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        地震作用下浮放物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究

        2021-12-20 11:59:44楊維國(guó)胡衛(wèi)中葛家琪
        振動(dòng)與沖擊 2021年23期
        關(guān)鍵詞:有限元研究

        楊維國(guó),胡衛(wèi)中,齊 濤,劉 佩,王 萌,葛家琪

        (1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044;2.中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京 100120)

        浮放物體指以浮放方式放置于基礎(chǔ)平臺(tái)上的物體[1],如文物、家具、儀器設(shè)備等。地震作用下,浮放物體通常會(huì)發(fā)生滑移、滑移-搖擺以及搖擺(傾覆)等運(yùn)動(dòng)方式,如圖1所示。浮放物體一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng),容易發(fā)生損壞,產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。浮放物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是決定其保護(hù)措施的關(guān)鍵因素,如浮放文物通常采取魚線固定法防止其搖擺(傾覆)。因此,為了更好的保護(hù)浮放物體,有必要針對(duì)浮放物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律展開研究。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)浮放物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)展開了大量研究。Housner[2]將浮放物體簡(jiǎn)化為塊狀剛體,建立了浮放物體的運(yùn)動(dòng)方程。Shi等[3]利用編制的計(jì)算機(jī)程序?qū)Σ煌瑢捀弑染匦螇K體的搖擺響應(yīng)進(jìn)行了研究。Kounadis等[4-7]分別采用單剛體、雙剛體以及三剛體模型對(duì)浮放物體的搖擺響應(yīng)進(jìn)行了推導(dǎo)分析。Shenton等[8-10]針對(duì)滑移、滑移-搖擺以及搖擺3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),推導(dǎo)了3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)方程,并提出了進(jìn)入不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的啟動(dòng)準(zhǔn)則。Yang等[11]提出一種二維理論,對(duì)浮放物體在滑移、滑移-搖擺以及搖擺等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。Zhang等[12]通過對(duì)浮放物體的搖擺響應(yīng)進(jìn)行研究,提出物體的傾覆與基礎(chǔ)激勵(lì)的加速度峰值及頻率有關(guān)。Taniguchi[13]對(duì)水平和豎向地震作用下浮放塊體進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)浮放物體對(duì)摩擦因數(shù)和寬高比較為敏感。Pea等[14]對(duì)4種不同幾何形狀的花崗巖塊體的搖擺響應(yīng)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明搖擺的幅度取決于載荷的頻率和振幅。Konstantinidis等對(duì)浮放的冰箱進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要表現(xiàn)為滑移。周乾等[17-20]基于博物館陳列展柜,并在展柜中浮放文物,對(duì)浮放文物的滑移和搖擺響應(yīng)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。Nezamisavojbolaghi等[21]將醫(yī)院大型設(shè)備簡(jiǎn)化為質(zhì)量偏心的浮放剛性塊體,利用MATLAB程序?qū)K體的搖擺響應(yīng)進(jìn)行了研究。

        目前,研究多集中在浮放物體的搖擺響應(yīng),缺少針對(duì)滑移、滑移-搖擺以及搖擺(傾覆)3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的系統(tǒng)性研究,因此,本文將浮放物體簡(jiǎn)化為木制塊體,圍繞滑移、滑移-搖擺以及搖擺(傾覆)3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),采用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,考慮寬高比、地震波的卓越頻率、體型大小、形狀以及質(zhì)心高度等因素,對(duì)浮放物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)展開研究。

        (a)

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試件設(shè)計(jì)

        試件采用質(zhì)地較硬的木材進(jìn)行制作,共設(shè)計(jì)了9個(gè)試件,如圖2所示。根據(jù)體型大小和形狀分為A、B、C 3組,A、C組為長(zhǎng)方體,C組體型大于A組,B組為圓柱體。初始設(shè)計(jì)寬高比分別為0.25、0.35、0.50。但由于試件加工過程導(dǎo)致試件尺寸偏差,試件寬高比與初始設(shè)計(jì)寬高比存在一定偏差,主要參數(shù)如表1所示。

        表1 試件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of specimens

        圖2 試驗(yàn)試件Fig.2 Test specimens

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        采用水平地震模擬振動(dòng)臺(tái)、傾角傳感器以及加速度傳感器等,如圖3所示。振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面尺寸為1 m×1 m,行程為±150 mm的運(yùn)動(dòng)范圍,位移精度為0.02 mm。傳感器量程為 ±180°,靜態(tài)精度為0.05°,動(dòng)態(tài)精度0.1°,質(zhì)量為10 g。加速度傳感器靈敏度為5 000 mV/g,量程為±10g,分辨率0.000 04g,質(zhì)量為12 g。

        (a)振動(dòng)臺(tái)

        1.3 測(cè)量方案

        傾角傳感器和加速度傳感器均布置在試件頂部,采用熱熔膠固定,如圖4所示。由于試件體積和質(zhì)量較小,力學(xué)位移計(jì)會(huì)影響試件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),很難實(shí)現(xiàn)位移的動(dòng)態(tài)測(cè)量,因此,采用記號(hào)筆在振動(dòng)臺(tái)面畫出基準(zhǔn)線,用于觀察加載過程中的滑移情況。此外,對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行全程錄像,結(jié)合加速度傳感器和傾角傳感器采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),對(duì)試件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判別。

        圖4 傳感器布置Fig.4 Sensor placement

        1.4 地震波選取及荷載工況

        選取6條卓越頻率依次增大的地震波,以W1~W6進(jìn)行編號(hào),截取前30 s進(jìn)行調(diào)幅作為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)地震波輸入,如表2所示。

        表2 所選取地震波的信息Tab.2 Information of selected seismic waves

        首先,利用地震波W1、W2、W3分別對(duì)9個(gè)試件進(jìn)行加載,每條地震波的加速度峰值逐級(jí)增加,分別取0.20g、0.25g、0.30g、0.35g、0.40g,當(dāng)試件發(fā)生傾覆時(shí),該條地震波的加速度峰值不再增加。然后,根據(jù)加載結(jié)果,選出發(fā)生滑移、滑移-搖擺和以及搖擺(傾覆)響應(yīng)的典型試件C-7、A-2、C-9,采用地震波W1~W6進(jìn)行加載,加載工況,如表3所示。

        表3 荷載工況Tab.3 Load case

        2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞模式

        2.1 摩擦因數(shù)測(cè)量

        采用靜拉試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)定,由于試驗(yàn)條件限制,假定靜摩擦因數(shù)與動(dòng)摩擦因數(shù)相等。將拉力計(jì)與振動(dòng)臺(tái)面保持平行,用魚線和熱熔膠將拉力計(jì)的拉鉤與試件底部連接,使振動(dòng)臺(tái)面發(fā)生勻速水平運(yùn)動(dòng),讀取測(cè)力計(jì)示數(shù),如圖5所示,每個(gè)試件分別進(jìn)行5次測(cè)量并取平均值,最終計(jì)算得到摩擦因數(shù),如表4所示。

        圖5 測(cè)量摩擦因數(shù)Fig.5 Measuring friction coefficient

        表4 摩擦因數(shù)Tab.4 Friction coefficient

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果

        利用地震波W1、W2、W3分別對(duì)9個(gè)試件進(jìn)行加載,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著地震波加速度峰值的增大,試件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變,試件分別出現(xiàn)了滑移、滑移-搖擺以及搖擺(傾覆)3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如表5所示。

        表5 地震波W1~W3作用下試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results under the action of seismic wave W1-W3

        對(duì)于寬高比接近0.5的試件,A-1、B-4、C-7的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榛?。?dāng)?shù)卣鸩铀俣确逯档扔?.20g、0.25g、0.30g時(shí),試件均處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)加速度峰值由0.30g增大到0.35g時(shí),試件開始滑移,當(dāng)加速度峰值由0.35g增加到0.40g時(shí),試件的滑移更為明顯。

        對(duì)于寬高比接近0.35的試件,A-2、C-8的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榛?,再由滑移變?yōu)榛茡u擺,其中,地震波W3作用時(shí),A-2由靜止直接變?yōu)榛茡u擺。當(dāng)加速度峰值0.25g增加到0.30g時(shí),試件B-5的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榛?搖擺,在加速度峰值增加到0.40g時(shí),出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。

        對(duì)于寬高比接近0.25的試件,A-3、C-9的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)閾u擺,再由搖擺轉(zhuǎn)變?yōu)閮A覆,當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯档扔?.20g時(shí),試件保持靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)加速度峰值增大到0.25g時(shí),試件變?yōu)閾u擺,在加速度峰值增加到0.40g時(shí),試件出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。試件B-6由于是圓柱體,在加速度峰值等于0.20g時(shí)就發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài),隨著加速度峰值增加,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A覆。

        綜上所述,寬高比接近0.5的試件,長(zhǎng)方體和圓柱體最終的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均為滑移;寬高比接近0.35的試件,長(zhǎng)方體最終為滑移搖擺,圓柱體最終為傾覆或滑移-搖擺,且出現(xiàn)滑移-搖擺的加速度峰值更??;寬高比接近0.25的試件,長(zhǎng)方體和圓柱體最終的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均為搖擺或傾覆,圓柱體出現(xiàn)搖擺的加速度峰值更小。由此可見,寬高比不同時(shí),寬高比越大,試件越穩(wěn)定,寬高比相同時(shí),長(zhǎng)方體試件比圓柱體試件更穩(wěn)定。

        為了研究地震波卓越頻率對(duì)試件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響,以滑移、滑移-搖擺和搖擺(傾覆)試件為研究對(duì)象,根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果,滑移狀態(tài)選擇試件C-7,加速度峰值0.40g,滑移搖擺狀態(tài)選擇A-2,加速度峰值取0.40g,搖擺狀態(tài)選擇試件C-9,加速度峰值取0.35g。采用地震波W1~W6對(duì)試件進(jìn)行加載,結(jié)果如表6所示。從表6可以看出,對(duì)于滑移試件,隨著地震波卓越頻率的增加,試件的滑移程度減弱;對(duì)于滑移-搖擺試件,搖擺角度時(shí)程曲線見圖6,搖擺角度依次為5.6°、4.3°、4.3°、3.5°、2.8°、2.2°;對(duì)于搖擺試件,搖擺角度時(shí)程曲線見圖7,由圖和表可知,地震波W1~W2作用下,試件發(fā)生傾覆,而在地震波W3~W6作用下,試件發(fā)生搖擺,最大搖擺角度分別為10.1°、5.5°、3.8°、3.3°。由此可見,試件的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨地震波卓越頻率的增大而減弱。

        表6 地震波W1~W6作用下試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results under the action of seismic wave W1-W6

        (a)地震波W1~W3作用

        (a)地震波W1~W3作用

        3 有限元模型驗(yàn)證

        利用ABAQUS軟件建立有限元模型,包括振動(dòng)臺(tái)面和試件。臺(tái)面采用鋼材,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,在中心創(chuàng)建參考點(diǎn)RP-1,以此點(diǎn)為約束控制點(diǎn)建立剛體約束將臺(tái)面約束,使其等效為剛體。試件材料與試驗(yàn)?zāi)静谋3忠恢?,密度按照每個(gè)試件的實(shí)際密度進(jìn)行輸入,彈性模量為13 GPa,泊松比為0.4。試件底面與振動(dòng)臺(tái)面采用面面接觸,切向采用罰摩擦,摩擦因數(shù)與試驗(yàn)一致,法向采用硬接觸,允許接觸后分離,由于試件會(huì)發(fā)生傾覆,試件側(cè)面與臺(tái)面也設(shè)置接觸。

        為了得到搖擺角度,在試件質(zhì)心處建立參考點(diǎn)RP-2,以此點(diǎn)為約束控制點(diǎn)建立剛體約束,使試件各點(diǎn)自由度與質(zhì)心相同且各點(diǎn)之間無相對(duì)位移。滑移采用試件底面中心點(diǎn)與底板中心點(diǎn)的相對(duì)位移。單元采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R,有限元模型,如圖8所示。

        圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

        為了保證有限元模型的有效性,分別選取滑移、滑移-搖擺以及搖擺傾覆3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的試件,并以不同的地震波進(jìn)行輸入。

        滑移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇試件C-7,地震波W1,加速度峰值為0.35g,由于試驗(yàn)過程中未能獲得試件的位移時(shí)程曲線,因此采用加速度時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示。可見有限元與試驗(yàn)的曲線擬合較好。滑移-搖擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇試件A-2,地震波W4,加速度峰值為0.40g,搖擺角時(shí)程曲線與試驗(yàn)曲線擬合較好,如圖10所示。有限元結(jié)果顯示試件A-2發(fā)生滑移-搖擺運(yùn)動(dòng),與試驗(yàn)結(jié)果一致。搖擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇試件C-9,地震波W2,加速度峰值為0.30g,搖擺角時(shí)程曲線與試驗(yàn)曲線擬合較好,如圖11所示。有限元結(jié)果顯示試件C-9發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng),與試驗(yàn)結(jié)果一致。由此可見,建立的有限元模型具有較好的有效性。

        圖9 試件C-7加速度時(shí)程對(duì)比圖Fig.9 Acceleration time history comparison diagram of specimen C-7

        圖10 試件A-2搖擺角度時(shí)程對(duì)比圖Fig.10 Time history comparison diagram of rocking angle of specimen A-2

        圖11 試件C-9搖擺角度時(shí)程對(duì)比圖Fig.11 Time history comparison diagram of rocking angle of specimen C-9

        4 參數(shù)分析

        利用驗(yàn)證后的數(shù)值模型,圍繞滑移、滑移-搖擺以及搖擺(傾覆)3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),以地震波卓越頻率、體型大小以及質(zhì)心高度為參數(shù),對(duì)浮放物體的最大滑移量和最大搖擺角度進(jìn)行了研究,分析其變化規(guī)律。經(jīng)過試算并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,確定有限元參數(shù)分析的基本試件:對(duì)于滑移試件,寬高比取為0.8,峰值加速度取為0.6g,試件尺寸為100 mm×100 mm×125 mm;對(duì)于滑移-搖擺試件,寬高比取0.33,峰值加速度等于0.45g,試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm;對(duì)于搖擺(傾覆)試件,寬高比取0.25,峰值加速度等于0.35g,試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

        4.1 地震波卓越頻率的影響

        采用地震波W1、W3、W4、W5、W6對(duì)基本試件進(jìn)行加載,卓越頻率依次為1.318 Hz、1.929 Hz、3.821 Hz、4.980 Hz、5.762 Hz,結(jié)果如表7所示。從表中可以看出,當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ吭筋l率增大時(shí),對(duì)于滑移試件,最大滑移量呈減小趨勢(shì);對(duì)于滑移-搖擺試件,最大滑移量的影響無明顯規(guī)律,最大搖擺角度減??;對(duì)于搖擺試件,最大搖擺角度減小。

        表7 卓越頻率影響Tab.7 Influence of predominant frequency

        4.2 體型的影響

        為了研究體型變化的影響,在基本試件的基礎(chǔ)上,保持寬高比不變,將底面邊長(zhǎng)分別取為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm。輸入采用Elcentro波、TAFT波以及Elcentro-16 m波[22],Elcentro-16 m波是某博物館16 m處的樓層波時(shí)程,以考慮浮放物體置于樓層內(nèi)情況,加載結(jié)果如表8所示。從表中可以看出,當(dāng)體型增大時(shí),對(duì)于滑移試件,滑移量基本不受影響;對(duì)于滑移-搖擺試件,滑移量的變化無明顯規(guī)律,搖擺角度減??;對(duì)于搖擺試件,搖擺角度減小。

        表8 體型的影響Tab.8 Influence of body size

        4.3 質(zhì)心高度影響

        對(duì)于容易發(fā)生傾覆的瘦高型浮放物體,通常采用降低重心法來增加穩(wěn)定性,為了研究其變化規(guī)律,本文以搖擺(傾覆)試件為研究對(duì)象,將試件的質(zhì)心高度分別取為110 mm、140 mm、170 mm、200 mm、230 mm,分別采用Elcentro波、TAFT波以及Elcentro-16 m波進(jìn)行加載,結(jié)果如表9所示。由表可知,隨著質(zhì)心高度的降低,浮放物體的穩(wěn)定性增加,使傾覆運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài),使搖擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的搖擺角度減小。

        表9 質(zhì)心高度的影響Tab.9 Influence of centroid height

        5 結(jié) 論

        本文以浮放物體為研究對(duì)象,將浮放物體簡(jiǎn)化為木制塊體,通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,對(duì)浮放物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:

        (1)浮放物體的寬高比不同時(shí),寬高比越大,試件越穩(wěn)定,而寬高比相同時(shí),長(zhǎng)方體試件比圓柱體試件更穩(wěn)定。

        (2)浮放物體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨地震波卓越頻率的增大而減弱。當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ吭筋l率增大時(shí),對(duì)于滑移試件,最大滑移量呈減小趨勢(shì),而對(duì)于滑移-搖擺試件,最大滑移量無明顯變化規(guī)律;對(duì)于滑移-搖擺和搖擺試件,最大搖擺角度隨卓越頻率的增大而減小。

        (3)體型的變化對(duì)浮放物體的最大滑移量無影響,對(duì)最大搖擺角度影響明顯,搖擺角隨著體型的增大而減小。

        (4)降低質(zhì)心高度能夠增加浮放物體的穩(wěn)定性,能夠?qū)⒏》盼矬w的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由傾覆減弱至不再激起搖擺,可有效保護(hù)浮放物體。

        (5)有限元計(jì)算結(jié)果與試件結(jié)果擬合較好,可有效模擬浮放物體在水平地震作用下的滑移、滑移-搖擺以及搖擺(傾覆)響應(yīng)。

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