圓軌道與滾珠之問的摩擦系數(shù)，對滾動(dòng)限位是起積極作用的。

3變曲率滾動(dòng)隔震裝置在球形儲(chǔ)罐中的應(yīng)用

3.1基本理論

采用速度勢剛性理論推導(dǎo)球形儲(chǔ)罐考慮儲(chǔ)液晃動(dòng)的基礎(chǔ)隔震簡化力學(xué)模型。假定儲(chǔ)液為無旋、無黏、不可壓縮的理想流體。由于球形儲(chǔ)罐相對于大型立式儲(chǔ)罐來說體積較小，但壁厚較厚，且由于其球形形狀及主要存儲(chǔ)輕質(zhì)油，可假設(shè)其罐壁為剛性罐壁。在地震作用下，地面運(yùn)動(dòng)與上部結(jié)構(gòu)問引入隔震層運(yùn)動(dòng)xi（t），則球形儲(chǔ)罐基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的分析圖如圖6所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，考慮滾動(dòng)基礎(chǔ)隔震后能夠有效地減小球形儲(chǔ)罐地震動(dòng)響應(yīng)，尤其對基底剪力及傾覆彎矩的控制，減震率達(dá)到了77%-85%，減震效果非常好，對儲(chǔ)液晃動(dòng)波高也有一定的控制作用。球形軌道滾動(dòng)隔震相較于橢圓形軌道滾動(dòng)隔震減震效果更好，但整體上各工況均值減震率相差較小，在5.5%以內(nèi)。而球形軌道滾動(dòng)隔震的隔震層位移更大，從均值上看與橢圓軌道滾動(dòng)隔震隔震層位移差異率為21.67%。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可以看出，隔震層位移較小時(shí)，兩種隔震措施隔震層位移的差異率也相對較小。隔震層位移的差別主要發(fā)生在“人工波2”上，此時(shí)兩種滾動(dòng)隔震方式隔震層位移差異率達(dá)到了49.45%，從圖9中可以看出，“人工波2”作用下橢圓軌道滾動(dòng)隔震層剛度變化范圍較大，峰值時(shí)較初始剛度增加了2.18倍，有效地控制了隔震層位移，但由于隔震周期的減小會(huì)造成基底剪力、傾覆彎矩等的減震率減小。

4結(jié)論

（1）根據(jù)力平衡原則推導(dǎo)了橢圓軌道滾動(dòng)隔震恢復(fù)力力學(xué)模型，并分析了其不同橢圓函數(shù)參數(shù)及滾動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)的力學(xué)性能。滾球半徑及橢圓軌道短軸尺寸一定時(shí)，隨著橢圓長軸的增加，剛度系數(shù)逐漸減小，且剛度函數(shù)及周期函數(shù)的變化率逐漸變小，地震作用時(shí)可調(diào)節(jié)范圍也逐漸變小。建議橢圓長軸值的選取需綜合考慮上部結(jié)構(gòu)自振頻率及有可能產(chǎn)生的最大水平位移優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）采用速度勢剛性理論推導(dǎo)球形儲(chǔ)罐考慮儲(chǔ)液晃動(dòng)的變曲率滾動(dòng)隔震簡化力學(xué)模型，并進(jìn)行了地震動(dòng)響應(yīng)研究，考慮滾動(dòng)基礎(chǔ)隔震后能夠有效地減小球形儲(chǔ)罐地震動(dòng)響應(yīng)，尤其對基底剪力及傾覆彎矩的控制，對儲(chǔ)液晃動(dòng)波高也有一定的控制作用。

（3）球形軌道滾動(dòng)隔震相較于橢圓形軌道滾動(dòng)隔震各工況均值減震率相差較小，且變曲率滾動(dòng)隔震能在一定程度上限制隔震層位移。