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        帶限位的SMAS-TMD系統(tǒng)減震控制研究

        2021-06-29 10:20:42馬慈航楊宇航雷云程
        建材世界 2021年3期
        關(guān)鍵詞:粘彈性限位間距

        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。

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