地震波輸入情況下的鋼絲繩隔震器試驗(yàn)研究

地震波輸入情況下的鋼絲繩隔震器試驗(yàn)研究

在這項(xiàng)工作的整體形式中，采用了一種具有縮短剛性結(jié)構(gòu)的國家發(fā)明鼓彈簧隔震器，并對(duì)兩部分總體模型進(jìn)行了分析。在自然地震波和爆炸地震波的入口進(jìn)行了地震勘探，并在兩種情況下觀察到了地震的隔震效果，并確定了相關(guān)譜、畸變和位移的情況。研究表明,針對(duì)爆炸震動(dòng)研制的該型隔震器對(duì)兩者的震動(dòng)隔離效果存在較大區(qū)別,這一方面反映了兩種輸入震動(dòng)波形在持時(shí)、頻譜、幅值、能量方面存在著較大不同,另一方面也反映了該型隔震器本身固有的力學(xué)特性對(duì)不同輸入震動(dòng)波形響應(yīng)存在的差別。1單自由度結(jié)構(gòu)模型的安裝原型結(jié)構(gòu)為兩層全鋼框架結(jié)構(gòu)形式,每層凈高3.9m,總高度7.92m,水平方向幅員為6m×4m;結(jié)構(gòu)頂板、樓板、底板厚度分別為3cm、4.5cm、4.5cm,側(cè)墻厚度3cm。模型的縮尺比例為6∶1,縮尺后模型每層凈高0.65m,總高度為1.32m,水平方向幅員為1m×0.666m,結(jié)構(gòu)頂板、樓板、底板厚度分別為0.5cm、0.8cm、0.8cm,側(cè)墻厚度0.5cm。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用鋼板與槽鋼組合形式,鋼板模擬結(jié)構(gòu)底板、樓板、頂板及側(cè)墻等,槽鋼則模擬結(jié)構(gòu)承重柱。由于模型對(duì)應(yīng)的原型結(jié)構(gòu)幅員不大,沒有對(duì)梁進(jìn)行模擬。另外,為了簡化設(shè)計(jì)以及照顧模型的構(gòu)件剛度,鋼板厚度比實(shí)際可能采用的厚度加大,這樣做一方面可以適當(dāng)模擬工程使用過程中的實(shí)際荷載,另一方面就是不至于使模型的構(gòu)件(主要是鋼板)太薄,以免使模型組裝(尤其是構(gòu)件連接上)發(fā)生困難?？紤]到該三維模型使用了非常多的不同尺寸構(gòu)件,構(gòu)件連接之處特別多,對(duì)連接精度要求很高,為避免焊接產(chǎn)生熱變形使構(gòu)件組裝發(fā)生困難,構(gòu)件之間全部采用螺栓連接。由于整體隔震的需要,除了模型底部布置有隔震器外,模型周邊側(cè)向也布置有隔震器,這些側(cè)向隔震器收稿日期:2008-04-02修改稿收到日期:2008-07-01第一作者謝清糧男,博士生,副研,1969年2月生必須由具有一定剛度的支架進(jìn)行固定,包括與結(jié)構(gòu)本身和連接鋼板之間的固定(連接鋼板通過螺栓與震動(dòng)臺(tái)臺(tái)面或地面連接)。設(shè)計(jì)這些固定鋼支架的主要要求是保證其在結(jié)構(gòu)震動(dòng)過程中不產(chǎn)生變形(主要是彎曲變形),因此必須具有足夠的整體抗彎剛度。該固定鋼支架也是由鋼板和槽鋼、角鋼等各種型材組合形成,各型材之間通過螺栓連接。多自由度非線性系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)合理,可以近似以單自由度線性系統(tǒng)考慮,即非如此,表征線性系統(tǒng)特性的最低階主模態(tài)(對(duì)應(yīng)系統(tǒng)基頻)也是溝通線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)的橋梁,在各種共振狀態(tài)下出現(xiàn)的大振幅非線性現(xiàn)象,將以很少的線性主模態(tài)呈現(xiàn)出來,其他很多文獻(xiàn)也有類似結(jié)論。本文試驗(yàn)基于上述論述,也初步按單自由度系統(tǒng)來考慮。由于“非耦合體系”要求系統(tǒng)“質(zhì)量中心”和“剛度中心”重合,經(jīng)計(jì)算,當(dāng)側(cè)向隔震器在模型高度方向的支承位置位于模型樓板處以上約20cm時(shí),滿足以上條件。試驗(yàn)中側(cè)向隔震器的實(shí)際支承位置選擇在模型樓板處,因?yàn)榇颂幗Y(jié)構(gòu)的抗彎剛度較大,同時(shí)也使側(cè)向隔震器的安裝更便利。與模型高度方向的幅員相比,這個(gè)位置偏差很小,不影響整體模型按非耦合體系進(jìn)行考慮。在本試驗(yàn)的后續(xù)試驗(yàn)中按“兩心重合”原則進(jìn)行了側(cè)向隔震器安裝位置的調(diào)整,試驗(yàn)結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)位置變化存在任何明顯的影響。兩層整體鋼結(jié)構(gòu)模型正、側(cè)視簡圖及在比例坑道內(nèi)安裝示意見圖1。整體模型天然地震波試驗(yàn)是在大連理工大學(xué)“工程抗震研究中心”的地震臺(tái)上進(jìn)行的。該地震臺(tái)最大負(fù)載10t;臺(tái)面由一1m×3m的長方形與兩個(gè)半徑為1.5m的半圓組成一橢圓形狀;垂直滿載加速度0.7g(g為重力加速度),水平滿載加速度1.0g;垂直最大位移±50mm,水平最大位移±75mm:水平最大速度±50cm/s;工作頻率范圍0.1Hz～50Hz:激振方向?yàn)樗?垂直+同平面內(nèi)搖擺;控制方式為計(jì)算機(jī)數(shù)控;驅(qū)動(dòng)方式為電液伺服。整體模型爆炸地震波試驗(yàn)是在我所試驗(yàn)場自行開挖的比例坑道內(nèi)進(jìn)行的(兩個(gè)模型均放置于北側(cè)坑道)?？拥浪幍刭|(zhì)環(huán)境圍巖為節(jié)理較發(fā)育的層狀沉積變質(zhì)凝灰?guī)r,傾角約為45°,走向大體為南北向。裝藥位于坑道軸向頂部及坑道側(cè)向不同斷面的圍巖中,預(yù)先打好藥孔。比例坑道有尺寸及模型布置示意見圖2。模型在震動(dòng)臺(tái)上和坑道中組裝完畢和底部及側(cè)向隔震器安裝照片如圖3所示。整體模型天然地震波試驗(yàn)測試系統(tǒng)采用震動(dòng)臺(tái)配套的“聯(lián)合時(shí)頻測試分析系統(tǒng)-DSPS”和“BJQN-4系列光電圖象式撓度檢測儀”,前者用來測量加速度和應(yīng)變,后者用來測量位移。試驗(yàn)共布置加速度測點(diǎn)4個(gè)(8路),分別布置在震動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心、模型結(jié)構(gòu)的底板、樓板、頂板中心,每個(gè)測點(diǎn)測量水平(沿地震臺(tái)臺(tái)面橢圓長軸方向)及垂直兩個(gè)方向的加速度信號(hào);布置應(yīng)變測點(diǎn)27個(gè)(54路),分別布置在模型結(jié)構(gòu)的底板、樓板、頂板庳側(cè)墻上,采用的各種傳感器均為地震臺(tái)配套設(shè)備;布置位移測點(diǎn)一個(gè),用來測量模型頂板角上與震動(dòng)臺(tái)臺(tái)面之間的相對(duì)位移。整體模型爆炸地震波試驗(yàn)測試系統(tǒng)采用我所新近配置的野外量測試驗(yàn)車的車載測試系統(tǒng),主要裝備為“四川實(shí)時(shí)信號(hào)研究所”生產(chǎn)的瞬態(tài)信號(hào)采集儀(配套軟件為泰斯特信號(hào)采集系統(tǒng)DAP3.14)和日本產(chǎn)磁帶機(jī),以及相應(yīng)配套的電荷放大器、加速度傳感器、應(yīng)變放大器、橋盒、應(yīng)變片等。布置加速度測點(diǎn)4個(gè)(12路,每個(gè)測點(diǎn)3路),分別布置在地面連接鋼板中心、模型結(jié)構(gòu)的底板、樓板、頂板中心,每個(gè)測點(diǎn)測量水平向(X向沿坑道軸線、Y向與X向垂直)及垂直向(鉛垂向)三個(gè)方向的加速度信號(hào);布置應(yīng)變測點(diǎn)7個(gè)(14路,每個(gè)測點(diǎn)2路),分別布置在模型結(jié)構(gòu)的底板、樓板、頂板和側(cè)墻上,采用的加速度傳感器為秦皇島市北戴河蘭德科技有限公司所產(chǎn)BZ系列及丹麥B&K公司4320系列,電荷、應(yīng)變放大器為我所自行研制;相對(duì)位移測量采用人工加工的簡易鋼支架(固定于側(cè)向隔震器固定鋼支架上)進(jìn)行,用來測量模型頂板角上與地面連接鋼板之間的相對(duì)位移,具體可參見圖3。兩次試驗(yàn)測試系統(tǒng)照片見圖4。試驗(yàn)采用隔震器的有關(guān)參數(shù)為:繩徑6mm,每股長度70mm,共8股:自由高度約70mm:每個(gè)隔震器負(fù)載約55kg。隔震器在徑向和側(cè)向具有不同的剛度特性,由于是鼓形設(shè)計(jì),側(cè)向所有方向的剛度基本相等,圖5為隔震器實(shí)測徑向和側(cè)向靜力剛度曲線。天然地震波試驗(yàn)輸入波形有關(guān)參數(shù):選?、耦?、Ⅱ類、Ⅲ類場地土上實(shí)測的四條地震波作為震動(dòng)臺(tái)輸入,其中Ⅰ類場地一條-CPM波,為水平分量地震波;Ⅱ類場地兩條-EL波和QIAN波,其中EL波為南北水平分量地震波,QIAN波為水平+垂直分量復(fù)合地震波;Ⅲ類場地一條-TJ波,為水平+垂直分量復(fù)合地震波。前三條地震波持時(shí)均為60s,第四條地震波持時(shí)為57s;地震波水平分量峰值均為2g,垂直分量峰值均為1.333g;前兩條波采樣率為50Hz,后兩條為100Hz。試驗(yàn)輸入時(shí),按模型試驗(yàn)的相似原則對(duì)原波形進(jìn)行縮尺再輸入震動(dòng)臺(tái),即試驗(yàn)時(shí)輸入波形持時(shí)為原波形的1/6,采樣點(diǎn)數(shù)與原波形一致,波形幅值同樣根據(jù)相似原則擴(kuò)大6倍?，F(xiàn)階段實(shí)測最大天然地震約為2g左右,但限于震動(dòng)臺(tái)的負(fù)載能力,無法模擬最大量值的天然地震,實(shí)際加載的地震波幅值最大約為2g,即模擬了約0.33g的天然地震。另外,為了確保作用效果,有些波形進(jìn)行了人為重復(fù)。四條輸入波形如圖6所示。加載方式為每條波形幅值從小到大逐級(jí)加載,四條波形依次加載完為一級(jí),共加載6級(jí),直到隔震器出現(xiàn)嚴(yán)重變形或有鋼絲繩被拔出為止。爆炸地震波試驗(yàn)是通過TNT集團(tuán)裝藥在巖土中爆炸產(chǎn)生的地震動(dòng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行震動(dòng)加載。試驗(yàn)共進(jìn)行23炮次。其中頂爆5炮,側(cè)爆18炮,頂爆最小藥量2.4kg,最大藥量4kg,側(cè)爆最小藥量0.8kg,最大藥量16kg,爆心距每炮均有變化。結(jié)構(gòu)所處基礎(chǔ)地面連接鋼板表面X方向的實(shí)測地震動(dòng)加速度輸入量值從3.2m/s2到610.36m/s2,Y方向從5.37m/s2到718.76m/s2,Z方向從8.69m/s2到1196.3m/s2(X方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)長軸方向,Y方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)短軸方向,Z方向?yàn)殂U垂方向)圖7為典型實(shí)測輸入加速度波形。2模型試驗(yàn)結(jié)果2.1全球模型的振動(dòng)率2.1.1無隔震器支撐下的震動(dòng)試驗(yàn)就我們主要關(guān)心的整體模型的隔震率而言,對(duì)天然地震波試驗(yàn),平均隔震率見表1。為了對(duì)比結(jié)構(gòu)在有隔震器支撐和無隔震器支撐情況下的震動(dòng),也對(duì)該模型進(jìn)行了無隔震器支撐情況下的震動(dòng)試驗(yàn)。從表1可以看山,該型隔震器對(duì)天然地震波的隔離效果不理想,但相比無隔震器試驗(yàn),情況還是有所改善。2.1.2震率與震率分析對(duì)爆炸地震波試驗(yàn),整體模型的平均隔震率見表2。從表2可見,該型號(hào)隔震器對(duì)爆炸地震波的隔離效果很好,與對(duì)天然地震波的隔離效果形成了鮮明對(duì)比。2.2輸入和響應(yīng)速度的波形及其譜特性2.2.1響應(yīng)波形密度圖8為結(jié)構(gòu)底板對(duì)四條輸入地震波的響應(yīng)波形,與前面的輸入波形對(duì)比可以看出,兩者在形態(tài)上極其相似,另外,結(jié)構(gòu)樓板、頂板的響應(yīng)波形與底板響應(yīng)波形也很相似,這里不再給出。圖9為輸入及結(jié)構(gòu)底板響應(yīng)波形的頻譜對(duì)比,從圖中可以看出,輸入波形的頻譜集中在50Hz以內(nèi),結(jié)構(gòu)底板響應(yīng)波形的頻譜具有很突出的主頻,即該型號(hào)隔震器對(duì)天然地震波具有很強(qiáng)的頻率篩選作用。這些異常突出的主頻即可認(rèn)為是整體模型的基頻,經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到模型水平向的自振頻率約為8.97Hz:垂直向的自振頻率約為10.77Hz。另外,結(jié)構(gòu)樓板、頂板響應(yīng)波形的頻譜與底板存在同樣的規(guī)律,這里不再給出。2.2.2衰減作用特征圖10為結(jié)構(gòu)底板對(duì)爆炸地震波的響應(yīng)波形,與前面的輸入波形對(duì)比可以看出,除了在波形幅值上有大幅度減小外,在響應(yīng)時(shí)間上明顯延長,這正反映了該型隔震器對(duì)爆炸地震波的衰減作用特征。與天然地震波的響應(yīng)對(duì)比,兩者存在巨大差別。雖然天然地震波也是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的波動(dòng),但與強(qiáng)瞬態(tài)特征明顯的爆炸地震波相比,由于作用持時(shí)很長,基本可以近似看成是一種穩(wěn)態(tài)震動(dòng),因此,該型隔震器對(duì)兩者的響應(yīng)存在巨大差別就不足為奇了。圖11為輸入及結(jié)構(gòu)底板響應(yīng)波形的頻譜對(duì)比,從圖中可以看出,輸入波形的頻譜絕大部分集中在500Hz以內(nèi),結(jié)構(gòu)底板響應(yīng)波形的頻譜沒有特別突出的主頻,與該型號(hào)隔震器對(duì)天然地震波具有強(qiáng)烈的頻率篩選作用存在很大差別。2.3變形波形及其光譜特性2.3.1結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析圖12為結(jié)構(gòu)底板、樓板、頂板中心對(duì)CPM波的應(yīng)變響應(yīng)波形及頻譜,從圖中可以看出,底板、樓板和頂板的應(yīng)變信號(hào)其頻譜存在較大區(qū)別,底板應(yīng)變信號(hào)的頻譜分量非常集中地分布在50Hz以下,而樓板的應(yīng)變信號(hào)其頻譜分量雖然絕大部分也分布在50Hz以內(nèi),但超過50Hz的頻率范圍已經(jīng)可以看到也存在一定的分布量值,而頂板應(yīng)變信號(hào)其頻譜分量在所分析的頻帶范圍內(nèi)基本呈均勻分布。其原因可以認(rèn)為在地震波剛傳入結(jié)構(gòu)時(shí),結(jié)構(gòu)響應(yīng)(應(yīng)變波)包含的頻率成分主要為輸入地震波的頻率成分,而輸入地震波的主要頻帶正處于50Hz以下。在地震波通過結(jié)構(gòu)的傳播過程中,逐漸耦合了結(jié)構(gòu)本身各構(gòu)件豐富的自振頻率特性,因此將相對(duì)較為集中的頻帶基本均勻延展到分析的整個(gè)頻帶范圍。結(jié)構(gòu)對(duì)其他三條波的應(yīng)變響應(yīng)情況與CPM波具有基本一致的特點(diǎn),這里不再給出。實(shí)測結(jié)構(gòu)不同部位應(yīng)變量值均在100με以下,遠(yuǎn)小于鋼的應(yīng)變極限,為一次要參量。從應(yīng)變峰值在模型結(jié)構(gòu)不同部位上的變化來看,有一個(gè)比較明顯的趨勢,那就是相對(duì)模型第1層而言,模型第2層的應(yīng)變要大一些,尤其是第2層的短側(cè)墻,而第2層的長側(cè)墻與第1層的長側(cè)墻相比其應(yīng)變變化不明顯。這說明了兩點(diǎn),第一,相對(duì)模型第1層,模型第2層的穩(wěn)定性要差一些,響應(yīng)要大一些,這與結(jié)構(gòu)的支撐方式是吻合的;第二,震動(dòng)臺(tái)水平向地震波輸入的方向是平行于模型結(jié)構(gòu)的長軸方向的,因此結(jié)構(gòu)在輸入震動(dòng)作用下,存在繞短軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢,而這正好會(huì)比較明顯地反應(yīng)在結(jié)構(gòu)第2層短側(cè)墻的應(yīng)變響應(yīng)上,因?yàn)檫@個(gè)方向的側(cè)墻正好垂直于震動(dòng)臺(tái)的水平震動(dòng)方向,其抗彎剛度比平行于震動(dòng)臺(tái)水平震動(dòng)方向的模型側(cè)墻的抗壓、抗拉剛度要小很多,而第2層長側(cè)墻與第1層長側(cè)墻的應(yīng)變變化不明顯說明,長側(cè)墻抗壓、抗拉剛度較抗彎剛度大的影響超過了模型第1層與第2層支撐穩(wěn)定性差別的影響。2.3.2天然地震波作用下的頻率篩選及混疊效應(yīng)圖13為典型結(jié)構(gòu)底板、樓板、頂板中心對(duì)爆炸地震波的應(yīng)變響應(yīng)波形及頻譜,從圖中看不出什么特別有價(jià)值的規(guī)律,只能發(fā)現(xiàn)高頻分量較多且離散,不存在天然地震波作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)較強(qiáng)的頻率篩選及結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身頻率的混疊效應(yīng)。實(shí)測結(jié)構(gòu)不同部位應(yīng)變量值也均在100με以下,同樣遠(yuǎn)小于鋼的應(yīng)變極限,為一次要參量。2.4天然地震波作用的位移如前所述,為了了解整體隔震結(jié)構(gòu)在不同輸入情況下的位移情況,測試了模型頂部與基礎(chǔ)之間的相對(duì)位移。結(jié)果表明,模型在天然地震波作用下所有輸入量級(jí)下位移均較明顯,最大水平向位移達(dá)到2cm左右,最大垂直向位移達(dá)到1.8cm左右,圖14為模型在天然地震波作用下典型的位移曲線。模型在最大量級(jí)加載時(shí),隔震器基本上都出現(xiàn)了鋼絲繩被拔出的現(xiàn)象。整體模型在爆炸地震波作用下,絕大部分炮次無宏觀可見位移,僅有6炮次出現(xiàn)宏觀可見位移,通過簡易測量裝置測到的最大位移約0.4cm。隔震器鋼絲繩均沒有出現(xiàn)被拔出的現(xiàn)象。3結(jié)構(gòu)的剛度特性由上述模型試驗(yàn)的結(jié)果,作以下簡要分析。該型號(hào)隔震器是針對(duì)只有高幅值、短脈寬、短持時(shí)、高頻豐富、強(qiáng)瞬態(tài)特征明顯的爆炸地震波研制的,對(duì)其引起的震動(dòng)具有明顯的隔離能力。在一定范圍內(nèi),外界輸入震動(dòng)加速度幅值越大,其震動(dòng)幅值隔離百分比越高,這與該型隔震器所采用的材料及結(jié)構(gòu)型式有直接的關(guān)系。隔震器每股鋼絲繩均由經(jīng)特殊加工的不銹細(xì)鋼絲集束繞制而成,細(xì)鋼絲本身雖然具有很大的彈性模量,但由于其巨大的長細(xì)比,在受外界荷載作用時(shí),整根鋼絲彎曲剛度很小,利于消耗震動(dòng)沖擊能量;另一方面,由多束細(xì)鋼絲繞制的鋼絲繩則具有較大的抗彎剛度,滿足了工程平時(shí)使用上對(duì)大剛度的要求。震動(dòng)時(shí)細(xì)鋼絲本身的彎曲變形以及相互之間的滑動(dòng)摩擦則可以大量耗散外界震動(dòng)能量,正是這種軟硬兼顧的結(jié)構(gòu)形式很好地協(xié)調(diào)了平時(shí)使用和戰(zhàn)時(shí)隔震耗能的雙重功能需要。反映在其徑向剛度曲線上,就是其初始剛度較大,但是隨著外界震動(dòng)荷載的輸入,一旦突破其初始靜摩擦力,其剛度就很快減小,屬于明顯的非線性軟剛度特性,這一點(diǎn)從前面給出的剛度曲線就可以看得非常清楚。該型隔震器對(duì)具有低幅值、長持時(shí)、低頻集中、能量大、強(qiáng)瞬態(tài)特征不明顯的天然地震波引起的震動(dòng)隔離效果不明顯,主要原因在于試驗(yàn)輸入的天然地震波其幅值、頻譜、持時(shí)、能量等特性均與隔震器設(shè)計(jì)的主要隔沖吸能工作范圍存在較大區(qū)別。具體來說,地震波由于其持時(shí)很長,雖然加速度峰值不大,但總能量相對(duì)該種結(jié)構(gòu)來說很大(與爆炸波能量相比),從上面給出的輸入及響應(yīng)波形的形態(tài)對(duì)比也可以看出,在時(shí)間長達(dá)幾十秒的地震波作用下,結(jié)構(gòu)基本按輸入波形的相似形態(tài)響應(yīng),與爆炸地震波作用下結(jié)溝的強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)存在明顯的區(qū)別。另外,天然地震