基礎隔震軟碰撞限位實驗模型的設計與實驗研究

基礎隔震軟碰撞限位實驗模型的設計與實驗研究

目前，被動控制技術已經(jīng)應用于實際工程中，其中重疊層板的橡膠支撐結構最常用的是抗彎地震。疊層鋼板橡膠支座基礎隔震的基本原理是在房屋的上部結構與基礎之間設置柔性隔離層,延長房屋的基本周期,避開地震地面運動輸入中的主要周期,減小上部結構的地震反應。這就要求隔震層的水平剛度較小,但會造成水平位移較大,因此隔震層應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,但水平剛度和造價就要增大。為了既能延長周期又能降低造價,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,需設置大變形保護裝置防止其側(cè)向失穩(wěn),即在減小上部結構地震響應的同時,必須首先保證隔震層自身不發(fā)生破壞或失效。文獻提出了“軟碰撞限位”保護方案,該方案是在隔震層設置軟碰撞限位器,并與隔震層之間預留一定距離,地震時當隔震層變形增大到預留距離,隔震層將與軟碰撞限位器發(fā)生軟碰撞,此時軟碰撞限位器將發(fā)生變形,提供一定的恢復力與阻尼力,將隔震層變形限制在允許變形范圍內(nèi)。對“軟碰撞限位”保護方案進行理論分析表明,合理選取軟碰撞限位器的設計參數(shù)可以獲得預期的限位效果。軟碰撞限位器的主要設計參數(shù)包括:1)軟碰撞限位器首次發(fā)揮作用的預留距離;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“軟碰撞限位”保護方案進行振動臺模型實驗研究,對理論分析結果進行完善與發(fā)展。1實驗模型的設計1.1試驗模型的建立結構模型平面尺寸為1100mm×1200mm,共1層,層高0.5m。模型由各種型鋼焊接組成。試驗模型的立面圖見圖1。隔震層質(zhì)量m1=1190kg,結構層質(zhì)量m2=953kg。結構層彈性剛度K2=8867.56N/mm,第二剛度為0.2K2。結構層阻尼比ξ2=0.02,結構層彈性極限位移為500/300=1.67mm。上部結構的計算基本周期為0.065s。1.2調(diào)查的擴張式橡膠支護結構,其強度k為了獲得較小的橡膠支座水平剛度,本實驗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。橡膠支座的實測剛度k1=157.9N/mm,隔震層一共放置四個橡膠支座,因此隔震層剛度K1=631.65N/mm。隔震后的試驗模型計算基本周期為0.366s1.3軟橋觸發(fā)極限設計1.3.1鋼螺旋彈響應力鋼彈簧具有材質(zhì)均勻、性能穩(wěn)定、承載力較高、耐久性好、計算可靠等優(yōu)點,但其阻尼很小。鋼螺旋彈簧示意圖見圖2。本次實驗設計制作了三種類型的鋼螺旋彈簧限位器,設計參數(shù)與實測力學性能參數(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位到碰撞前的初始位置,以使每次碰撞發(fā)生時的預留距離相同,設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、結構簡單,適合在建筑結構中使用。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,應在99.99%以上。U型鋼板限位器由鋼板制成,主要設計參數(shù)為U型鋼板水平段長度L,U型鋼板圓弧中心到鋼板中性軸長度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計參數(shù)應考慮以下幾個方面的要求:1)提供足夠的消能能力限制隔震層過大位移;2)提供足夠恢復力(剛度)使限位器在軟碰撞結束后恢復到初始位置;3)保證上部結構最大位移不超過其彈性極限位移。本次實驗設計了六種類型U型鋼板與I型鉛棒組合限位器,設計參數(shù)與實測力學性能參數(shù)見表2。2振動試驗與實驗數(shù)據(jù)分析本實驗在北京工業(yè)大學工程抗震及結構診治重點實驗室振動臺上完成。2.1理論分析值采用正弦波掃描方法確定實驗采用的基礎隔震模型基本周期,實測值為0.301s,理論分析值為0.366s,誤差為21.6%。實測周期小于理論計算周期,這是因為本次采用的橡膠支座是空心的純橡膠,每個橡膠支座的剛度存在差異;結構的實際總質(zhì)量與理論計算值也有誤差。2.2軟碰撞限位器設計選用ElCentro地震波作為實驗輸入地震波。實驗時加速度峰值調(diào)整為0.4g,軟碰撞預留距離分別取為10mm、20mm、30mm,軟碰撞限位器設計為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,限位實驗工況為27種,還有1種用于對比的不限位工況,總實驗工況為28種。2.3層之間的最大位移反應2.3.1距離對兩組層間位移的影響圖4、圖5是彈簧限位器預留距離對隔震層最大位移、結構層最大層間位移的影響;圖6、圖7是組合限位器預留距離對隔震層最大位移、結構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,隨著預留距離d增大,隔震層最大位移和結構層最大層間位移增大,而且隔震層最大位移增大趨勢大于結構層最大層間位移增大趨勢。因此,在確保小震不發(fā)生軟碰撞情況下,對剛度、阻尼相同的限位器應采用較小的預留距離d。2.3.2限位器剛度的影響圖8-圖11是限位器剛度對隔震層最大位移、結構層最大層間位移的影響。從圖8-圖11中可以看出,在相同預留距離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,而結構層最大層間位移變化情況則相反。限位器剛度增大,軟碰撞時相當于隔震層剛度增大,使得其最大位移減小。隔震層剛度增大會導致上部結構高頻振型參與系數(shù)變大,故而結構層最大層間位移增大。很明顯,相同預留距離d和限位器阻尼時,限位器剛度越小隔震層位移越大,對隔震層而言則越危險,故可以根據(jù)隔震層的最大位移不能超過其極限位移來確定限位器剛度的下限;而限位器剛度越大結構層最大層間位移越大,對上部結構而言則越不利,故可根據(jù)上部結構最大層間位移應盡可能控制在彈性范圍內(nèi)來確定限位器剛度的上限。2.3.3實驗工況優(yōu)化出的實驗工況根據(jù)預留距離d與限位器剛度對隔震層與上部結構位移反應的影響,對27種軟碰撞限位實驗工況分析優(yōu)選出以下限位效果較好的實驗工況:彈簧限位器為:第I類、第II類預留距離d為10mm、20mm的4種工況。組合限位器為:第I類-第VI類預留距離d為10mm的六種工況,以及第I類預留距離d為20mm的工況,共7種工況。3限位器力學特性設計制作了基礎隔震軟碰撞限位實驗模型,以及3種圓柱彈簧(壓縮型)限位器、6