设置FVD的底部薄弱层结构振动台试验研究

李金元, 陈 凯

(1.广州军区空军武汉勘察设计院, 湖北 武汉 430030；2.武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070)

底部薄弱层结构是指建筑底部(一～二层)具有明显刚度降低的房屋，如底部框架砌体结构、框支剪力墙结构等。这种建筑多用于底部为商店,上层为住宅、宾馆的建筑。历次大地震都证明，底部薄弱层结构的破坏是相当严重的[1]。破坏均发生在底部薄弱层部位，特别是柱顶和柱底。例如，唐山地震中一栋底部框架砌体，由于底部框架的破坏，使上面几层原地坐落，造成房屋全部倒塌。目前，底部薄弱层结构在我国大量存在,这些建筑大部分都是60～80年代(有的甚至是50年代)兴建的，很多建筑都未考虑抗震设防；即使有些建筑考虑抗震设防，也未达到现行设防标准，需要进行加固处理。因此，本文主要针对底部薄弱层结构设置FVD的抗震加固问题进行研究。

底部薄弱层结构震害严重的主要原因是上部各层纵横墙较密，不仅重量大，而且侧向刚度也大；而房屋底部承重结构为框架，其侧向刚度比上层小得多，这样就形成了“底部柔，上层刚”的结构体系。这种刚度急剧变化，使房屋侧向变形集中发生于相对薄弱的底部，形成薄弱层。当地震发生时，薄弱层底部框架将会发生严重破坏。

对未达到现行设防标准的底部框架砌体结构抗震加固的核心问题是对薄弱层进行加固，即通过改善薄弱层的抗震性能，使其满足现行规范的设计要求。采用传统的加大结构刚度来增强结构底部抗震能力等方法不仅会增加结构的总重量，而且会增加上部结构的地震作用，对上部砌体结构不利，且造价较高。而在底部薄弱层结构中增设一些耗能减振装置，采用非承重的控制装置施加的控制力来减缓结构本身的振动，则可实现薄弱层和上部结构的共同减震，满足抗振设计规范的要求，降低加固成本，显然这是一种更为可取的方法。目前，国内外学者已对各种结构被动控制装置应用进行了一系列研究，其中粘弹性阻尼器和摩擦阻尼器应用最为广泛[2～4]，但他们单独应用时均存在一定缺陷[5]，为了综合发挥粘弹性阻尼器和摩擦阻尼器的抗震控制效应，本文提出了在底部薄弱层结构设置粘弹性-摩擦组合阻尼器(FVD)。为了验证该方法的减震效果，本文制作了一个带有底层薄弱层五层钢框架模型，并在底层薄弱层分别设置摩擦阻尼器(FRD)、粘弹性阻尼器(VED)和粘弹性-摩擦阻尼器支撑(FVD)，进行罕遇地震和多遇地震下的振动台试验。根据实验结果，探讨了FVD对底部薄弱层结构减振效果及其耗能特点。

1 试验模型的设计和制作

1.1 模型设计

本次试验属于对耗能阻尼器减振特性研究的机理试验，框架模型共五层，总高5×0.6 m，采用Q235型钢制作梁、柱，所有焊缝为满焊。每层装配80 mm厚C20混凝土预制楼板，且每层加配重200 kg。材料用量如表1所示。

表1 试验框架材料

图1 试验框架模型

1.2 耗能阻尼器支撑的设计及耗能原理

试验选取摩擦阻尼器(FRD)、粘弹性阻尼器(VED)和粘弹性-摩擦阻尼器(FVD)三种阻尼器，分别以人字型支撑(图2)的形式安装在框架模型的薄弱层。

图2 耗能阻尼器支撑

(1)摩擦力阻尼器支撑(FRD)。本文设计了一种活塞式常摩擦力阻尼器(图3)，其工作原理为：螺旋弹簧的弹力通过钢压力楔传递到青铜摩擦楔上，并转化为钢筒内壁上的法向压力，进而形成铜摩擦楔和钢筒内壁之间的摩擦力，即摩擦阻尼器的起滑力。阻尼器在运动过程中，螺旋弹簧的长度是固定的，弹簧对钢压力楔的压力以及钢筒内壁上的法向压力始终不变，因此阻尼器的起滑力保持不变。通过滞回特性试验，确定这种摩擦阻尼器的起滑力为0.8 kN。

图3 活塞式常摩擦力阻尼器

(2)粘弹性阻尼器支撑(VED)。VED的粘弹性材料选用国产NZ11材料，其性能常数G0、A0、β、θ和α分别为588、2287、0.00189、100.0、576(单位：kN·m)，试验温度为15℃。阻尼材料的尺寸为200 mm×50 mm×3 mm，用1∶1的环氧树脂粘牢在框架梁和支撑之间。在地震作用下，粘弹性材料由于结构的层间位移而产生剪切耗能作用。

(3)粘弹性-摩擦阻尼器支撑(FVD)。将上述两种阻尼器串连，得到粘弹性-摩擦阻尼器支撑。其工作原理为：在小震下，VED起耗能作用，随着地震作用增大，当粘弹性材料达到其剪切变形极限时，FRD刚好达到起滑力开始滑动耗能，从而保护了粘弹性材料不会发生剪切破坏，在滑动过程中FRD的摩擦力保持不变。试验时两种相互串连的阻尼器参数与它们各自试验时的参数相同。

3 试验概述

3.1 试验设备与测点布置

本次试验在武汉理工大学结构振动中心完成，振动台尺寸3 m×3 m。试验时，使用中国地震局工程力学研究所研制的MBA型差容式力平衡加速度传感器和891型速度传感器测量每层的加速度响应和速度响应，并通过将891型传感器采集的数据进行一次积分来间接获得模型的位移响应。

3.2 试验工况

振动台试验输入的地震波为持时20 s的EL-Centro波地面加速度记录。对底层薄弱层框架模型分别在不设支撑、纯支撑及设置三种耗能阻尼器支撑，进行模拟多遇地震(加速度峰值0.1g)和罕遇地震(加速度峰值0.65g)的振动台试验，FRD和FVD起滑力为0.8 kN。同时，为了了解各种支撑对结构模型的基本动力特性的影响，每种工况进行了动力特性试验。

4 试验结果

4.1 模型动力特性

动力特性试验(表2)表明，相对于纯框架，加纯支撑能够显著提高其刚度，而阻尼没有明显的增加；加FRD能够提高结构的刚度，同时阻尼也

有所增加；对于加VED和FVD，在比较明显地增加结构的阻尼同时，结构的刚度增加不多。

表2 耗能阻尼器对框架自振频率的影响

4.2 振动台试验结果

4.2.1位移反应

各层最大水平位移反应见图4，各阻尼器支撑对框架模型顶点位移的减振效果见表3。

图4 底层为薄弱层各工况各层最大水平位移

工况纯框架顶点一层支撑顶点一层加FRD顶点一层VED顶点一层加FVD顶点一层0.1g位移/mm8.702.568.092.457.091.977.152.057.072.04减震率--7%4.3%19%23%18%20%19%20%0.65g位移/mm34.3510.1232.499.7128.07829.678.5426.87.8减震率--5.4%4%18%21%14%16%22%23%

从各工况下各层最大水平位移反应和各阻尼器支撑对框架模型顶点位移的减振效果来看，模型的地震反应以第一振型为主，且纯框架薄弱层层间位移明显要大于非薄弱层。阻尼器支撑能够减小结构的位移反应，且薄弱层层间位移也得到了有效控制。

4.2.2加速度反应

模型顶部加速度反应最大值与底部输入加速度最大值之比即为加速度放大系数β。各工况下模型的加速度放大系数列于表4。从结果可以看出，耗能阻尼器支撑能够明显地控制结构的顶点加速度反应。

表4 薄弱层在底层各工况顶点加速度放大系数

4.3 试验结果分析

从位移反应来看，耗能阻尼器支撑将结构的顶层和底层位移反应减小了14%～23%。在地震加速度峰值为0.1g的小震情况下，加VED和FVD的减振效果相当且效果最好，加摩擦阻尼器次之，而加纯支撑的效果最差。从图4来看，加VED和FVD工况曲线十分相似，而加FRD工况和加纯支撑的曲线相似。这说明在0.8 kN的起滑力下小震并没有使FRD的滑块起滑，因此FVD就相当于单纯的VED。而FRD所起的减震效果完全是由于增加了薄弱层的刚度，这和加纯支撑的效果没有什么区别。事实上，试验时在小震情况下也的确没有观察到FRD有明显的滑动。在地震加速度峰值为0.65g的大震情况下，加FVD和加FRD的减振效果相当且效果最好，加VED的效果次之，加纯支撑的效果最差。这说明在大震情况下FRD滑块超过了0.8 kN的起滑力开始起滑，阻尼器起了耗能作用。在试验时看到了FRD发生了明显的滑动。

5 结 论

(1)底部薄弱层结构受地震作用时，结构的水平位移主要集中在底部薄弱层处，在底部框架结构设置耗能阻尼器后，能够大大减小整体结构的地震反应。

(2)在多遇地震作用下，加VED和FVD的减振效果最好，加FRD和纯支撑的减震效果相当，说明摩擦阻尼器还没有完全发挥作用。

(3)在罕遇地震作用下，加FVD和FRD的减振效果最好，加VED次之，加纯支撑的效果最差，说明在大震情况下FRD滑块超过起滑力开始起滑，FRD起了耗能作用。

(4)在多遇和罕遇地震作用下，FVD均能发挥耗能效果，能够产生较强的耗能控制力，显著改善了结构薄弱层的抗震能力，减弱了传至上部结构的地震作用，达到了对结构振动控制的目的。

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