馬慈航，楊宇航，雷云程，黃 斌

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

隨著土木工程領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多的高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)被建造，因此保證建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全非常重要。TMD是一種傳統(tǒng)且有效的被動(dòng)控制裝置，在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在地震作用下，TMD系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的控制效果還存在一定的爭(zhēng)議[1-3]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)TMD系統(tǒng)中的黏滯阻尼器存在耐久性較差和漏油等問題，對(duì)TMD的控制效果產(chǎn)生不利的影響。SMA是一種新型智能材料，具有超彈性能，應(yīng)用這種性能，可以將其作為耗能構(gòu)件，達(dá)到耗能減震的目的。其次考慮到大震作用時(shí)，TMD系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大位移，具有和建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞的潛在風(fēng)險(xiǎn)，目前有不少學(xué)者將限位裝置引入到基礎(chǔ)隔震中。在TMD中，限位裝置更多的是用碰撞來達(dá)到限位的目的。韓騫子[4]對(duì)兩種粘彈性材料的耗能量進(jìn)行了研究，并研究了碰撞間距的最優(yōu)間隙比，以此來同時(shí)達(dá)到耗能減震和限位的目的。 受此啟發(fā)，將附著粘彈性材料的限位裝置引入SMAS-TMD系統(tǒng)中，提出了帶限位的SMAS-TMD減震系統(tǒng)，并對(duì)此做相關(guān)數(shù)值分析研究，討論該系統(tǒng)的減震控制效果。

1 裝有帶限位SMAS-TMD系統(tǒng)的框架模型

1.1 碰撞力力學(xué)模型

研究碰撞的關(guān)鍵是正確建立沖擊力數(shù)學(xué)模型，而該數(shù)學(xué)模型是高度非線性的。在此前提下，采用Wang等[5]提出的一種適用于粘彈性材料的碰撞力模型。

(1)

(2)

1.2 裝有帶限位SMAS-TMD系統(tǒng)的框架模型

考慮到限位裝置對(duì)SMAS-TMD控制效果的影響，設(shè)計(jì)出一個(gè)兩層框架模型，如圖1和圖2所示。該模型長(zhǎng)度為400 mm，寬度為100 mm，高度為360 mm。第一層質(zhì)量為1 772 g，第二層質(zhì)量為2 161 g，第一層剛度為2 759 N/m，第二層剛度為3 251 N/m，一階和二階阻尼比都為0.008。

圖中：1.底層；2.中間層；3.頂層；4.加強(qiáng)條；5.側(cè)壁；6.凹槽；7.直線滑道；8.可調(diào)式SMA螺旋彈簧固定螺桿；9.粘有粘彈性橡膠的限位塊；10.擰動(dòng)螺栓；11.TMD質(zhì)量小車；12.碰撞條；13.傳感器連接角鋼片。

1.3 裝有帶限位SMAS-TMD系統(tǒng)的框架的動(dòng)力學(xué)方程

為了研究帶限位的SMAS-TMD體系的減震效果，以1.2節(jié)中的兩層框架模型為例，建立帶限位SMAS-TMD體系的動(dòng)力學(xué)方程，如下所示

(3)

(4)

式中，F(xiàn)P為碰撞力，由式(1)獲得，其中δ=x-x0。

2 帶限位SMAS-TMD系統(tǒng)的減震控制研究

通過MATLAB數(shù)值模擬對(duì)比分析無控情況下、不帶限位SMAS-TMD系統(tǒng)情況下和帶限位SMAS-TMD系統(tǒng)情況下的二層框架響應(yīng),選取PGA=0.2g的Kobe波進(jìn)行減震控制研究。

通過表1可以看出，在Kobe波(PGA=0.2g)作用下，當(dāng)限位距離逐漸增大時(shí)，帶限位SMAS-TMD的位移峰值響應(yīng)減震率先增大后減小，其減震率在50.40%～76.74%之間，而加速度峰值響應(yīng)減震率在32.20%～61.34%之間，表明了帶限位SMAS-TMD的位移響應(yīng)控制效果優(yōu)于加速度響應(yīng)控制效果，而且當(dāng)限位間距為0.025 m時(shí)，帶限位SMAS-TMD的位移和加速度峰值響應(yīng)減震率均達(dá)到最大，且均優(yōu)于不帶限位裝置的SMAS-TMD的控制效果，這是因?yàn)樵谶m當(dāng)?shù)南尬婚g距下，質(zhì)量塊與附著的粘彈性材料的限位裝置發(fā)生碰撞，增強(qiáng)了能量耗散和動(dòng)量轉(zhuǎn)換，提高了控制效果。

表1 Kobe波(PGA=0.2g)作用下的峰值響應(yīng)減震率

3 結(jié) 語

在地震波作用下，選取適當(dāng)?shù)南尬婚g距，可以使帶限位裝置的SMAS-TMD系統(tǒng)不僅具有良好的減震效果，而且還能起到限位作用，可以有效防止質(zhì)量塊與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。