钢筋混凝土摩擦阻尼器在隔震层中的应用

尚守平，刘超



钢筋混凝土摩擦阻尼器在隔震层中的应用

尚守平，刘超

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

针对基础隔震时隔震层水平相对位移较大的问题，提出一种钢筋混凝土摩擦阻尼器，并与钢筋沥青隔震墩组合成一种全新的复合隔震层。为研究钢筋混凝土摩擦阻尼器对上部结构动力响应的影响，对有无摩擦阻尼器2种情况下上部结构加速度峰值和隔震层最大水平相对位移进行振动台试验对比。研究结果表明：不同烈度地震波下弹簧合理压缩量不同，在台面输入加速度峰值为0.3时弹簧合理压缩量为25 mm左右，复合隔震层隔震时上部结构加速度峰值最大可衰减66%，较隔震墩单独隔震时可使隔震层相对位移衰减40%以上。表明钢筋混凝土摩擦阻尼器使上部结构加速度衰减的同时有效降低了隔震层的相对位移，能够较为全面地降低结构的动力响应。

钢筋沥青隔震；摩擦阻尼器；振动台试验；相对位移

基础隔震技术是在基础结构和上部结构之间设置柔性隔震层，延长结构的自振周期，阻碍地震能量向上部结构传递[1−3]，但这样导致隔震层水平相对位移较大。针对这一问题，除了常见的油阻尼器[4−5]、钢阻尼器[6−7]以及黏弹性阻尼器[8]外，基于摩擦阻尼机理的隔震支座的研究也日益增多。张延庆等[9]针对常规摩擦阻尼器的起滑力难以确定的问题提出了带有复合摩擦阻尼系统的基础隔震。欧进萍等[10]提出了一种新型压电-T型变摩擦阻尼器，研究了阻尼器的力学模型和滞回特性。薛素铎等[11]提出了一种SMA复合摩擦阻尼器，研究发现在隔震体系中加入这种复合摩擦阻尼器会导致隔震层水平刚度变大，对上部结构加速度的减震效果没有隔震层位移衰减程度明显。吴斌等[12]对Pall型摩擦阻尼器进行了滞回性能试验，发现阻尼器滑移后其恢复力基本保持不变，但是支撑拉力却显著增大，改变了以往Pall摩擦阻尼器研究中支撑内力不明确的问题，这一认识有助于削弱结构抗震设计时的安全隐患。张文芳等[13]通过基础隔震体系设置摩擦阻尼器时的地震反应进行了理论研究和计算，分析了地震作用下的地震反应特点和规律。Kim等[14]研究了在不同地震波作用下摩擦耗能装置对结点的地震反应影响。本文结合钢筋沥青隔震墩[15]和钢筋混凝土摩擦阻尼器的复合作用来研究阻尼器在隔震层中的应用效果，研究地震波类型以及地震烈度对弹簧合理压缩量的影响。对上部结构加速度和隔震层相对位移进行分析，旨在合理控制弹簧压缩量使得加速度衰减程度和隔震层相对位移的削弱能力都能有效地提高。

1 钢筋混凝土摩擦阻尼器

1.1 构造及工作原理

钢筋混凝土摩擦阻尼器主要由高强混凝土块和挤压弹簧组成，混凝土块经固定钢板分别与基础及上部结构固定，图1为其构造示意图。阻尼器在工作时通过调节螺母改变弹簧压缩量使得上下混凝土块相接触产生摩擦阻尼力。当阻尼器所受的外力小于混凝土块间的静摩擦力时，此时相当于增大了隔震层的初始水平刚度，使建筑物在风荷载或轻微地震作用下保持稳定。当阻尼器所受外力大于混凝土块间的静摩擦力时，混凝土块间发生相互错动,依靠摩擦做功耗散地震能量达到隔震效果。该阻尼器的优点主要有：1) 混凝土耐腐蚀、耐风化；2)耐久性好，属被动消能装置，可靠性高；3) 可在一定范围内调整阻尼器高度，便于安装，适用不同高度的隔震层。

图1 钢筋混凝土摩擦阻尼器构造示示意图

1.2 理论分析

阻尼器中混凝土强度为C40，弹簧尺寸规格为：外径100 mm，直径18 mm，高200 mm，竖向刚度为128.48 N/mm。混凝土间摩擦因数利用图2所示装置测量，试验中弹簧压缩量为30 mm，经测量得动摩擦因数s=0.55，静摩擦因数j=0.59。

图2 混凝土摩擦因数测量图

摩擦阻尼器的力学模型见图3，相应的单质点系动力方程为：

图3 力学模型

Fig. 3 Mechanical model

图4 摩擦阻尼器滞回曲线

摩擦阻尼器滞回曲线见图4所示。根据阻尼器工作原理，当阻尼器受外荷载作用时，此时可假定存在一微小速度，当滑移速度小于时阻尼力为静摩擦力，阻尼器处于非滑动状态(段)，其相当于一个弹性支撑，提高隔震层初始刚度。当滑移速度大于时阻尼力为动摩擦力，阻尼器处于滑动状态(段)，混凝土块产生摩擦力从而达到耗能减震作用，图中点为动静摩擦临界点。根据摩擦机理知摩擦阻尼力的大小与摩擦面的摩擦因数以及作用在下部混凝土块上的弹簧预紧力有关，结合图4可得摩擦阻尼力表达式如下：

令：

对式(3)整理可得：

式(5)微分方程通解为：

图5 摩擦阻尼自由振动响应曲线

Fig. 5 Friction damping free vibration response curve

2 隔震层位移试验研究

在振动台试验时采集的加速度记录存在零点漂移以及试验过程中夹杂的噪声和干扰信号等的影响，对其进行二次积分后所得位移可能完全失真。故作者采用图6所示简易装置测量竖向钢筋端部应变与隔震墩上下墩相对位移，通过对位移和应变进行标定来求得振动台试验时隔震层的相对位移。振动台试验时上部质量块重2.5 t，按7度设防烈度设计时需4个隔震墩，共16根直径为8 mm的HRB400级隔震钢筋，自由长度为250 mm。根据钢筋材性试验得其屈服强度约为469 MPa，在设计时考虑钢筋强度的同时也避免动力弹塑性失稳现象的发生[16−17]。

图6 标定装置示意图

单位：mm

图9 应变-位移曲线

对于有侧移的单层单跨框架，梁柱线刚度比越大对二阶效应影响越小。隔震单元可等效为横梁刚度为无穷大的单层单跨框架进行计算。二阶效应影响系数[17]按式(8)计算，式中：为单根隔震钢筋所受竖向荷载；为隔震钢筋自由长度；为隔震钢筋弹性模量；为圆形截面极惯性距。故竖向荷载作用下水平相对位移计算式见式(9)。

3 带阻尼器复合隔震层振动台试验

3.1 试验概况

试验模型示意图见图10，隔震墩与阻尼器位于振动台四角与中间位置。试验过程中利用拾振器记录台面和质量块顶部加速度，隔震钢筋端部应变由动态信号采集仪记录，结合式(9)计算隔震层相对位移。

图10 隔震层振动台试验模型示意图

3.2 试验方案及工况

试验为研究钢筋混凝土摩擦阻尼器对结构动力反应的影响，设计2组方案如下。

方案1(F1)：隔震层采用4个隔震墩隔震。

方案2(F2)：隔震层采用4个隔震墩和1个钢筋混凝土摩擦阻尼器。

试验选择1940年EL Centro波(S-N)和1952年Taft波(N21E)作为模拟地震振动台台面输入波。试验参数和工况如表1所示。

3.3 试验结果与分析

为分析不同工况下隔震层的加速度和位移反应，定义加速度折减系数为：

式中：1为台面输入加速度峰值；2为隔震输出加速度峰值。

表1 试验工况表

注：表中0.1EL-F1表示：台面输入加速度峰值为0.1，输入波形为EL-Centro波，F1表示试验方案1，其他代号依次类推

3.3.1 弹簧合理压缩量的选取

试验为研究不同弹簧压缩量时复合隔震层的隔震效果，在EL-Centro波和Taft波作用下调节弹簧压缩量为5，10，15，20，25，30，35和40 mm。限于篇幅仅列出台面输入加速度峰值为0.3时的加速度折减系数及应变和隔震层相对位移，其中位移由式(9)计算。试验及计算结果见表2。

表2 弹簧压缩量对应的加速度折减系数及峰值位移汇总表

由表2及图11可知，改变弹簧压缩量对隔震体系影响十分显著，随着弹簧压缩量的增大加速度折减系数呈现先减小后增大的趋势，增大原因在于随着弹簧压缩量过大提高了隔震层水平刚度，上部结构加速度响应增大减震效果降低。同时由于阻尼器的存在使得隔震层相对位移明显减小，提高隔震体系的安全性。

依据加速度折减系数较小且位移衰减比较明显的原则，调节弹簧压缩量为25 mm时，在台面输入加速度峰值为0.3时，复合隔震层隔震效果较好，加速度峰值平均衰减了64.5%，最大相对位移平均衰减43.89%。当弹簧压缩量越大时，尽管隔震层最大相对位移显著降低，但这是以增加上部结构加速度响应为代价的。

图11 弹簧压缩量对应加速度折减系数及峰值位移关系

图12 不同台面加速度峰值对应的弹簧合理压缩量

根据加速度折减系数较小，位移衰减比较明显的原则，在台面加速度峰值为0.1，0.2，0.3和0.4时，EL-Centro波和Taft波的弹簧合理压缩量见图12。

由图12可知，在不同地震波与地震烈度下，弹簧的合理压缩量不同，随着台面加速度峰值的增大，合理压缩量呈逐步递增的趋势。同时弹簧合理压缩量的选取与弹簧竖向刚度有关，阻尼器在工作时依靠混凝土块间的摩擦产生阻尼力，该阻尼力是通过弹簧预紧力来改变，当弹簧竖向刚度发生改变时，压缩量必然随之改变，本次振动台试验中弹簧竖向刚度为定值，故对竖向刚度的影响不再赘述。

3.3.2 复合隔震层加速度及位移反应分析

控制弹簧压缩量为25 mm时，试验所得加速度及位移结果见表3所示。表中应力由应变换算得来，进入塑性认为应力等于屈服强度。

表3 峰值加速度及位移结果汇总表

1) 隔震层加速度反应分析

由表3可知，不同工况下加速度折减系数整体随台面输入加速度幅值的增大呈逐渐减小的趋势。当弹簧压缩量为25 mm时，加速度折减系数在0.34~0.43之间，较隔震墩单独隔震时，复合隔震层隔震时尽管隔震层刚度增大，但由于摩擦阻尼器的存在使得上部加速度反而减小。隔震体系在台面输入波为0.3EL时的加速度时程曲线见图13，在加速度峰值处，隔震输出加速度衰减程度越高，隔震效果越明显。

图13 台面输入加速度与隔震层输出加速度时程曲线

图14 台面输入最大加速度与隔震层输出位移关系图

2) 隔震层位移反应分析

不同工况下台面输入最大加速度与隔震层最大相对位移见图14，由表3和图14可知，隔震层相对位移随加速度幅值的增大而增大，且上升趋势逐渐变缓。较隔震墩单独隔震时，复合隔震层隔震时最大相对位移削弱幅度在43.02%~47.35%之间，限位效果显著。

4 结论

1) 弹簧合理压缩量的选取与地震波、地震烈度有关，随台面输入加速度峰值的增大，弹簧合理压缩量呈逐步递增的趋势。在实际工程中如何选取弹簧压缩量来提高隔震效果还需进行大量试验研究。

2) 对弹簧压缩量为25 mm时复合隔震层的隔震效果进行了分析，上部结构加速度折减系数最低可降至0.34，隔震层位移最大可衰减47.35%。较隔震墩单独隔震时，复合隔震层在显著降低最大相对位移的同时，对上部结构的加速度亦有一定的衰减作用。

3) 钢筋混凝土摩擦阻尼器利用高阻尼特性的摩擦消能机制与钢筋沥青隔震墩复合使用时能显著降低隔震层相对位移且有助于减小上部结构的加速度，在实际使用时填充沥青油膏以防止弹簧锈蚀，耐久性好，施工简便，造价低廉，取材容易，是一种实用型耗能减震装置，应用前景广泛。

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Application of reinforced concrete friction damper in seismic isolation layer

SHANG Shouping, LIU Chao

(School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Aiming at the problem of large relative displacement of the seismic isolation layer during the base isolation, a reinforced concrete friction damper is proposed and combined with the reinforced concrete isolation base to form a new composite isolation layer. In order to study the influence of the RC damper on the dynamic response of the superstructure and the maximum horizontal displacement of the isolation structure, the shaking table test was performed on the two conditions of friction damper and frictionless damper. The test results show that the seismic waves of different intensity have different compression springs. When the input peak acceleration is 0.3, the compression of the spring is about 25 mm. When the composite isolation layer is isolated, the acceleration peak of the superstructure can be attenuated up to 66%. Compared with the isolation of the isolation base, the relative displacement of the isolation layer can be reduced by more than 40%. It shows that the reinforced concrete friction damper can attenuate the acceleration of the superstructure and reduce the relative displacement of the isolation layer effectively, which can reduce the dynamic response of the structure more completely.

reinforced asphalt isolation; friction damper; shaking table test; relative displacement

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.021

TU352；P315.92

A

1672 − 7029(2019)03 − 0720 − 09

2018−03−15

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2015BAL03B01)

尚守平(1953−)，男，山东黄县人，教授，博士，从事土−结构相互作用、结构抗震和加固研究；E−mail：sps@hnu.edu.cn

(编辑 蒋学东)