基于联合减震结构的振动台试验分析

喻梦利, 段绍伟, 丁沛



基于联合减震结构的振动台试验分析

喻梦利, 段绍伟, 丁沛

(中南林业科技大学, 土木工程与力学学院, 湖南长沙, 410004)

通过在钢-混凝土混合结构中设置橡胶隔震支座及阻尼器的不同组合方式构成减震结构, 并对结构进行了振动台试验。试验表明: 橡胶隔震支座对隔震层和上部结构的加速度和位移均能起到很好的控制作用; 在上部结构加设粘滞阻尼器之后, 隔震层的加速度和位移均有所减小, 但减小幅度不大, 而顶层的加速度和位移均出现大幅度减小, 梁、柱的应变减小超过50%, 说明在设置隔震支座的基础上, 通过布置粘滞阻尼器能达到较好的减震效果。

振动台试验; 粘滞阻尼器; 橡胶隔震支座; 加速度

地震是人类所面临的突发性自然灾害之一。我国是一个地震频发的国家, 比如1976年7月28日的唐山大地震、2008年5月12日的汶川大地震以及2010年4月14日的玉树地震等等, 这些地震无一例外给人民群众的生命财产带来了巨大的损失。传统的抗震是以防止结构倒塌为目标, 其抗震性很大程度上依赖于结构的延性, 而这样的结构往往在地震作用下会造成破坏, 使结构不再安全。因此, 如何最大限度地保证在强烈的地震作用下结构的安全是结构工程技术人员面临的亟待解决的一大课题。近年来, 结构减震理论的发展[1]为解决此类问题开辟了新的途径, 各种各样的隔震减震装置不断地运用于实际结构中, 其中橡胶隔震支座以及粘滞阻尼器以安装简便、减震效果良好的优点备受青睐。国内外学者对于设置隔震支座的基础隔震结构[2–5]和安装粘滞阻尼器[6–7]的减震结构做了大量的研究, 并取得许多研究成果。但目前对于联合减震结构的研究还非常少[8–9], 因此, 本文将对同时设置橡胶隔震支座以及粘滞阻尼器的联合减震结构进行振动台模拟分析。

1 振动台试验

1.1 试验装置

试验采用4个直径为500 mm的橡胶隔震支座以及2个液体粘滞阻尼器。每个隔震支座的设计承载力为2 940 kN, 阻尼器的最大位移为20 mm, 支座外形和阻尼器如图1所示。

图1 减震装置

该试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室完成。MTS模拟振动台台面尺寸为4 m × 4 m, 最大承载30 t, 可对试验对象进行,,三个方向的激振, 3个方向的台面最大位移为±250 mm, ±250 mm和±160 mm。振动台工作频率范围为0.1～50 Hz。

1.2 试验模型

该试验为一个2层单跨的钢-混凝土混合框架实体模型, 底层为2 m × 2 m × 2 m的混凝土结构, 上层为2 m × 2 m × 1 m的钢结构。减震体系由4个叠层橡胶隔震支座以及2个粘滞阻尼器构成, 其中橡胶隔震支座顶面的钢板通过螺栓与柱底预留钢板连接。粘滞阻尼器安装在上层的钢结构部分, 采用对角斜撑的形式[10](图1), 通过钢管将阻尼器与钢柱连接, 节点部分采用焊接。

1.3 试验与加载

试验选用了汶川波、Kobe波(下文简称K波)2条天然强震记录以及1条人工合成波(大瑞波)进行测试。试验将加速度幅值调整为0.1g和0.4g在水平方向进行加载。试验前采用白噪声进行扫频, 频率为1～50 Hz。整个实验根据输入不同的加速度、有无隔震支座等情况, 共进行了32个工况试验, 有4个加速度测点和3个位移测点, 测试内容有隔震层及上部结构各层的加速度反应, 各层间位移和梁、柱应变反应。

2 试验结果及分析

2.1 加速度反应

加速度是衡量一定时间内速度变化快慢的物理量, 结构的加速度越大, 证明地震作用对结构损伤越大。图2、图3和图4、图5分别为在0.4g的3种地震波作用下, 单独设置隔震支座和隔震支座与阻尼器联合设置时结构顶层和隔震层加速度时程曲线图。

图2 隔震支座作用下顶层加速度时程曲线

从图2和图3可以看出, 在0.4g 不同地震波作用下, 设置隔震支座与粘滞阻尼器的减震结构比单独设置隔震支座的隔震结构的顶点加速度幅值明显要小, 在加速度峰值处的衰减尤为明显, 超过了50%。

从图4和图5可以看出, 同样在0.4g三条地震波作用下, 在设置隔震支座的基础上加上粘滞阻尼器之后隔震层的加速度有所减小, 但是变化不明显。这与粘滞阻尼器设置的位置有关[10], 粘滞阻尼器设置在上层, 所以对上层的加速度减小明显, 对隔震层加速度影响不大。

图3 隔震支座和阻尼器作用下顶层加速度时程曲线

图4 隔震支座作用下隔震层加速度时程曲线

图5 隔震支座和阻尼器作用下隔震层加速度时程曲线

2.2 位移反应

模型结构层间位移幅值反应结构变形的大小, 此处对3种试验模型(I—无隔震装置、II—加隔震支座、III—加隔震支座与阻尼器组合)的层间位移进行比较。表1为3种结构在3种不同地震波作用下的各层最大位移。

表1 3种波在不同加速度作用下的各层最大位移

从表1可看出, 在不同地震波作用下, 隔震支座能有效地减小了上部结构的位移幅值, 各层的位移约能减少40%, 随着楼层越高, 位移减少幅度越大; 当在基础隔震的基础上设置了粘滞阻尼器之后, 相比单独设置隔震支座, 顶层位移减小70%左右, 隔震层位移也减少了25%左右, 说明同时设置隔震支座与阻尼器之后上部结构的位移能得到有效的控制。

2.3 应变反应

试验中在结构梁柱的最不利截面布置了38个应变片测点, 本文选取几个典型截面进行分析。设置隔震支座的基础隔震结构以及同时设置隔震支座与粘滞阻尼器的减震结构在0.4g的K波作用下的—图如图6、图7所示。

图6 K波作用下柱子ε—t图

图7 K波作用下梁ε—t图

从图6可以看出, 不管是一层的混凝土柱还是二层的钢柱, 在隔震支座的基础上设置了粘滞阻尼器之后柱子的应变减小很多, 钢柱柱顶位置的应变由70变为35, 减小超过50%, 而混凝土柱的柱顶由250变成50, 减小幅度更大; 随着楼层的增高, 柱的应变越小, 说明在水平力作用下, 结构底部所受的剪力也越大。

从图7可以看出, 钢结构梁由于抗弯刚度大于混凝土梁, 对于抗震来说, 钢结构的延性更好, 而混凝土是脆性材料, 所以钢结构的变形大于混凝土部分; 在上部结构中设置了阻尼器之后, 梁的变形大大减小, 说明阻尼器增大了结构的阻尼, 能有效地保护结构构件不被破坏。

3 结论

通过对非隔震结构、单独设置隔震支座的基础隔震结构以及同时设置隔震支座与阻尼器的减震结构在汶川、K波、大瑞波的水平方向进行振动台试验分析, 得到以下主要结论。

在基础隔震的结构上部加上阻尼器之后, 结构顶层的加速度明显变小, 尤其是在加速度峰值处的衰减尤为明显; 基础隔震层的加速度的衰减不太明显, 这与阻尼器安装的位置有关。

设置隔震支座和粘滞阻尼器能显著减小结构隔震层和上部结构的位移, 可以实现上部结构减震和限制位移的目标。

在上部结构设置粘滞阻尼器之后, 构件的应变大大减小, 说明阻尼器消耗了大部分的地震力, 能有效地保护结构不被破坏。

[1] 周福霖. 工程结构减震控制[M]. 北京: 地震出版社, 1997: 22–24.

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[3] 陆伟东, 吴晓飞, 刘伟庆. 基础隔震和非隔震结构模型振动台试验对比研究[J]. 建筑结构, 2012(4): 34–37.

[4] 江宜城, 聂肃非, 叶志雄, 等. 多铅芯橡胶隔震支座非线性力学性能试验研究及其显式有限元分析[J]. 工程力学, 2008, 25(7): 11–17.

[5] 朱腾宇, 朱玉华. 铅芯橡胶支座滞回特性的振动台试验研究[J]. 结构工程师, 2012, 28(4): 128–132.

[6] 王立宪, 刘屺阳, 狄生奎, 等. 基于能量控制指标的粘滞阻尼器参数优化[J]. 工程抗震与加固改造, 2015(6): 58–63.

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[10] 刘莎, 彭伟. 不同安装形式下粘滞阻尼器抗震性能的比较[J]. 四川建筑, 2008(5): 156–157.

(责任编校: 江河)

Experimental analysis of shaking table based on combined vibration damping structure

Yu Mengli, Duan Shaowei, Ding Pei

(School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

A series of shaking table tests of the steel-concrete hybrid structure are set up by changing the combination method of rubber bearings and dampers. The test results show that the rubber bearing can perform a well controlling effect in the acceleration and displacement of both of the rubber bearing isolation layer and the upper structure. After the additional viscous dampers on upper structure are settled, both the acceleration and the displacement of the isolation layer are reduced, but the reduction is not quite obvious. Meanwhile, the acceleration and displacement of the top layer are decreased drastically, and also both the strain of its beams and columns are reduced more than 50%, which means that placing a viscous damper on the basis of rubber bearings can achieve a better damping effect.

shaking table test; viscous damper; rubber isolation bearing; acceleration

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.018

TU 352.1+2

A

1672–6146(2017)01–0078–05

喻梦利, 1604704207@qq.com。

2016–10–24

国家自然科学基金(51274258)。