粘滯阻尼器在小行程條件下的力學性能試驗研究_圖文

1、第24卷第6期2008年12月結(jié)構(gòu)工程師Structural EngineersVol . 24, No . 6Dec . 2008粘滯阻尼器在小行程條件下的力學性能試驗研究張恒晟葛繼平12(1. 同濟大學橋梁工程系, 上海200092; 2. 上海應用技術(shù)學院土木建筑與安全工程學院, 上海200235摘要對粘滯阻尼器在小位移條件下的力學行為進行了試驗研究, 研究表明, 阻尼器在小行程條件下其阻尼力小于理論模型給出的計算結(jié)果, 建議在實際工程應用中考慮阻尼器在小行程條件下的力學特性以及影響因素, 以確保真正實現(xiàn)阻尼器在小行程條件下也能發(fā)揮有效的減震消能作用, 提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。關(guān)鍵詞粘滯阻尼

2、器, 試驗, 地震, 結(jié)構(gòu)Experi m ent alM echan i c Research on ViscousDamper under M i n or StrokeZHANG Hengsheng GE J i p ing12(1. Depart m ent of B ridge Engineering, T ongji University, Shanghai 200092, 2. School of Civil Constructi on and Safety Engineering, Shanghai I nstitute of Technol ogy, China Abstra

3、ct The main point of this paper is an experi m da mper under the conditi on of m inor str oke . The result reveals the and calculati on by for mula of mathe matical model is significant .The stiffness of Max well model is anotherconsiderable point during the inor t intensity earthquake . By the resu

4、lts of this study, the behavi or of a da p lace ment of a real structure must be considered for ensuring the effect of ic by utilize the da mper as a supp le mental energy dissi pati on devices . Keywords experi m ent, earthquake, structure的剛度; 而經(jīng)常性發(fā)生的地震雖然其強度不大, 但1概述在新建和既有建筑、橋梁結(jié)構(gòu)中設置減隔震裝置的目的是消耗地震激起的能

5、量; 且減隔震裝置為非承重構(gòu)件, 具有方便更換的特點, 從而避免或降低承重構(gòu)件發(fā)生的損傷程度1造成生產(chǎn)的損失是經(jīng)營者必須面對的難題, 因此對于希望通過使用粘滯阻尼器在地震強度不大且剛度高的廠房中達到良好的減震功能, 必須對阻尼器在小行程條件下的力學行為有準確的把握。盡管震后2粘滯阻尼器工作原理常見的粘滯阻尼器為液壓油缸孔隙式阻尼器, 由套筒、活塞、油封、阻尼孔、導桿和粘滯流體等組成。作用機理是當活塞在缸筒內(nèi)作往復運動, 由于活塞前后的壓力差使粘滯流體從油室穿過節(jié)流孔的減速作用產(chǎn)生粘滯阻尼力。早期的粘滯阻尼器通常為單出桿形式, 但這種流體阻尼器在構(gòu)造上存在缺陷, 當活塞運動時, 由于實際上油缸內(nèi)

6、粘滯流體的體積為可壓縮材料, 使得當活塞仍需要進行檢查或更換結(jié)構(gòu)中發(fā)生損傷的耗能裝置, 但可避免替換結(jié)構(gòu)中的承重構(gòu)件, 同傳統(tǒng)的加固及中斷結(jié)構(gòu)運營的造價相比, 震后整個的維修費用相當?shù)?。因? 采用粘滯阻尼器正逐漸成為提高建筑、橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的一種可選方案2, 3。由于在某些特殊工程中需考慮粘滯阻尼器在小位移下的減震功能, 如電子設備廠的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)因為要控制微震動的振幅以提高生產(chǎn)合格率, 必須提高廠房收稿日期:2008-05-04基金項目:國家高新技術(shù)研究發(fā)展專項(863項目 (2006AA11Z120抗震與抗風107結(jié)構(gòu)工程師第24卷第6期桿抽出時, 被抽出的這部分活塞桿在油缸內(nèi)所占據(jù)的體積

7、無法立刻得到補償, 油缸內(nèi)會產(chǎn)生真空現(xiàn)象, 使活塞桿不能繼續(xù)運動; 當活塞桿回縮時, 原來在活塞另一側(cè)油缸的粘滯流體部分進入油缸內(nèi), 而油缸的容積沒有增大, 從而導致頂死現(xiàn)象, 單出桿阻尼器產(chǎn)生的阻尼力在真空或頂死現(xiàn)象下非常不穩(wěn)定, 其力學行為反而類似二力桿, 難以確保其消能性能。為了解決真空及頂死的問題, 后來改進的粘滯阻尼器常采用雙出桿的形式。如圖1所示, 雙出桿型粘滯阻尼器在活塞運動時, 由于圖2粘滯阻尼器速度與阻尼力關(guān)系圖Fig . 2The force and vel ocity relati oncurves of viscous dampers油缸活塞兩邊的推桿直徑相同, 在運動

8、過程中活塞兩邊的容積改變量相等, 故不需附加氣室, 在構(gòu)造上比較簡單, 活塞前后的體積變化會得到粘滯流體的補償, 油缸內(nèi)的總體積不會發(fā)生變化, 這樣油缸內(nèi)的壓力強度也不會產(chǎn)生過大變化, 從而避免了前述單出桿流體阻尼器的缺點 。3安裝在結(jié)構(gòu)物中的粘滯阻尼器Fig . 3V iscous da mper on the structure圖1Fig . 1mper double poles粘滯阻尼器的力學特性可由式(1 表述:(1 F =C 0x sgn (x 式中, x 是速度; 為阻尼指數(shù), =0. 12. 0; sgn是符號函數(shù)。最簡單的形式是線性阻尼器, 其阻尼指數(shù)為1. 0。一般抗震工程上

9、選定在0. 5以下, 指數(shù)越小, 阻尼力增加速度越快, 阻尼力與速度間的關(guān)系如圖2所示, 粘滯阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)物中的情形如圖3所示, 圖中所示支撐阻尼器的鋼構(gòu)架必4-6須有足夠的剛度以降低構(gòu)架變形。由于粘滯阻尼器制作廠商在阻尼器制作中一些細節(jié)上的構(gòu)造處理, 通常導致阻尼器在小行程條件下的力學特性(如初始摩擦力、小行程下的阻尼力與速度的關(guān)系等 與阻尼器在大行程下的不同, 而在一些特殊建筑結(jié)構(gòu)中, 阻尼器的小行程力學特性也是設計、應用人員所必須給予重視的。為此, 本文對一組粘滯阻尼器在小行程下的力學特性進行了試驗研究, 圖4為試驗加載裝置布置圖, 具體試驗研究內(nèi)容如下。圖4試驗加載裝置布置圖Fig

10、 . 4Experi m ental arrange ment of l oading setup3試驗研究3. 1初始摩擦力試驗研究為了研究粘滯阻尼器克服摩擦力開始運動時所需力的大小, 進行了初始摩擦力試驗研究。試驗方法是以非常緩慢的速度拉伸活塞桿, 當拉力克服靜摩擦力至開始運動的動摩擦的拉力就確定為初始摩擦力。分別選取設計阻尼力為800k N, 1500k N 的兩個阻尼器進行試驗研究, 加載速度為0. 1mm /s, 0. 01mm /s, 試驗結(jié)果見圖5、圖6所示。 Structural Engineers Vol . 24, No . 6108Earthquake and W ind

11、 Resistance 所示; 當設計阻尼器的阻尼力為1500kN, 起始摩擦力約為14k N, 如圖6(a 及6(b 所示。表明在克服這些起始摩擦力前, 阻尼器本身無法發(fā)揮減震消能的能力。3. 2不同小行程下阻尼器的阻尼力和位移關(guān)系研究通過對阻尼器施加不同頻率下由位移控制的正弦力, 分別測得各種位移幅值下阻尼器的位移、阻尼力以及對應的時間等。通過分析試驗結(jié)果, 研究粘滯流體阻尼器阻尼力與位移的關(guān)系。采用正弦激勵加載試驗, 用按照正弦波規(guī)律變化的輸入位移x 來控制試驗機進行加載試驗, 即(2 x =x 0sin t式中, x 0為系統(tǒng)輸入位移幅值; 為加載頻率; t 為時間。1. 5Hz, 位

12、移1. mm , . 4mm 及10. 8, 10所示。圖5800k N 阻尼器位移與阻尼力關(guān)系曲線Fig . 5Hysteretic l oop of nonlinear viscousda mpers of 800k N圖7阻尼器位移為1. 2mm 與阻尼力關(guān)系曲線Fig . 7Hysteretic l oop of nonlinear viscous da mperswith da mp ing dis p lacement of 1. 2 mm圖61500k N 阻尼器位移與阻尼力關(guān)系曲線Fig . 6Hysteretic l oop of nonlinear viscousda mp

13、ers of 1500k N試驗結(jié)果表明, 阻尼器的初始摩擦力約為設計阻尼力的百分之一, 當設計的阻尼器阻尼力為800kN , 起始摩擦力約為9kN , 如圖5(a 及5(b 圖8阻尼器位移為2. 8mm 與阻尼力關(guān)系曲線Fig . 8Hysteretic l oop of nonlinear viscous da mperswith da mp ing dis p lacement of 2. 8mm 抗震與抗風109結(jié)構(gòu)工程師第24卷第6期如圖11和圖12所示。圖11為不作任何處理工況, 力-位移滯回曲線存在捏攏現(xiàn)象, 圖12為涂滿黃油情況下阻尼器阻尼力-位移特性, 雖然仍然有相位角差不足

14、90的問題, 但這是非常準確的一個結(jié)果, 在低頻時當克服起始摩擦力后, 阻尼器在非常微小變形量時可以有消能能力。圖9位移為5. 4mm 的位移與阻尼力關(guān)系曲線Fig . 9Hysteretic l oop of nonlinear viscous da mperswith damp ing dis p lace ment of 5. 4mm圖11(工況一Fig . f orce and ing p (Case one 圖10位移為10. 8mm Fig . 10Hysteretic l oop with da ing p 10. mm-位移關(guān)系可知, 阻尼器的阻尼力-位移滯回環(huán)的面積隨著接近阻

15、尼器的設計值而變得飽滿。試驗表明非線性粘滯阻尼器在很小行程下無法提供如預期非線性公式(1 計算所得非常高阻尼比的結(jié)果。此外, 從圖中也可以非常明顯地看出, 阻尼器存在類似與彈簧串聯(lián), 且顯示彈簧剛度不足的行為, 使得位移與速度相位角不是90, 而是位移接近速度, 相位角小于90。3. 3小行程下阻尼器連接構(gòu)造措施對阻尼力、位圖12阻尼力與阻尼器位移的滯回環(huán)(工況二Fig . 12Hysteretic l oop of da mp ing f orce andda mp ing dis p lacement (Case t w o 4試驗結(jié)果在實際工程應用的考慮和改進由以上試驗研究結(jié)果可知, 阻

16、尼器在克服起始摩擦力后, 在低頻(0. 15Hz 試驗時, 位移幅值為0. 1mm 可以產(chǎn)生明顯消能的阻尼力。在激振頻率為1. 5Hz, 位移幅值分別為1. 2mm , 2. 8mm 時的滯回環(huán)與理論值差異大, 無法達到預期的減震效果, 也非常明顯有類似于彈簧串聯(lián)且表明彈簧剛度不足, 無法表現(xiàn)為純粘性的力學行為, 有部分能量以應變能的形態(tài)存在于阻尼器中, 導致增加結(jié)構(gòu)體的剛度, 因而使地震位移反應減移關(guān)系影響的研究當阻尼器在小行程下時, 阻尼器的力學行為對阻尼器與周圍構(gòu)件間連接構(gòu)造措施很敏感, 特別是球鉸的精密度等因素。因此本文考慮球鉸間隙對阻尼器力學特性影響進行了試驗研究。試驗條件一種是在阻

17、尼器的球型接頭與支承球座間不作任何處理, 另一種是涂滿黃油; 激振頻率為0. 15Hz 、位移幅值為0. 1mm 可以產(chǎn)生約30kN 的阻尼力, 阻尼器阻尼力-位移力學關(guān)系Structural Engineers Vol . 24, No . 6110Earthquake and W ind Resistance 少, 但地震加速度反應增加。雖然一般電子設備廠基于微振動控制在以三分之一倍頻寬為基礎的速度反應譜曲線達到一定要求, 希望結(jié)構(gòu)剛度高, 但因機器臺座的擺設及管線配置必須要有寬敞的空間以及足夠的凈高, 并且機器臺座的重量非常重, 因此其水平振動自然頻率也無法提升太高, 為0. 55Hz,

18、 且隨著樓高改變而變化。下面以電子設備廠四層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠房為例, 分析研究粘滯阻尼器小行程下減震的效果。分析表明, 僅考慮主振型時, 當?shù)谝徽裥偷墓舱耦l率為1. 5Hz, 并承受臺灣科學園區(qū)經(jīng)常發(fā)生的四級地震, 地震強度40Gal 作用下, 原結(jié)構(gòu)系統(tǒng)阻尼比為5%, 依一般設計規(guī)范在系統(tǒng)原始阻尼比5%, 其加速度反應位于加速度反應譜平臺區(qū)間其接頭與支承球座間精度、減少縫隙以防止消能機制的損失。5結(jié)論線性阻尼器有最大阻尼力與結(jié)構(gòu)最大位移90相位角差的好處, 非線性阻尼器存在阻尼力增加速度快、滯回環(huán)飽滿的優(yōu)點。但由試驗得知, 阻尼器在小行程條件下阻尼器的阻尼力達不到由阻尼器理論公式給出的性能, 無法達到在地震作用下很小位移時提供如理論公式計算所得的非常高的阻尼比, 存在非常明顯有類似與彈簧串聯(lián)顯示彈簧剛度不足的現(xiàn)象, 無法表現(xiàn)純粘性的力學行為, 因此研究建議在應用中應考慮這些特點來真正實現(xiàn)阻尼器的減震消能作用, 以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。值為100Gal, 當?shù)谝徽裥偷恼裥螀⑴c系數(shù)為1. 4時, 屋頂層樓的加速度為140Gal 。若阻尼器依理論模型計算增加阻尼比7%, 則整體阻尼比為12%, 依NEHRP 建議可減震28%。以此條件下, 僅考慮第一振型則屋頂層樓的加速度為100. 8Gal, 平均層間位移為2. 80mm 尼器在2. 8mm 阻尼比3. 15%8. 15%