劉 敏，杜富強(qiáng)

(1.江西新余鋼鐵集團(tuán)有限公司制造管理部,江西 新余 338001; 2.中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司,北京 100088)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)建造水平和建筑使用需求的提高,對(duì)大型公用建筑結(jié)構(gòu)抵御地震和強(qiáng)風(fēng)等自然災(zāi)害的要求也越來(lái)越高,這就要求我們進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的抗震減震水平[1-6]。目前工程界常通過(guò)附加消能減震設(shè)備的方式提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。其中消能減震設(shè)備包括：消能支撐、消能墻、消能節(jié)點(diǎn)等[7-11]。目前工程中常見(jiàn)的耗能裝置分為位移相關(guān)型和速度相關(guān)型兩類(lèi),其中位移相關(guān)型阻尼器包括：摩擦阻尼器(friction dampers)和金屬阻尼器(metallic dampers)[12]。由于鉛金屬具有良好的塑性變形能力,在室溫狀態(tài)下即可實(shí)現(xiàn)塑性變形,經(jīng)過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程,應(yīng)變硬化消失且不再產(chǎn)生殘余應(yīng)力。因此理論上鉛是一種在常溫下發(fā)生塑性循環(huán)變形時(shí)不產(chǎn)生累計(jì)疲勞現(xiàn)象的金屬,非常適宜作為結(jié)構(gòu)消能減震材料。目前,鉛擠壓型阻尼器在工程應(yīng)用中得到了廣泛的認(rèn)同[13-20]。但普通鉛剪切阻尼器無(wú)法滿(mǎn)足特殊工程的大行程要求,應(yīng)用受到限制。有鑒于此,本文提出一種大行程墻式鉛剪切阻尼器,并討論該種阻尼器在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的前景。

1 阻尼器設(shè)計(jì)

墻式大行程鉛剪切耗能阻尼器一般布置于結(jié)構(gòu)的隔墻之中,既不影響結(jié)構(gòu)的外觀(guān)也不影響其使用功能。本文所設(shè)計(jì)的阻尼器試驗(yàn)件如圖1所示,試件由上下蓋板、轉(zhuǎn)動(dòng)板、耳板、耗能鉛塊、螺栓、銷(xiāo)釘?shù)炔糠謽?gòu)成。該種鉛剪切阻尼器由銷(xiāo)釘和螺栓將轉(zhuǎn)動(dòng)板與上下蓋板連接,并與外部結(jié)構(gòu)相連。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種幾何參數(shù)不同的阻尼器試件,試件參數(shù)如表1所示。

2 試驗(yàn)設(shè)備和加載方案

本試驗(yàn)的試件采用200TMTS電液伺服作動(dòng)器進(jìn)行低周往復(fù)加載,加載過(guò)程采用位移控制方式,試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)東華3821靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,加載過(guò)程中采用拉線(xiàn)位移計(jì)和力傳感器分別記錄試驗(yàn)過(guò)程中阻尼器的位移值和阻尼力。試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖2,加載制度見(jiàn)表2。

表1 試件參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)所得的滯回曲線(xiàn)如圖3所示。阻尼器試件1鉛槽長(zhǎng)寬比l/b=4.5,長(zhǎng)厚比l/h=18。由圖3(a)、圖3(b)可知,在90 mm和15 mm行程的情況下,滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)呈矩形狀,實(shí)際阻尼器出力約為600 kN,經(jīng)換算后單槽的剪切力為200 kN,實(shí)際阻尼器在大位移下阻尼器出力衰減較為明顯。試驗(yàn)結(jié)束后試件內(nèi)部鉛塊損傷如圖4所示,由此可以看出,阻尼器鉛槽端部耗能鉛塊損傷嚴(yán)重,中部的鉛塊較為完整。由圖3(c)、圖3(d)可看出,長(zhǎng)寬比等于8的阻尼器試件經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的滯回曲線(xiàn)呈飽滿(mǎn)的矩形狀,二、四象限阻尼力約為53 t,均達(dá)到阻尼器的設(shè)計(jì)噸位;一、三象限阻尼力約為41 t,相對(duì)設(shè)計(jì)噸位略有衰減。

表2 加載制度

4 工程案例

4.1 工程概況

本工程為新余市某中學(xué)宿舍樓,結(jié)構(gòu)主體為框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)地上總層數(shù)為6層,總高度為22.7 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g,地震分組取第一組,場(chǎng)地類(lèi)別為三類(lèi),設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s,結(jié)構(gòu)平面如圖5所示,該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)安裝位移型鉛剪切阻尼器,在多遇地震作用下,阻尼器主要作用是給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度;罕遇地震作用下,阻尼器先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài),提高結(jié)構(gòu)的阻尼比以減小地震作用下輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇和罕遇地震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析,結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。將建立好的有限元模型和PKPM 模型進(jìn)行周期的檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示,結(jié)果表明計(jì)算結(jié)果可靠。

表3 減震前結(jié)構(gòu)前6階周期對(duì)比 s

4.2 地震波選取

本結(jié)構(gòu)選取2條實(shí)際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬地震波。根據(jù)場(chǎng)地條件選取RSN93和RSN163兩條天然波,根據(jù)反應(yīng)譜對(duì)天然波的加速度時(shí)程曲線(xiàn)的峰值進(jìn)行調(diào)整,人工波根據(jù)場(chǎng)地和抗震設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜進(jìn)行人工生成。地震波的加速度時(shí)程及反應(yīng)譜曲線(xiàn)如圖6所示。

在上文選取的三條地震波的作用下,對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性計(jì)算,結(jié)構(gòu)基底剪力如圖7所示。通過(guò)比較分析可以得到：結(jié)構(gòu)在單條地震波作用下,通過(guò)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值為通過(guò)反應(yīng)譜法計(jì)算所得結(jié)果的95.27%(X向)及94.29%(Y向),滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)于單條波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力的相關(guān)要求;多條地震波作用下,根據(jù)規(guī)范要求計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%且不大于其數(shù)值的120%,通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)在多條地震波作用下的基底剪力值也滿(mǎn)足上述規(guī)范要求。

4.3 減震方案

在墻式大行程鉛剪切阻尼器的型號(hào)進(jìn)行初步選定后,需要根據(jù)本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其建筑布局的相關(guān)要求進(jìn)行阻尼器布置。通過(guò)反復(fù)試算,不斷進(jìn)行方案優(yōu)化來(lái)最終確定墻式大行程鉛剪切阻尼器的動(dòng)力參數(shù)、位置以及其數(shù)量等。經(jīng)過(guò)多次試算優(yōu)化,宿舍樓中阻尼器布置數(shù)量見(jiàn)表4,布置位置如圖8所示。本結(jié)構(gòu)采用阻尼器參數(shù)如下：阻尼器的第一剛度：不小于5E6 kN/m;阻尼器的第二剛度：不大于0.02倍的阻尼器的第一剛度;阻尼器屈服力40 t;阻尼器最大行程110 mm。

表4 結(jié)構(gòu)的阻尼器布置數(shù)量

4.4 減震性能分析

4.4.1 結(jié)構(gòu)水平變形

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角沿高度的分布情況可以比較直觀(guān)的反映結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷多遇地震過(guò)程中整體變形。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)層間位移角隨高度的變化情況,通過(guò)判斷計(jì)算所得的層間位移角是否滿(mǎn)足規(guī)范所要求的限值,從而得到結(jié)構(gòu)的水平變形情況。對(duì)比結(jié)果如圖9所示,減震效果如表5所示。

表5 地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角及減震率匯總

從圖9,表5的分析結(jié)果可以看出：安裝墻式大行程鉛剪切阻尼器以后結(jié)構(gòu)各層層間位移角均有所減小,結(jié)構(gòu)X方向?qū)娱g位移角最大減震率為30.02%,Y方向?qū)娱g位移角最大減震率為39.67%。

4.4.2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)主要考慮結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力、頂點(diǎn)加速度和頂點(diǎn)位移反應(yīng)。地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力見(jiàn)圖10,結(jié)構(gòu)基底剪力最大值及減震率匯總見(jiàn)表6。從圖10,表6可以看出,在多遇地震下,安裝墻式大行程鉛剪切阻尼器后阻尼器承擔(dān)了部分水平向剪力,使得結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)的基底剪力有了不同程度的減小,其中X向結(jié)構(gòu)部分的最大減震率為33.58%,Y向框架部分的最大減震率為44.48%。在罕遇地震下添加阻尼器后,阻尼器承擔(dān)了部分水平向剪力,使得結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)的基底剪力有了不同程度的減小,其中X向結(jié)構(gòu)部分的最大減震率為4.2%,Y向框架部分的最大減震率為-0.17%。

表6 結(jié)構(gòu)基底剪力最大值及減震率匯總

5 結(jié)論

為保證墻式大行程鉛剪切阻尼器的耗能穩(wěn)定性,本文對(duì)墻式大行程鉛剪切阻尼器進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并以此為耗能元件,采用墻式大行程鉛剪切阻尼器作為其耗能部件,利用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型,在多遇地震和罕遇地震作用下分別進(jìn)行彈性時(shí)程分析和彈塑性時(shí)程分析,計(jì)算分析得到了設(shè)置墻式阻尼器前后結(jié)構(gòu)的抗震性能,根據(jù)所得結(jié)果對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的評(píng)價(jià)。通過(guò)試驗(yàn)和分析可以得到：

1)墻式大行程鉛剪切阻尼可滿(mǎn)足不同結(jié)構(gòu)較大行程的需求,構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便、不影響結(jié)構(gòu)的建筑外觀(guān)。2)為保證墻式大行程鉛剪切阻尼器耗能性能的穩(wěn)定性,應(yīng)對(duì)阻尼器構(gòu)件的變形進(jìn)行控制,避免摩擦力對(duì)阻尼器耗能的影響。3)多遇地震作用下,墻式大行程鉛剪切阻尼器主要給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度,使得結(jié)構(gòu)層間變形滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求,罕遇地震作用下,墻式大行程鉛剪切阻尼器先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài),提高結(jié)構(gòu)的阻尼比,減小輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。此外,在充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的可利用空間的前提下,阻尼器的設(shè)置未改變結(jié)構(gòu)受力體系,也未影響建筑美觀(guān)和使用功能。