SMA—滚珠隔震支座对框架自振周期影响研究★

张 健 隋杰英 周 正

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033； 2.中国重型汽车集团房地产开发公司，山东 济南 250031)

Δ≈x0

y0=2(R-r)(1-cosφ)

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|φ|〗

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Fμ1=μ0FN1

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·结构·抗震·

SMA—滚珠隔震支座对框架自振周期影响研究★

张 健1隋杰英1周 正2

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033； 2.中国重型汽车集团房地产开发公司，山东 济南 250031)

对单榀框架在不安装滚珠隔震支座和安装滚珠隔震支座的情况分别进行了敲击试验，通过分别采集其频谱，探究了滚珠隔震支座对此框架自振周期的影响，从而得出滚珠隔震支座可提高框架结构的抗震性能。

滚珠隔震，频谱，自振周期

0 引言

基础隔震是通过在基础与上部结构之间设置隔震层来隔离和耗散地震能量，以减小地震能量向上部结构的传输，从而降低上部结构地震响应。SMA—滚珠隔震支座对地震能量的消耗及变形后的自恢复能力都有比较好的表现。本文在单榀框架底部安装SMA—滚珠隔震支座，探究此支座对上部结构抗震性能的影响。

1 系统动力分析

普通滚动支座一般很难限制滚珠的滚动，震动前后滚珠的位置都不能得到很好的控制，这样普通滚珠隔震支座很难保证自身的稳定性。而在滚珠的上下钢板上设计球形凹槽，便可限制滚珠的滚动，使其只在凹槽内运动，并在震后利用凹槽恢复到原位，更具有较好的自复位能力。

这里简化分析隔震系统的动力反应，假定滚珠与凹形面是始终接触的，即滚动过程中滚珠与凹板之间不发生相对滑动。对于上部只有一层建筑，动力方程为：

(1)

(2)

式中：M0——隔震系统底板的质量；M1——上部结构质量；x(t)——地面位移；x0——底板相对于地面的位移；x1——上部结构相对于地面的位移；K1——上部结构刚度；H——底板所受的水平合力。

由基础的运动和几何关系可得出(见图1)：

(3)

Δ≈x0

(4)

(5)

其中，φ为摆角。

底板的竖向位移为:

y0=2(R-r)(1-cosφ)

(6)

对式(6)求两阶导数得底板的竖向加速度：

(7)

底板所受的水平合力为:

(8)

底板所受竖向合力为:

(9)

其中，n为钢球的个数。

Fμ1=μ0FN1

(10)

(11)

(12)

(13)

联立式(1),式(2)，式(13)即可得到隔震结构的基础和第一层的加速度、速度和位移反应。

2 试验装置

2.1 试件安装

本试验采用两组隔震支座，每组支座由上下两片钢板和4个钢珠组成，上下钢板留孔，用于与地面及上层框架连接，并在上下钢板上设置球形凹槽用以限制滚珠运动。上层框架采用钢筋混凝土框架，支座及框架具体尺寸见表1。

表1 隔震支座及框架尺寸 mm

安装时先将隔震支座下钢板用螺栓固定于地面，然后将滚珠放于下钢板的球形凹槽内，在滚珠上安放隔震支座的上钢板，最后用螺栓将支座的上钢板与混凝土框架的底板固接。

2.2 数据采集系统

本试验采用CF0924磁电式速度传感器测试上层框架的速度，防护等级IP65，灵敏度为20.7 V/(m/s)。采用DH5923动态应变仪采集测试出的数据，用与DH5923配套的分析软件记录速度时程并分析得到框架的速度频谱。

2.3 试验工况

将CF0924磁电式速度传感器固定于柱上部，并接入DH5923动态应变仪某一通道，将动态应变仪与计算机连接好后，使用高弹性聚能力锤敲击框架，使其产生自由振动，通过上述数据采集,分析系统的采集分析便可得到框架频谱，进而得到自振周期。

本试验分三种试验工况：

工况一：框架底板直接与隔震支座下钢板固结，由于下钢板固定于地面，所以此种工况相当于框架与地面刚性连接。对采集分析系统清零调平衡后，敲击框架测试出此时框架的速度频谱。

工况二：隔震支座组装完成，将框架与隔震支座上钢板固结，此时隔震支座作为框架底座起到隔震作用。对采集分析系统清零调平衡后，敲击框架测试此时的速度频谱。

工况三：在工况二的基础上，在隔震支座上钢板与下钢板之间分两侧分别双向拉结SMA丝，此时隔震支座与SMA丝共同组成隔震体系，起到隔震作用。对采集分析系统清零调平衡后，敲击框架测试这时的速度频谱。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

对上述三种工况分别敲击5次框架后，由采集分析系统分析得到的速度频谱如图2～图4所示。

根据分析得到的结构自振频率，由周期与频率的关系：T=1/f可以计算得到各种工况下框架的自振周期(见图5)。

3.2 试验结果分析

框架固结于地面的基本自振周期为0.14 s，比较符合实际单层框架建筑结构的基本周期。而为框架安装隔震支座后，其基本自振周期达到0.85 s，是固结地面时的6.07倍，明显延长了结构的基本周期。这种效果显然是很好的，然而却又要面对这样一个问题：虽然隔震支座的钢板设置有凹槽，但隔震支座的耗能效果及自复位力还是不很理想。SMA材料的主要特征之一就是相变超弹性，即当温度高于奥式体相变温度(T>Af)时进行加卸载，SMA可以提供饱满的滞回曲线并且卸载后没有残余变形，在变形过程中也可提供较大的恢复力。于是，在隔震支座上拉结SMA丝，使其与隔震支座共同组成隔震体系，便能很好解决上述问题。此时框架的基本自振周期为0.64 s,是固结地面时的4.57倍，周期延长效果也很明显。

4 结语

SMA—滚珠隔震支座基础隔震使上部框架结构与地面振动解耦，延长上部框架结构的基本自振周期，避开地震地面输入的主要周期，减小上部框架结构的地震反应，提高框架结构的抗震性能。

[1]姚谦峰，丰定国.滚动隔震结构受力分析.西安建筑科技大学学报，1999，31(3)：249-252.

[2]史红福，樊 剑，李 黎．滚动基础隔震机构的动力分析.振动与冲击，2005，24(3)：6.

[3]李爱群，高振世．工程结构抗震与防灾.南京：东南大学出版社，2003.

刘玉东.形状记忆合金阻尼特性及形状记忆合金.中国材料研讨会论文集(功能材料).北京:化学工业出版社,1996:668-671.

Study on the natural period of vibration to framework by support with SMA—ball shock insulation★

Zhang Jian1Sui Jieying1Zhou Zheng2

(1.CivilEngineeringCollege,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China;2.ChinaNationalHeavyDutyTruckGroupRealEstateDevelopmentCompany,Jinan250031,China)

Through the knocking experiment towards single framework under the circumstances of installing and non-installing support with ball shock insulation, collecting the frequency spectrum respectively, investigating the influence of natural vibration period to this framework by support with ball shock insulation, resulted that the support with ball shock insulation could enhance the anti-seismic property to the framework.

ball shock insulation, frequency spectrum, natural period of vibration

1009-6825(2015)01-0032-02

2014-10-24 ★：国家自然科学基金项目(项目编号：E080803)

张 健(1989- )，男，在读硕士； 隋杰英(1973- )，女，硕士生导师，副教授； 周 正(1990- )，女

TU352.12

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