李潤璞

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210024）

隔震減振技術(shù)針對(duì)特定頻率范圍的地震作用具有良好的隔震效果，但對(duì)于地震多發(fā)地區(qū)頻率成分寬泛的地震作用時(shí)，其隔震效果欠佳，如長周期大位移的近場(chǎng)地震作用下，隔震層可能發(fā)生過度的層間側(cè)移而失效，而遠(yuǎn)場(chǎng)地震中的低頻成分能夠引起隔震層共振，反而增大結(jié)構(gòu)物的地震響應(yīng)。MR 隔震減振支座提供了一種能夠同時(shí)應(yīng)對(duì)上述工況的隔震減振方案。研究表明，剛度和阻尼同時(shí)可調(diào)的隔震減振方案比僅剛度或僅阻尼的裝置更加有效。Sun 等[1]設(shè)計(jì)了一種磁流變彈性體和磁流變液共同出力的減振裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種MRE-F 隔振器具有明顯的可變阻尼和剛度特性。Greiner-Petter 等[2]設(shè)計(jì)了磁流變液和彈簧組合的減振裝置?？紤]磁流變液鐵粉沉降和密封性不佳等原因，本文MR 隔震減振支座采用磁流變膠MRG 克服了這一不足，并實(shí)現(xiàn)了可變阻尼和剛度特性。

齊齊哈爾體育館屋頂坍塌事故主要原因是使用期間的荷載條件惡化[3]。實(shí)際上，鐵路客運(yùn)站房[4]、體育館[5]、水電站廠房等大跨度混合結(jié)構(gòu)的公共建筑，由于鞭梢效應(yīng)，網(wǎng)架屋面在動(dòng)力作用下網(wǎng)架及支座更容易遭到破壞。水電站廠房上部結(jié)構(gòu)廠房和下部壩體剛度相差巨大，水電站運(yùn)行時(shí)水流脈動(dòng)壓力荷載引起的小位移和地震荷載引起的大位移需要一款能夠同時(shí)滿足大位移工況和小位移工況的隔震減振支座。本文介紹了自主研發(fā)的一款具備雙工作模式可變剛度可變阻尼的MR 隔震減振支座，并選取水電站廠房及其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，研究了其在大位移工況和小位移工況的隔震減振支座性能。

1 MR 隔震減振支座

基于授權(quán)國家發(fā)明專利[6]重新設(shè)計(jì)加工了一種MR隔震減振支座，該裝置包括工作單元Ⅰ和工作單元Ⅱ，分別為小位移工況和大位移工況提供剛度和阻尼。其中，工作單元Ⅰ（MRG 塑性體）能夠?qū)崿F(xiàn)隔震目標(biāo)結(jié)構(gòu)物在小位移時(shí)的減振效果，且工作單元Ⅱ（MRE 彈性體）可以有效限制目標(biāo)結(jié)構(gòu)物大位移振動(dòng)，可適用于震動(dòng)荷載工況復(fù)雜多變，需嚴(yán)格控制大位移變形的隔震結(jié)構(gòu)物，其較大的剛度可控特性亦適用于改善隔震結(jié)構(gòu)物的扭轉(zhuǎn)變形[7]。MR 隔震減振支座及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示。

圖2 MR 隔震減振支座結(jié)構(gòu)示意圖

MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ的阻尼力可以表示為[8]式中：η 是磁流變材料MRG 的動(dòng)力黏度，N·s/m2；Ap是MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ中MRG 磁流變材料的有效工作面積，mm2；h是MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ中MRG 磁流變材料的工作間隙，mm；γ˙是磁流變材料MRG 的應(yīng)變率；τγ是磁流變材料MRG 的剪切屈服強(qiáng)度，Pa。

MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ的阻尼力可以表示為

式中：E是磁流變材料MRE 的彈性模量；D是疊層層間相對(duì)位移，mm；Ar是MRE 疊層面積，mm2；Tr是疊層MRE 的總厚度，mm；μ0是真空磁導(dǎo)率；μr是MRE 的相對(duì)磁導(dǎo)率；H是外置磁場(chǎng)強(qiáng)度，T；r是MRE 中鐵磁顆粒平均粒徑，mm；S是MRE 中鐵磁顆粒平均中心距，mm。

2 工程概況及計(jì)算模型

該水電站廠房的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式為平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用正放四角錐的網(wǎng)格形式，節(jié)點(diǎn)為螺栓球形式，網(wǎng)架建筑面積約為7 555.85 m2。網(wǎng)架采用結(jié)構(gòu)找坡，上鋪C型薄壁檁條及復(fù)合壓型鋁板，局部為“5+5”夾膠玻璃采光帶。網(wǎng)架支撐面相對(duì)廠房地面高差為26 m?，F(xiàn)場(chǎng)屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)架及螺栓球照片

網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)為空間鉸接點(diǎn)，桿件只承受軸力，忽略節(jié)點(diǎn)剛度的影響，質(zhì)量和荷載都集中在各節(jié)點(diǎn)上；在桿件上作用有外部荷載時(shí)要等效地轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載。廠房網(wǎng)架計(jì)算模型及其前三階振型如圖4 所示，廠房網(wǎng)架的前三階頻率分別為3.29、4.45 和5.55 Hz。根據(jù)07SG531《鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集）要求鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取2%，本小節(jié)網(wǎng)架計(jì)算中采用瑞利阻尼比假定，一階振型阻尼比取1.9%，二階振型阻尼比取2%。

圖4 廠房網(wǎng)架整體網(wǎng)架模型及其前三階振型

3 振動(dòng)荷載的選擇及施加

水電站正常運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某編號(hào)發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)，廠房鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋面有劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)安全?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)廠房屋頂網(wǎng)架在某蓄水水位的振動(dòng)響應(yīng)最大，故這里以此工況發(fā)電站廠房混凝土墻頂實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)作為振動(dòng)激勵(lì)荷載對(duì)該網(wǎng)架進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。圖5 為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的水平x向（橫河向）、水平y(tǒng)向（順河向）以及垂直z向（垂直向）振動(dòng)時(shí)程曲線?？紤]到網(wǎng)架振動(dòng)傳遞路徑，分析過程以廠房墻體及排架柱頂部的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為振源，采用新型MR 隔震減振支座作為隔震層。

圖5 發(fā)電站廠房墻頂3 個(gè)方向現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線

為驗(yàn)證該MR 支座地震條件下的隔震減振性能，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，選取汶川8.0 級(jí)地震主震臺(tái)站強(qiáng)震記錄的波形作為地震波輸入如圖6 所示，此波形功率譜密度最大幅值對(duì)應(yīng)的頻率為3.5 Hz，比較接近廠房網(wǎng)架的一階頻率。

圖6 汶川地震地震波記錄及其功率譜密度

鑒于本次數(shù)值試驗(yàn)選取墻頂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)速度時(shí)程作為激勵(lì)荷載，新型MR 隔震減振支座共設(shè)置32 個(gè)，分別位于下弦桿與墻頂交接處的支座節(jié)點(diǎn)位置，新型MR 隔震減振支座在網(wǎng)架中的相對(duì)位置如圖7 中黑色實(shí)心圓點(diǎn)所示。網(wǎng)架振動(dòng)分析是典型的多維多點(diǎn)振動(dòng)激勵(lì)條件下的動(dòng)力響應(yīng)分析。

圖7 新型MR 隔震減振支座的相對(duì)位置示意圖

4 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

水電站廠房網(wǎng)架為兩邊支承，應(yīng)重點(diǎn)考核網(wǎng)架自由端以及中心點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的豎向位移和加速度?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)位（1#、2#、3#）下弦布置圖如圖7 中黑色空心方形所示。

發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)廠房墻頂振動(dòng)激勵(lì)下，水電站廠房網(wǎng)架中心點(diǎn)下弦桿處2#點(diǎn)位的振動(dòng)位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)分別如圖8 所示。

圖8 泄水工況激勵(lì)條件下網(wǎng)架中心點(diǎn)2#的振動(dòng)響應(yīng)

各測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)、技術(shù)仿真數(shù)據(jù)以及在支座處添加新型MR 隔震減振支座后的控制效果數(shù)據(jù)，見表1。從表1 數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，說明計(jì)算模型參數(shù)選取合適。以該模型計(jì)算得到MR 支座隔震減振的層間側(cè)移為2.80 mm，層間加速度為0.64 m/s2。

表1 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)最大值匯總表

為了驗(yàn)證新型MR 隔震減振支座在大位移工況下的隔震減振性能，該水電站廠房在強(qiáng)震激勵(lì)條件下的隔震減振性能。在汶川地震波激勵(lì)下，水電站廠房網(wǎng)架中心點(diǎn)下弦桿處的豎向及順河向振動(dòng)位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)分別如圖9 所示。各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)見表2。以該模型計(jì)算得到MR 支座隔震減振的層間側(cè)移33.08 mm，介于網(wǎng)架橡膠支座技術(shù)性能及參數(shù)要求20~50 mm，層間加速度為10.99 m/s2，滿足規(guī)范要求[9]。

表2 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)匯總表

圖9 強(qiáng)震工況激勵(lì)條件下網(wǎng)架中心點(diǎn)2#的振動(dòng)響應(yīng)

5 結(jié)論

本文以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)修正網(wǎng)架計(jì)算模型，并以該模型為基礎(chǔ)，分別計(jì)算了發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)廠房墻頂振動(dòng)激勵(lì)（小位移）和汶川地震波激勵(lì)（大位移）情況下，MR 隔震減振支座對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)隔震減振效果，得到如下結(jié)論。

1）計(jì)算仿真的豎向位移響應(yīng)和豎向加速度響應(yīng)數(shù)量級(jí)相當(dāng)，3 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大誤差為17%，表明計(jì)算模型能夠反映水電廠房網(wǎng)架在發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)廠房墻頂振動(dòng)激勵(lì)條件下的響應(yīng)特征。

2）水電站廠房網(wǎng)架的計(jì)算模型能夠反映網(wǎng)架在實(shí)際工作時(shí)的振動(dòng)情況，新型MR 隔震減振支座能夠有效降低網(wǎng)架的側(cè)向位移，有效地降低了網(wǎng)架在發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)的振動(dòng)。

3）強(qiáng)震條件下，各測(cè)點(diǎn)的順河向位移響應(yīng)以及順河向加速度響應(yīng)的最大隔震減振效果分別為56.24%和80.69%，控制效果明顯；而各測(cè)點(diǎn)的豎向位移響應(yīng)以及豎向加速度響應(yīng)的隔震減振效果分別為21.74%和5.78%，有一定的控制效果。