田 坤

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

0 引言

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大變形，從而導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷，甚至發(fā)生倒塌，且殘余變形較大，造成震后修復(fù)成本高、難度大。因此，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)與殘余變形是土木工程領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的課題。為解決上述問題，可采用具有可恢復(fù)功能的結(jié)構(gòu)，經(jīng)地震作用后，該類結(jié)構(gòu)無須修復(fù)或稍加修復(fù)即可恢復(fù)使用功能[1]。為保證結(jié)構(gòu)具有可恢復(fù)功能，通常在結(jié)構(gòu)中設(shè)置自復(fù)位裝置。

1 自復(fù)位裝置類型

按構(gòu)造形式及恢復(fù)力提供構(gòu)件可將自復(fù)位裝置分為以下類型。

1)預(yù)應(yīng)力筋式自復(fù)位裝置

Christopoulos等[2]研發(fā)出自復(fù)位耗能鋼支撐裝置，使用芳綸纖維筋作為恢復(fù)力提供構(gòu)件，并在支撐外筒設(shè)置摩擦板，以提高耗能能力。受芳綸纖維筋變形能力限制，該裝置行程受限。為此，Erochko等[3]進(jìn)行了改進(jìn)，將自復(fù)位筋進(jìn)行層疊串聯(lián)，提出可提高變形行程的層疊式自復(fù)位裝置，并進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)研究。

2)形狀記憶合金式自復(fù)位裝置

Zhu等[4]提出由2塊鋼支撐板和形狀記憶合金索組成的自復(fù)位摩擦支撐裝置，依靠形狀記憶合金索提供恢復(fù)力，依靠支撐板間的摩擦作用耗能。Khader等[5]提出的自復(fù)位支撐裝置主要由2塊鋼板組成，通過形狀記憶合金索將2塊鋼板相連，以提供恢復(fù)力，依靠鋼板間的摩擦作用耗能。Ozbulut[6]提出黏彈性自復(fù)位阻尼裝置，在阻尼器外部纏繞形狀記憶合金索，通過形狀記憶合金索提供恢復(fù)力，依靠黏彈性材料剪切變形耗能。Miller等[7]提出自復(fù)位屈曲約束支撐裝置，在常規(guī)屈曲約束支撐外部設(shè)置預(yù)張拉形狀記憶合金棒，通過形狀記憶合金棒提供恢復(fù)力，依靠屈曲約束支撐耗能。董金芝等[8-9]提出使用大直徑形狀記憶合金棒的自復(fù)位裝置，并通過擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置具有良好的力學(xué)性能，該裝置通過形狀記憶合金棒提供恢復(fù)力。

3)鋼彈簧式自復(fù)位裝置

Dong等[10-12]設(shè)計(jì)了用于橋梁結(jié)構(gòu)的自復(fù)位耗能支撐裝置，通過擬靜力試驗(yàn)研究了該裝置的力學(xué)性能和破壞形式，并進(jìn)行了參數(shù)分析，該裝置通過碟形彈簧提供恢復(fù)力。蔣璐等[13]研發(fā)了設(shè)置碟形彈簧的自復(fù)位裝置，并對(duì)設(shè)置該裝置的單榀搖擺墻-框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究。Issa等[14]提出活塞式自復(fù)位支撐裝置，并通過擬靜力試驗(yàn)研究了該裝置力學(xué)性能，該裝置通過摩擦彈簧提供恢復(fù)力和耗能能力。徐龍河等[15-18]基于碟形彈簧，研發(fā)出多種自復(fù)位支撐裝置，并通過擬靜力試驗(yàn)研究了多種裝置力學(xué)性能。

已有自復(fù)位裝置多依靠構(gòu)件間的摩擦作用耗能，隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)的增加，在地震作用下，裝置將發(fā)生變形，可能導(dǎo)致耗能能力和可靠度降低。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器等消能減震裝置，可顯著減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)[19]，但常規(guī)黏滯阻尼器不具備自復(fù)位能力，為此，研發(fā)設(shè)置碟形彈簧的新型自復(fù)位阻尼器，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)比分析無控結(jié)構(gòu)、設(shè)置常規(guī)黏滯阻尼器的隔震結(jié)構(gòu)和設(shè)置新型自復(fù)位阻尼器的自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

2 新型自復(fù)位阻尼器構(gòu)造

新型自復(fù)位阻尼器構(gòu)造如圖1所示，主要由導(dǎo)桿、密封外筒和碟形彈簧組成，裝置內(nèi)部填充黏滯阻尼液，依靠碟形彈簧壓縮變形產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力實(shí)現(xiàn)自復(fù)位，通過內(nèi)部耗能隔板等部件使黏滯阻尼液發(fā)生剪切和擠壓，從而起耗能作用。

圖1 新型自復(fù)位阻尼器構(gòu)造示意

新型自復(fù)位阻尼器工作狀態(tài)如圖2所示，通過構(gòu)造設(shè)計(jì)，可使阻尼器受拉和受壓時(shí)碟形彈簧均處于壓縮狀態(tài)，從而為阻尼器提供彈性恢復(fù)力。

圖2 新型自復(fù)位阻尼器工作狀態(tài)示意

新型自復(fù)位阻尼器主要具有彈性自復(fù)位能力和耗能能力，將黏滯阻尼器和碟形彈簧滯回模型進(jìn)行疊加，可得新型自復(fù)位阻尼器理論滯回模型，如圖3所示。由圖3可知，新型自復(fù)位阻尼器滯回模型呈雙線性特征。

圖3 新型自復(fù)位阻尼器理論滯回模型

3 有限元模型建立

采用有限元分析軟件SAP2000建立12層無控結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)系模型(見圖4a)，對(duì)無控結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力特性與層間變形特性進(jìn)行研究，分別在層間位移較大的位置(2，4，6，8層)設(shè)置常規(guī)黏滯阻尼器和新型自復(fù)位阻尼器，建立常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)系模型和自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)系模型，分別如圖4b，4c所示。數(shù)值模擬分析時(shí)選用El-Centro，Kobe，Loma，Taft波，地震波原始信息如表1所示，歸一化地震波時(shí)程曲線與加速度反應(yīng)譜如圖5所示。

圖4 有限元模型

表1 地震波原始信息

圖5 歸一化地震波時(shí)程曲線與加速度反應(yīng)譜

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

4.1 加速度

當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣葹?.3g時(shí)，不同地震波作用下結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)如圖6所示。由圖6可知，3種結(jié)構(gòu)加速度均隨著樓層數(shù)的增加而增大，常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)與自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)加速度較無控結(jié)構(gòu)小。在El-Centro，Taft波作用下，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)相對(duì)于常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)差別較小，在頂部個(gè)別樓層處加速度略放大；在Loma波作用下，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)1～9層加速度響應(yīng)與常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)相當(dāng)，但10～12層加速度減??；在Kobe波作用下，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)加速度相對(duì)于常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)明顯減小。

圖6 加速度放大系數(shù)曲線

當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣葹?.3g時(shí)，Kobe波作用下常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)與自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)相對(duì)于無控結(jié)構(gòu)減小率如表2所示。由表2可知，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)控制效果優(yōu)于常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)，其中加速度放大系數(shù)減小率最大值為8.59%。

由地震波加速度反應(yīng)譜可知，Kobe，Loma波在1s(與結(jié)構(gòu)一階周期0.97s相近)處存在明顯峰值段，造成結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)增大，通過設(shè)置常規(guī)黏滯阻尼器和新型自復(fù)位阻尼器，可顯著減小結(jié)構(gòu)加速度，且新型自復(fù)位阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的控制效果更顯著。

表2 結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)減小率 %

4.2 位移

當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣葹?.3g時(shí)，不同地震波作用下結(jié)構(gòu)水平位移峰值和層間位移角峰值分別如圖7，8所示，Kobe波作用下常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)與自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)水平位移峰值和層間位移角峰值相對(duì)于無控結(jié)構(gòu)減小率分別如表3，4所示。由圖7和表3可知，3種結(jié)構(gòu)水平位移峰值均隨著樓層數(shù)的增加而增大；常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)與自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)水平位移峰值均較無控結(jié)構(gòu)小，尤其是在El-Centro，Taft波作用下；在Kobe波作用下，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)水平位移相對(duì)于常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)減小效果更顯著，其中水平位移峰值減小率最大值為27.27%。由圖8和表4可知，常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)與自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)層間位移角峰值均較無控結(jié)構(gòu)小，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)層間位移角控制效果更顯著，其中層間位移角峰值減小率最大值為14.00%。

表3 結(jié)構(gòu)水平位移峰值減小率 %

圖7 結(jié)構(gòu)水平位移峰值曲線

圖8 結(jié)構(gòu)層間位移角峰值曲線

表4 結(jié)構(gòu)層間位移角峰值減小率 %

4.3 滯回性能

當(dāng)?shù)孛娣逯导铀俣葹?.3g時(shí)，不同地震波作用下常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)與自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)4層處阻尼器滯回曲線如圖9所示。由圖9可知，新型自復(fù)位阻尼器滯回曲線飽滿，耗能能力良好，呈雙線性特征，與理論滯回模型相符。新型自復(fù)位阻尼器變形相對(duì)于常規(guī)黏滯阻尼器小，Kobe波作用下變形減小9%。

圖9 阻尼器滯回曲線

5 結(jié)語

研發(fā)新型自復(fù)位阻尼器，并根據(jù)工作原理與力學(xué)特性建立阻尼器理論滯回模型。采用有限元分析軟件SAP2000建立無控結(jié)構(gòu)、常規(guī)隔震結(jié)構(gòu)和自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)模型，分別進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)新型自復(fù)位阻尼器受拉和受壓時(shí)，內(nèi)部碟形彈簧均處于壓縮狀態(tài)，可為裝置提供彈性恢復(fù)力。

2)新型自復(fù)位阻尼器不影響結(jié)構(gòu)自振周期，可使結(jié)構(gòu)加速度和位移響應(yīng)得到有效控制，對(duì)位移響應(yīng)的控制效果更明顯。Kobe波作用下，自復(fù)位隔震結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)、水平位移峰值、層間位移角峰值減小率最大值分別為8.59%，27.27%，14.00%。

3)對(duì)于自振周期與地震動(dòng)卓越周期相近的結(jié)構(gòu)，新型自復(fù)位阻尼器動(dòng)力響應(yīng)控制效果優(yōu)于常規(guī)黏滯阻尼器。

4)數(shù)值模擬計(jì)算得到的新型自復(fù)位阻尼器滯回曲線飽滿，耗能能力良好，呈雙線性特征，與理論滯回模型相符。