基礎(chǔ)隔震模型軟碰撞限位振動(dòng)臺(tái)模擬地震動(dòng)試驗(yàn)研究

基礎(chǔ)隔震模型軟碰撞限位振動(dòng)臺(tái)模擬地震動(dòng)試驗(yàn)研究

1“軟碰撞限位”保護(hù)方案結(jié)構(gòu)控制技術(shù)是近年來地震工程領(lǐng)域中受影響的新技術(shù)。結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可分為主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、混合控制等。目前,被動(dòng)控制技術(shù)已開始在實(shí)際工程中應(yīng)用,其中疊層鋼板橡膠支座基礎(chǔ)隔震應(yīng)用最多。疊層鋼板橡膠支座基礎(chǔ)隔震的基本原理是在房屋的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置柔性隔離層,延長(zhǎng)房屋的基本周期,避開地震地面運(yùn)動(dòng)輸入中的主要周期,減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。這就要求隔震層的水平剛度較小,但會(huì)造成水平位移較大,因此隔震層應(yīng)具有較大的變形能力。如采用直徑較大的隔震橡膠支座,可以滿足較大變形能力的要求,但水平剛度和造價(jià)就要增大。為了既能延長(zhǎng)周期又能降低造價(jià),宜選用水平剛度和直徑較小的橡膠支座,但直徑較小的橡膠支座水平變形能力有限,需設(shè)置大變形保護(hù)裝置防止其側(cè)向失穩(wěn),即在減小上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的同時(shí),必須首先保證隔震層自身不發(fā)生破壞或失效。文獻(xiàn)提出了“軟碰撞限位”保護(hù)方案,該方案是在隔震層設(shè)置軟碰撞限位器,并與隔震層結(jié)構(gòu)之間預(yù)留距離,地震時(shí)當(dāng)隔震層變形增大到預(yù)留距離,隔震層將與軟碰撞限位器發(fā)生軟碰撞,軟碰撞限位器將發(fā)生變形,提供一定的恢復(fù)力與阻尼力,將隔震層變形限制在允許變形范圍內(nèi)。對(duì)“軟碰撞限位”保護(hù)方案進(jìn)行理論分析表明,合理選取軟碰撞限位器的設(shè)計(jì)參數(shù)可以獲得預(yù)期的限位效果。軟碰撞限位器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:(1)軟碰撞限位器首次發(fā)揮作用的預(yù)留距離;(2)軟碰撞限位器的阻尼特性;(3)軟碰撞限位器的剛度特性。為將“軟碰撞限位”保護(hù)方案應(yīng)用于實(shí)際工程,亟待對(duì)理論研究結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,并進(jìn)一步完善與發(fā)展。本文將對(duì)“軟碰撞限位”保護(hù)方案進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。2試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒔Y(jié)構(gòu)模型平面尺寸為1100mm×1000mm,總高為3.3m,共6層,層高0.55m。模型由各種型鋼焊接組成。柱為L(zhǎng)75×10的等邊角鋼,梁為10號(hào)普通槽鋼。所有鋼材均用普通3號(hào)鋼。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧⒚鎴D見圖1。考慮到結(jié)構(gòu)高寬比過大,為避免結(jié)構(gòu)提離造成橡膠支座受拉破壞,僅在四層以下加配重。加配重后各層的質(zhì)量分別為:隔震層880kg,結(jié)構(gòu)第一與第二層均為770kg,第三層850kg,第四層370kg,第五層87kg,第六層75kg。上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算基本周期為0.07s。2.2橡膠層和鋼板層厚度為5.為了獲得較小的橡膠支座水平剛度,本試驗(yàn)采用中空的圓柱型疊層鋼板橡膠支座,內(nèi)徑50mm,外徑105mm,橡膠片和鋼板每層厚度均為2mm,橡膠層總厚度為2×15mm,鋼板層總厚度為2×14mm,第一形狀系數(shù)S1=5.63,第二形狀系數(shù)S2=3.17。試驗(yàn)測(cè)得橡膠支座水平剛度為0.5kN/mm,極限位移為50mm。2.3鋼板限位器設(shè)計(jì)為了使軟碰撞限位器在軟碰撞后能夠自復(fù)位到碰撞前的初始位置,以使每次碰撞發(fā)生時(shí)的預(yù)留距離相同,設(shè)想限位器由兩部分組成:一部分起消能作用,為了在很短的軟碰撞時(shí)間內(nèi)盡可能大的消能,比較后選用如圖2(a)所示的I型鉛阻尼器;另一部分主要起使軟碰撞后的復(fù)位作用,為能產(chǎn)生足夠大的彈性變形,選用如圖2(b)所示的U型鋼板限位器。由二者組合成的組合軟碰撞限位器如圖2(c)所示。這種組合軟碰撞限位器取材容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、造價(jià)便宜,適合在建筑結(jié)構(gòu)中使用。I型鉛阻尼器可以分為本體(鉛棒)和連接鋼板兩部分。本體由位于端部的加強(qiáng)部分和位于中部的撓曲部分組成。加強(qiáng)部分的截面比撓曲部分的大。加強(qiáng)部分起鉸鏈作用(塑性鉸),可確保阻尼器的大變形能力和耗能能力。連接鋼板和本體加強(qiáng)部分之間的連接,采用均質(zhì)合金焊接法,將它們完全焊成一體。這種焊接技術(shù)可以防止鋼板與鉛棒之間界面的相互剝離。鉛阻尼器的特性取決于撓曲部分的截面直徑d和撓曲部分的高度H(見圖2(a))。另外,鉛的純度也很重要,應(yīng)在99.99%以上。U型鋼板限位器由鋼板制成,主要設(shè)計(jì)參數(shù)為U型鋼板水平段長(zhǎng)度L,U型鋼板圓弧中心到鋼板中性軸長(zhǎng)度R,U型鋼板的厚度t,以及U型鋼板的寬度b。組合軟碰撞限位器的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的要求:(1)提供足夠的消能能力限制隔震層過大位移,主要由鉛阻尼器提供;(2)提供足夠恢復(fù)力(剛度)使限位器在軟碰撞結(jié)束后恢復(fù)到初始位置,主要由U型鋼板限位器提供;(3)保證上部結(jié)構(gòu)最大位移不超過其極限彈性位移,結(jié)合(2)對(duì)阻尼及剛度設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種鉛阻尼器:類型Ⅰ尺寸為d×H=40mm×70mm,類型Ⅱ尺寸為d×H=50mm×70mm;三種U型鋼板限位器,設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)見表1。3振動(dòng)器試驗(yàn)本試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)工程抗震及結(jié)構(gòu)診治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)上完成。3.1理論分析值和誤差采用正弦波掃描方法確定試驗(yàn)采用的基礎(chǔ)隔震模型基本周期,實(shí)測(cè)值為0.294s,理論分析值為0.282s,誤差為4.1%。實(shí)測(cè)周期略大于理論計(jì)算周期,這是因?yàn)槔碚撚?jì)算時(shí)假定樓層平面剛度無窮大,而實(shí)際模型中樓層剛度是有限的,柱子剛度變小,結(jié)構(gòu)相應(yīng)變?nèi)帷?.2不同軟碰撞預(yù)留距離選用ElCentro地震波作為試驗(yàn)輸入地震波。試驗(yàn)時(shí)加速度峰值調(diào)整為0.4g;軟碰撞預(yù)留距離分別取為20mm、10mm;組合軟碰撞限位器設(shè)計(jì)為三種情況:U型鋼板限位器Ⅰ組合鉛阻尼器Ⅰ(簡(jiǎn)稱組合限位器Ⅰ),U型鋼板限位器Ⅱ組合鉛阻尼器Ⅱ(簡(jiǎn)稱組合限位器Ⅱ),U型鋼板限位器Ⅲ不組合鉛阻尼器(簡(jiǎn)稱組合限位器Ⅲ)。3.3不同限位器設(shè)計(jì)下面對(duì)試驗(yàn)得到的最大層間位移反應(yīng)進(jìn)行分析。表2與表3給出了地震波峰值為0.4g、預(yù)留距離分別為20mm、10mm時(shí)的結(jié)構(gòu)最大層間位移。比較表2以及表3中限位與不限位情況的結(jié)構(gòu)最大層間位移可知,軟碰撞限位能有效的控制隔震層的最大位移,但也使得上部結(jié)構(gòu)的最大層間位移變大。對(duì)兩種預(yù)留距離情況均可看到,限位作用越明顯,上部結(jié)構(gòu)各層的層間位移反應(yīng)增加越大。換句話說,隔震層的位移反應(yīng)減小是以上部結(jié)構(gòu)層間位移增大為代價(jià)的,要將隔震層與上部結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)均控制在允許范圍內(nèi),必須對(duì)限位器的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)比表2與表3可知,以下兩個(gè)方面對(duì)控制隔震層與上部結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)有較大影響:(1)預(yù)留距離,小的預(yù)留距離有利于控制結(jié)構(gòu)位移;(2)組合軟碰撞限位器的力學(xué)性能參數(shù)。因此,軟碰撞限位設(shè)計(jì)應(yīng)主要對(duì)這兩個(gè)方面考慮優(yōu)選。上部結(jié)構(gòu)的層間彈性極限位移[Δue]=h[θe]=550/300=1.83mm,不限位情況下上部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。限位后,對(duì)預(yù)留距離20mm的情況,第1、2層進(jìn)入了塑性,第3~6層仍為彈性變形;對(duì)預(yù)留距離10mm的情況,上部結(jié)構(gòu)層間位移均控制在彈性范圍內(nèi)。這表明合理設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)軟碰撞限位既有效控制隔震最大位移,又將上部結(jié)構(gòu)層間位移控制在彈性變形范圍內(nèi),即對(duì)隔震層與上部結(jié)構(gòu)同時(shí)起到保護(hù)作用。4軟碰撞限位設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)制作了三種適合建筑結(jié)構(gòu)使用的組合軟碰撞限位器。(2