基礎(chǔ)隔震軟碰撞限位實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

基礎(chǔ)隔震軟碰撞限位實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

目前，被動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程中，其中重疊層板的橡膠支撐結(jié)構(gòu)最常用的是抗彎地震。疊層鋼板橡膠支座基礎(chǔ)隔震的基本原理是在房屋的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置柔性隔離層,延長(zhǎng)房屋的基本周期,避開地震地面運(yùn)動(dòng)輸入中的主要周期,減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。這就要求隔震層的水平剛度較小,但會(huì)造成水平位移較大,因此隔震層應(yīng)具有較大的變形能力。如采用直徑較大的隔震橡膠支座,可以滿足較大變形能力的要求,但水平剛度和造價(jià)就要增大。為了既能延長(zhǎng)周期又能降低造價(jià),宜選用水平剛度和直徑較小的橡膠支座,但直徑較小的橡膠支座水平變形能力有限,需設(shè)置大變形保護(hù)裝置防止其側(cè)向失穩(wěn),即在減小上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的同時(shí),必須首先保證隔震層自身不發(fā)生破壞或失效。文獻(xiàn)提出了“軟碰撞限位”保護(hù)方案,該方案是在隔震層設(shè)置軟碰撞限位器,并與隔震層之間預(yù)留一定距離,地震時(shí)當(dāng)隔震層變形增大到預(yù)留距離,隔震層將與軟碰撞限位器發(fā)生軟碰撞,此時(shí)軟碰撞限位器將發(fā)生變形,提供一定的恢復(fù)力與阻尼力,將隔震層變形限制在允許變形范圍內(nèi)。對(duì)“軟碰撞限位”保護(hù)方案進(jìn)行理論分析表明,合理選取軟碰撞限位器的設(shè)計(jì)參數(shù)可以獲得預(yù)期的限位效果。軟碰撞限位器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括:1)軟碰撞限位器首次發(fā)揮作用的預(yù)留距離;2)軟碰撞限位器的阻尼特性;3)軟碰撞限位器的剛度特性。本文將對(duì)“軟碰撞限位”保護(hù)方案進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行完善與發(fā)展。1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒔Y(jié)構(gòu)模型平面尺寸為1100mm×1200mm,共1層,層高0.5m。模型由各種型鋼焊接組成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧⒚鎴D見圖1。隔震層質(zhì)量m1=1190kg,結(jié)構(gòu)層質(zhì)量m2=953kg。結(jié)構(gòu)層彈性剛度K2=8867.56N/mm,第二剛度為0.2K2。結(jié)構(gòu)層阻尼比ξ2=0.02,結(jié)構(gòu)層彈性極限位移為500/300=1.67mm。上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算基本周期為0.065s。1.2調(diào)查的擴(kuò)張式橡膠支護(hù)結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度k為了獲得較小的橡膠支座水平剛度,本實(shí)驗(yàn)采用中空的圓柱型橡膠支座,內(nèi)徑40mm,外徑105mm,極限位移為50mm。橡膠支座的實(shí)測(cè)剛度k1=157.9N/mm,隔震層一共放置四個(gè)橡膠支座,因此隔震層剛度K1=631.65N/mm。隔震后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算基本周期為0.366s1.3軟橋觸發(fā)極限設(shè)計(jì)1.3.1鋼螺旋彈響應(yīng)力鋼彈簧具有材質(zhì)均勻、性能穩(wěn)定、承載力較高、耐久性好、計(jì)算可靠等優(yōu)點(diǎn),但其阻尼很小。鋼螺旋彈簧示意圖見圖2。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了三種類型的鋼螺旋彈簧限位器,設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)見表1。1.3.2u型鋼板限位器為了使軟碰撞限位器在軟碰撞后能夠自復(fù)位到碰撞前的初始位置,以使每次碰撞發(fā)生時(shí)的預(yù)留距離相同,設(shè)想限位器由兩部分組成:一部分起消能作用,選用如圖3(b)所示的I型鉛阻尼器;另一部分主要起軟碰撞后的復(fù)位作用,選用如圖3(a)所示的U型鋼板限位器。由二者組合成的組合軟碰撞限位器如圖3(c)所示。這種組合軟碰撞限位器取材容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合在建筑結(jié)構(gòu)中使用。I型鉛阻尼器的特性取決于撓曲部分的截面直徑d和撓曲部分的高度H。另外,鉛的純度也很重要,應(yīng)在99.99%以上。U型鋼板限位器由鋼板制成,主要設(shè)計(jì)參數(shù)為U型鋼板水平段長(zhǎng)度L,U型鋼板圓弧中心到鋼板中性軸長(zhǎng)度R,U型鋼板的厚度t,以及U型鋼板的寬度b。組合軟碰撞限位器的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的要求:1)提供足夠的消能能力限制隔震層過(guò)大位移;2)提供足夠恢復(fù)力(剛度)使限位器在軟碰撞結(jié)束后恢復(fù)到初始位置;3)保證上部結(jié)構(gòu)最大位移不超過(guò)其彈性極限位移。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了六種類型U型鋼板與I型鉛棒組合限位器,設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)見表2。2振動(dòng)試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析本實(shí)驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)工程抗震及結(jié)構(gòu)診治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)上完成。2.1理論分析值采用正弦波掃描方法確定實(shí)驗(yàn)采用的基礎(chǔ)隔震模型基本周期,實(shí)測(cè)值為0.301s,理論分析值為0.366s,誤差為21.6%。實(shí)測(cè)周期小于理論計(jì)算周期,這是因?yàn)楸敬尾捎玫南鹉z支座是空心的純橡膠,每個(gè)橡膠支座的剛度存在差異;結(jié)構(gòu)的實(shí)際總質(zhì)量與理論計(jì)算值也有誤差。2.2軟碰撞限位器設(shè)計(jì)選用ElCentro地震波作為實(shí)驗(yàn)輸入地震波。實(shí)驗(yàn)時(shí)加速度峰值調(diào)整為0.4g,軟碰撞預(yù)留距離分別取為10mm、20mm、30mm,軟碰撞限位器設(shè)計(jì)為9種:3種鋼螺旋彈簧限位器以及6種U型鋼板與I型鉛棒組合限位器,限位實(shí)驗(yàn)工況為27種,還有1種用于對(duì)比的不限位工況,總實(shí)驗(yàn)工況為28種。2.3層之間的最大位移反應(yīng)2.3.1距離對(duì)兩組層間位移的影響圖4、圖5是彈簧限位器預(yù)留距離對(duì)隔震層最大位移、結(jié)構(gòu)層最大層間位移的影響;圖6、圖7是組合限位器預(yù)留距離對(duì)隔震層最大位移、結(jié)構(gòu)層最大層間位移的影響。從圖4-圖7中可以看出,在相同限位器剛度、阻尼情況下,隨著預(yù)留距離d增大,隔震層最大位移和結(jié)構(gòu)層最大層間位移增大,而且隔震層最大位移增大趨勢(shì)大于結(jié)構(gòu)層最大層間位移增大趨勢(shì)。因此,在確保小震不發(fā)生軟碰撞情況下,對(duì)剛度、阻尼相同的限位器應(yīng)采用較小的預(yù)留距離d。2.3.2限位器剛度的影響圖8-圖11是限位器剛度對(duì)隔震層最大位移、結(jié)構(gòu)層最大層間位移的影響。從圖8-圖11中可以看出,在相同預(yù)留距離d和限位器阻尼情況下,隔震層最大位移隨限位器剛度增大而減小,而結(jié)構(gòu)層最大層間位移變化情況則相反。限位器剛度增大,軟碰撞時(shí)相當(dāng)于隔震層剛度增大,使得其最大位移減小。隔震層剛度增大會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)高頻振型參與系數(shù)變大,故而結(jié)構(gòu)層最大層間位移增大。很明顯,相同預(yù)留距離d和限位器阻尼時(shí),限位器剛度越小隔震層位移越大,對(duì)隔震層而言則越危險(xiǎn),故可以根據(jù)隔震層的最大位移不能超過(guò)其極限位移來(lái)確定限位器剛度的下限;而限位器剛度越大結(jié)構(gòu)層最大層間位移越大,對(duì)上部結(jié)構(gòu)而言則越不利,故可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)最大層間位移應(yīng)盡可能控制在彈性范圍內(nèi)來(lái)確定限位器剛度的上限。2.3.3實(shí)驗(yàn)工況優(yōu)化出的實(shí)驗(yàn)工況根據(jù)預(yù)留距離d與限位器剛度對(duì)隔震層與上部結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的影響,對(duì)27種軟碰撞限位實(shí)驗(yàn)工況分析優(yōu)選出以下限位效果較好的實(shí)驗(yàn)工況:彈簧限位器為:第I類、第II類預(yù)留距離d為10mm、20mm的4種工況。組合限位器為:第I類-第VI類預(yù)留距離d為10mm的六種工況,以及第I類預(yù)留距離d為20mm的工況,共7種工況。3限位器力學(xué)特性設(shè)計(jì)制作了基礎(chǔ)隔震軟碰撞限位實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?以及3種圓柱彈簧(壓縮型)限位器、6