基础隔震软碰撞限位实验模型的设计与实验研究

基础隔震软碰撞限位实验模型的设计与实验研究

目前，被动控制技术已经应用于实际工程中，其中重叠层板的橡胶支撑结构最常用的是抗弯地震。叠层钢板橡胶支座基础隔震的基本原理是在房屋的上部结构与基础之间设置柔性隔离层,延长房屋的基本周期,避开地震地面运动输入中的主要周期,减小上部结构的地震反应。这就要求隔震层的水平刚度较小,但会造成水平位移较大,因此隔震层应具有较大的变形能力。如采用直径较大的隔震橡胶支座,可以满足较大变形能力的要求,但水平刚度和造价就要增大。为了既能延长周期又能降低造价,宜选用水平刚度和直径较小的橡胶支座,但直径较小的橡胶支座水平变形能力有限,需设置大变形保护装置防止其侧向失稳,即在减小上部结构地震响应的同时,必须首先保证隔震层自身不发生破坏或失效。文献提出了“软碰撞限位”保护方案,该方案是在隔震层设置软碰撞限位器,并与隔震层之间预留一定距离,地震时当隔震层变形增大到预留距离,隔震层将与软碰撞限位器发生软碰撞,此时软碰撞限位器将发生变形,提供一定的恢复力与阻尼力,将隔震层变形限制在允许变形范围内。对“软碰撞限位”保护方案进行理论分析表明,合理选取软碰撞限位器的设计参数可以获得预期的限位效果。软碰撞限位器的主要设计参数包括:1)软碰撞限位器首次发挥作用的预留距离;2)软碰撞限位器的阻尼特性;3)软碰撞限位器的刚度特性。本文将对“软碰撞限位”保护方案进行振动台模型实验研究,对理论分析结果进行完善与发展。1实验模型的设计1.1试验模型的建立结构模型平面尺寸为1100mm×1200mm,共1层,层高0.5m。模型由各种型钢焊接组成。试验模型的立面图见图1。隔震层质量m1=1190kg,结构层质量m2=953kg。结构层弹性刚度K2=8867.56N/mm,第二刚度为0.2K2。结构层阻尼比ξ2=0.02,结构层弹性极限位移为500/300=1.67mm。上部结构的计算基本周期为0.065s。1.2调查的扩张式橡胶支护结构,其强度k为了获得较小的橡胶支座水平刚度,本实验采用中空的圆柱型橡胶支座,内径40mm,外径105mm,极限位移为50mm。橡胶支座的实测刚度k1=157.9N/mm,隔震层一共放置四个橡胶支座,因此隔震层刚度K1=631.65N/mm。隔震后的试验模型计算基本周期为0.366s1.3软桥触发极限设计1.3.1钢螺旋弹响应力钢弹簧具有材质均匀、性能稳定、承载力较高、耐久性好、计算可靠等优点,但其阻尼很小。钢螺旋弹簧示意图见图2。本次实验设计制作了三种类型的钢螺旋弹簧限位器,设计参数与实测力学性能参数见表1。1.3.2u型钢板限位器为了使软碰撞限位器在软碰撞后能够自复位到碰撞前的初始位置,以使每次碰撞发生时的预留距离相同,设想限位器由两部分组成:一部分起消能作用,选用如图3(b)所示的I型铅阻尼器;另一部分主要起软碰撞后的复位作用,选用如图3(a)所示的U型钢板限位器。由二者组合成的组合软碰撞限位器如图3(c)所示。这种组合软碰撞限位器取材容易、结构简单,适合在建筑结构中使用。I型铅阻尼器的特性取决于挠曲部分的截面直径d和挠曲部分的高度H。另外,铅的纯度也很重要,应在99.99%以上。U型钢板限位器由钢板制成,主要设计参数为U型钢板水平段长度L,U型钢板圆弧中心到钢板中性轴长度R,U型钢板的厚度t,以及U型钢板的宽度b。组合软碰撞限位器的设计参数应考虑以下几个方面的要求:1)提供足够的消能能力限制隔震层过大位移;2)提供足够恢复力(刚度)使限位器在软碰撞结束后恢复到初始位置;3)保证上部结构最大位移不超过其弹性极限位移。本次实验设计了六种类型U型钢板与I型铅棒组合限位器,设计参数与实测力学性能参数见表2。2振动试验与实验数据分析本实验在北京工业大学工程抗震及结构诊治重点实验室振动台上完成。2.1理论分析值采用正弦波扫描方法确定实验采用的基础隔震模型基本周期,实测值为0.301s,理论分析值为0.366s,误差为21.6%。实测周期小于理论计算周期,这是因为本次采用的橡胶支座是空心的纯橡胶,每个橡胶支座的刚度存在差异;结构的实际总质量与理论计算值也有误差。2.2软碰撞限位器设计选用ElCentro地震波作为实验输入地震波。实验时加速度峰值调整为0.4g,软碰撞预留距离分别取为10mm、20mm、30mm,软碰撞限位器设计为9种:3种钢螺旋弹簧限位器以及6种U型钢板与I型铅棒组合限位器,限位实验工况为27种,还有1种用于对比的不限位工况,总实验工况为28种。2.3层之间的最大位移反应2.3.1距离对两组层间位移的影响图4、图5是弹簧限位器预留距离对隔震层最大位移、结构层最大层间位移的影响;图6、图7是组合限位器预留距离对隔震层最大位移、结构层最大层间位移的影响。从图4-图7中可以看出,在相同限位器刚度、阻尼情况下,随着预留距离d增大,隔震层最大位移和结构层最大层间位移增大,而且隔震层最大位移增大趋势大于结构层最大层间位移增大趋势。因此,在确保小震不发生软碰撞情况下,对刚度、阻尼相同的限位器应采用较小的预留距离d。2.3.2限位器刚度的影响图8-图11是限位器刚度对隔震层最大位移、结构层最大层间位移的影响。从图8-图11中可以看出,在相同预留距离d和限位器阻尼情况下,隔震层最大位移随限位器刚度增大而减小,而结构层最大层间位移变化情况则相反。限位器刚度增大,软碰撞时相当于隔震层刚度增大,使得其最大位移减小。隔震层刚度增大会导致上部结构高频振型参与系数变大,故而结构层最大层间位移增大。很明显,相同预留距离d和限位器阻尼时,限位器刚度越小隔震层位移越大,对隔震层而言则越危险,故可以根据隔震层的最大位移不能超过其极限位移来确定限位器刚度的下限;而限位器刚度越大结构层最大层间位移越大,对上部结构而言则越不利,故可根据上部结构最大层间位移应尽可能控制在弹性范围内来确定限位器刚度的上限。2.3.3实验工况优化出的实验工况根据预留距离d与限位器刚度对隔震层与上部结构位移反应的影响,对27种软碰撞限位实验工况分析优选出以下限位效果较好的实验工况:弹簧限位器为:第I类、第II类预留距离d为10mm、20mm的4种工况。组合限位器为:第I类-第VI类预留距离d为10mm的六种工况,以及第I类预留距离d为20mm的工况,共7种工况。3限位器力学特性设计制作了基础隔震软碰撞限位实验模型,以及3种圆柱弹簧(压缩型)限位器、6