巨型悬挂体系双向耗能阻尼器开发与应用研究

王开国 李兴章 裴星洙

巨型悬挂体系双向耗能阻尼器开发与应用研究

王开国 李兴章 裴星洙

在巨型悬挂体系下,讨论了对阻尼器设计的要求,提出双 U形阻尼器的模型与工作原理,通过振动信号采集系统对安装阻尼器后的悬挂子结构进行实验分析,并绘制该阻尼器的滞回曲线,最后验证了阻尼器的设计要求和耗能效果。

双U形阻尼器,振动信号采集,滞回曲线

0 引言

工业进程促使人口向城市集中,造成城市用地日趋紧张,建筑遂向高空发展,由多层发展为高层。为了节省建筑占地面积,高层悬挂体系应运而生。为达到抗震要求,有必要在巨型悬挂体系下进行新型阻尼器的应用研究。

1 高层悬挂体系介绍

巨型悬挂体系是由框架主结构和悬挂在内部的子结构组成,框架主结构以型钢为材料。

为满足抗震要求,由抗震理论分析表明,在主结构与子结构之间设置阻尼器能够有效提高整体结构的抗震性能,如图 1,图 2所示。

2 双 U形双向耗能阻尼器

由于风荷载和地震作用方向的不确定性,这就要求安装在巨型悬挂体系主结构和子结构间的阻尼器,具有能够消耗任意方向的性能,而一般通用的阻尼器只能满足单方向的减震耗能要求。本文根据实际要求设计了一种新型的双U形双向耗能阻尼器(见图 3,图 4)。

该阻尼器以两块不锈钢钢板和六根软钢组成,钢板尺寸为110mm×80mm×2mm,软钢材料为直径 1.5mm铜线,长 250mm弯曲而成。这是由于软钢在进入塑性范围后具有良好的滞回特性。双U形双向耗能阻尼器由三组双U形软钢组成,并通过螺栓与固定连接钢板连接。在地震或风振作用下,结构振动传给双 U形阻尼器,使其发生水平拉压和剪切变形,产生阻尼力,同时消耗、吸收外部输入的能量。

该阻尼器的最大特点就是能够同时发生拉压和剪切变形来消耗能量,达到双向耗能的目的。任意方向的风荷载和地震作用,都能对其分解成双向受力,这就是双U形双向阻尼器耗能的工作原理。

3 双 U形双向耗能阻尼器的实验研究

巨型悬挂体系双 U形阻尼器的研究首先通过悬挂子结构在安装阻尼器前后的振幅变化来表现。巨型悬挂体系模型以 2mm厚不锈钢板制作而成,主结构 380mm×380mm×380mm,内部悬挂子结构 260mm×260mm×260mm,子结构悬挂高度(悬挂顶点至子结构底部)500mm,子结构重 8.5 kg,悬挂子结构自振周期为T1=0.97 s,采用HY-4T调速多用振荡器,从主结构底部输入正弦波,水平最大位移 ±20mm,采用频率 1.5 Hz(周期 T2=0.667 s),使悬挂子结构产生振动。

3.1 拉压变形时力学性能实验数据

采用 CRASV 7.1振动及动态信号采集分析系统[1]对悬挂子结构进行振幅—时间的波形测试,先是对阻尼器进行拉压实验,对比发现,阻尼器在作拉压变形时,未安装阻尼器前子结构振幅有效值可达 5.02 cm,安装后子结构振幅有效值减少至 2.65 cm,前后振幅可减少 47.2%。

3.2 剪切变形时力学性能实验数据

对阻尼器进行剪切实验时,对比发现,阻尼器在作拉压变形时,未安装阻尼器前子结构振幅有效值可达 5.02 cm,安装后子结构振幅有效值减少至 2.85 cm,前后振幅可减少 43.2%。

4 双 U形阻尼器耗能性能和阻尼特性

阻尼器的滞回曲线以手工绘制而成,在拉压或剪切时,位移每变化 0.5 cm测其相应的所加荷载,总变形 3 cm。最后将滞回曲线连为闭合曲线,经多次反复试验,分别测得拉压时阻尼器滞回曲线和剪切时滞回曲线(见图 5,图 6)。

双U形阻尼器在反复虚幻荷载作用下,每经一个循环,加载时吸收能量,卸载时释放能量,二者之差即是耗能器在一次循环中的耗能量,其数值等于一个滞回环所包围的面积。如图 7中面积ABCD,该面积大,则表示耗能多,耗能器的耗能性好。耗能器的耗能性能可以用耗能系数来反映,计算公式如下[2]：

阻尼是表示能量耗散性能的,它反映了结构的一种动力特性,是影响结构动力反应的重要因素之一。在现代抗震中,经常用系统的等效粘滞阻尼系数 ξe,可按如图 7所示滞回曲线 ABCD的面积来计算[2]：

其中,EDS为滞回阻尼耗能,等于最大位移处滞回曲线包围的面积,即ABCD的面积;ES为最大的应变能,等于图 7中 OCG+OAG的面积之和。

等效粘滞阻尼系数与耗能系数的关系为：

阻尼器作拉压和剪切变形时的耗能系数及等效粘滞阻尼系数见表 1。

表1 双 U形阻尼器滞回耗能和耗能系数

5 结语

通过理论分析和模型演示结果,得出在巨型悬挂体系下,双 U形双向耗能阻尼器消能减震效果显著,且能够通过拉压、剪切变形消耗任意方向的地震或风荷载能量。该阻尼器制作与组合简单,安装方便,取材容易,因此具有良好的应用前景。

[1]岳 锋.X形软钢阻尼器的滞回性能分析[J].山西建筑,2009,35(4)：92-93.

[2]周 云.金属耗能减震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社,2000.

The developm ent and application of giant two-way dam per suspension system

W ANG Kai-guo LIX ing-zhang PEI Xing-zhu

In a giant suspension system,discussed the design requirements of the damper,the double U-type dampermodel and works p rinciple.Vibration signal acquisition system through the installation of dampers in the suspension substructures experimentalanalysis,and themapping of the hysteretic damper,verify damper final design requirements and energy consumption effects.

double U-type damper,vibration signal acquisition,hysteresis loop

TU352

A

1009-6825(2011)09-0063-03

2010-11-27

王开国(1987-),男,江苏科技大学土木学院土木系本科生,江苏 张家港 215600

李兴章(1987-),男,江苏科技大学土木学院土木系本科生,江苏 张家港 215600

裴星洙(1954-),男,教授,江苏科技大学土木学院,江苏 张家港 215600

岩土工程地基基础