三维隔震系统研究

三维隔震系统研究摘要：提出并研制了采用碟形弹簧的竖向半主动隔震装置，结合水平隔震支座可实现三维隔震，并提出了竖向隔震控制的半主动策略。通过振动台地震模拟实验和有限元仿真分析，验证了三维隔震体系的效能，该研究对高烈度地区隔震技术的改善具有应用参考价值。关键词：基底隔震；半主动竖向隔震；三维隔震1前言近20年来，现代隔震技术在土木工程中得到了较大规模的应用，隔震结构以其优良的减振效果、安全性、耐久性、经济性、适用性，得到地震工程界的认可。目前，隔震技术已经较为成熟，成为很重要的一种结构控制技术。目前，叠层橡胶支座基础隔震房屋已在我国广泛应用，主要分布在大陆的高烈度地震区。日本、美国、新西兰、法国、意大利、智利等国家建造了大量的这类隔震建筑和桥梁,建筑结构地震反应的隔震技术已得到较为广泛的应用。但是，由于常规的橡胶隔震垫性能的限制，使得常规的隔震技术存在一些较难克服的缺点。首先，常规的隔震技术在减小主体结构地震反应的同时，放大了隔震层的位移。特别是在近震条件下，地震地面运动的特征通常是大速度的脉冲，它会使隔震层产生较大的位移。对于隔震结构隔震层位移过大的问题，国际上已开展了一定的研究。考虑到单纯的用增加隔震层的被动阻尼来减小隔震层的位移是以增加上部结构的变形和加速度为代价的，因此许多学者提出在隔震层附加半主动装置，以结构的半主动隔震来实现减小隔震层位移并保持上部结构隔震效果不变的目标。其次，目前应用的基础隔震部件尚无法达到有效地减少竖向地震作用的目的，有时甚至会起到相反作用。大量地震震害表明，竖向地震对结构物的影响是不能忽视的，在近震中或发震断层附近产生的竖向地震动，有时超过水平地震，又由于结构竖向刚度大，其竖向固有周期与竖向地震波卓越周期相近，因而结构的竖向震动特性备受关注，国内外学者越来越重视对竖向力的研究。目前基础隔震技术主要解决了水平向的地震减震问题，这方面国内外的研究和应用都比较多，并且有实际工程经受了地震考验，表现出良好隔离地震水平作用的效果。但隔震建筑的强震记录表明，对于竖向地震反应却基本无减少作用。虽然目前的隔震层除橡胶支座外，有的还附加阻尼器，但由于隔震层一般不能提供竖向的相对运动，因而不能起到隔离或减少竖向地震的作用。利用隔震体系将水平地震作用减弱后，竖向地震作用有可能成为主要的地震作用而引起竖向破坏，因此研究隔震结构的竖向地震反应是很必要的。对于隔震结构的竖向隔震问题，国际上也已开展了一定的研究。研究者主张利用橡胶隔震垫的竖向刚度和阻尼来减小隔震结构的竖向地震反应。其中，Asano等人考察了橡胶垫隔震层在Kobe地震下对结构竖向和摇摆振动的隔震作用。Lew和Hudson等人在分析了一些实际结构的实测竖向地震反应记录之后指出，较大烈度的竖向地震并不会对隔震结构造成危害。应该看到，他们的研究虽有价值，但并不全面。首先，橡胶隔震垫主要是根据水平隔震的要求而设计的，它的竖向刚度和阻尼不满足竖向隔震的要求。其次，隔震结构的竖向地震反应加大了隔震支座的竖向力，增加了隔震层失稳的危险性，并有可能使上部结构柱产生较大的轴向地震力，从而导致结构柱总的轴压比超过允许值，这是导致结构破坏的潜在因素。日本的大阪大学Muraji提出了一种叫做竖向振动吸能装置的隔震器，并进行了试验分析，得到一定的进展。西澳大利亚大学提出了一种欧拉装置进行竖向隔震。从上面叙述可知，进一步开展建筑结构隔震新技术的研究是十分必要的。通过开发新型隔震装置，结合主动控制和智能材料－结构等先进技术，希望将隔震技术应用于高层建筑、不规则复杂建筑、网壳结构、桥梁结构等结构型式，拓展隔震技术的效能和应用范围。为了实现多维隔震，竖向隔震装置仍然是一个有待解决的问题，此外竖向与水平复合的隔震装置的研制也是一个重要问题。橡胶隔震垫蝶形弹簧阀图1三维隔震装置示意图橡胶隔震垫蝶形弹簧阀图1三维隔震装置示意图油缸油 碟形弹簧是以其刚度大、结构简单、便于布置，以及能防止过载等优点广泛地应用于工业产品中。由于单片弹簧的变形、承载能力一般不能满足使用要求，因此碟形弹簧以叠合、对合或二者兼用的形式组合而成。此外，碟形弹簧片之间的摩擦作用会产生一定的阻尼，为了提高减振效能可附加阻尼装置。因此碟形弹簧就可成为一种实用有效的建筑结构竖向隔震部件。考虑到建筑在正常使用时应有尽量大的竖向刚度，可将碟形弹簧置于充满油的密闭油缸中，油缸上设有可控开闭的阀，需要竖向隔震时打开阀，由碟形弹簧提供较小的、合适的竖向刚度，这样就构成了有效的竖向半主动隔震装置。为了提高竖向半主动隔震装置的阻尼值，可在油缸内设置能提供较高阻尼的材料。竖向半主动隔震装置和叠层橡胶支座合理组合，将能形成一种能实现三维隔震的复合装置：利用现有水平叠层隔震支座与竖向半主动隔震装置（碟形弹簧和油缸构成）组合的复合隔震装置，两者串联，此三维隔震装置示意图如图1所示。竖向半主动隔震装置是由碟形弹簧和外套油缸组成的，且由电磁阀控制油缸内油体与外接蓄油箱内油体间的油路。竖向隔震装置的半主动控制策略为：在未遭受地震时（结构正常使用时），或地震时隔震结构的竖向加速反应未超过既定限值时，控制油缸中液体流动的电磁阀关闭，此时竖向隔震装置的竖向刚度很大；当遭受地震时，或隔震结构的竖向加速度反应超过既定限值，电磁阀打开，这时复合隔震装置提供较小的竖向刚度和一定的竖向阻尼，实现竖向隔震作用，与水平橡胶隔震支座协同工作，从而实现三维隔震。3．三维隔震系统振动台试验和仿真分析3.1试验钢框架模型试验模型为一层单跨钢框架结构。钢框架模型在两个水平方向上刚度不同，试验时水平方向上仅在刚度较弱方向上进行地震动输入。通过测试得到钢模型刚度较弱方向的水平基频为3.52Hz，模型整体竖向基频计算得约为50.72Hz。图2三维隔震装置3.2三维隔震装置设计与研制图2三维隔震装置三维隔震支座实物照片见图2。其中水平隔震装置为无铅芯叠层橡胶垫，其等效水平刚度为0.121×106N/m，等效阻尼比为0.05（最大变位100％时），可使试验模型的水平基频降低到1.51Hz，通过试验测试其竖向刚度约为2.27×107N/m，这样仅水平隔震结构竖向基频约为20.5Hz；其中竖向隔震装置主要由油缸和内置碟形弹簧构成。 针对试验模型，考虑承载力、尺寸和刚度的要求，选用系列B、类别2碟形弹簧（依据碟形弹簧GB/T1972-92），其具体尺寸、参数等如表1所示：表1竖向隔震装置选用的碟形弹簧参数类别DDΔhHPfH-ff=0.75hN21125743.27.2178002.44.8为了降低三维隔震支座的竖向刚度，采用对合组合碟形弹簧的形式。每个此种规格碟形弹簧的弹性刚度约为：8.338×106N/m，50片对合后三维隔震支座的刚度约为0.167×106N/m，这样就能使试验模型的竖向频率降低到约1.77Hz。为了获得竖向隔震装置的实际竖向刚度，进行了伪静力试验。竖向隔震装置通过试验测试其初始竖向弹性刚度为0.172×106N/m；在位移超过4cm后刚度有所减小约为0.145×106N/m，但幅度很小。图3试验模型系统主要照片3.4三维隔震装置振动台试验研究图3试验模型系统主要照片为了研究三维隔震支座的控制效能，分别采用如下4种工况的试验：1.复合隔震试验：a仅竖向输入；b仅水平向输入；c双向（水平&竖向）输入2.仅水平隔震试验：a仅竖向输入；b仅水平向输入；c双向（水平&竖向）输入3.无控试验：a仅竖向输入；b仅水平向输入；c双向（水平&竖向）输入4.仅竖向隔震：a仅竖向输入；选取迁安波作为输入，水平加速度峰值为0.2g，竖向加速度峰值约为0.15g。试验模型系统的照片见图3。3.5试验数据整理与分析表2试验模型基频测试结果类别无控模型仅竖向隔震模型仅水平向隔震模型复合三维隔震模型水平向基频(Hz)3.52Hz1.42Hz0.68Hz竖向基频(Hz)未识别到1.51Hz20.651.56Hz表3各种工况加速度放大系数比较工况台面输入情况隔震层加速度峰值放大系数隔震结构加速度峰值放大系数水平向竖向水平向竖向无控水平向输入2.730竖向输入7.844双向输入2.6988.155竖向隔震竖向输入0.9820.836水平隔震水平向输入0.5760.442竖向输入4.2076.735双向输入0.8383.6240.4146.822复合隔震水平向输入0.4020.383竖向输入0.9160.701双向输入0.4690.8430.3480.649 从试验数据整理分析可知：在迁安波作用下，试验钢模型的水平向加速度放大到输入的约2.7倍左右；竖向加速度放大到约8倍左右。在迁安波作用下，试验钢模型在仅设置了竖向隔震装置后，其竖向加速度减小到输入的0.836倍。在迁安波作用下，试验钢模型在仅设置水平叠层橡胶支座后，试验钢模型的水平加速度有很大程度的减小（减小到输入水平地震波加速度峰值的0.4倍左右），但是竖向加速度有很大放大（放大到输入竖向地震波峰值的7倍左右），可见叠层橡胶隔震只在水平向起到有效的隔震作用，对竖向隔震几乎不起作用。在迁安波作用下，试验钢模型在设置三维隔震装置后，试验钢模型的水平加速度和竖向加速度均有很大程度的减小（水平加速度减小到约输入水平地震波的0.1~0.2倍左右；竖向加速度减小到约输入地震波的0.6～0.7倍左右），可见三维隔震装置能有效地起到水平向和竖向隔震作用，即能起到三维隔震的功效。通过振动台不同工况对比试验结果整理分析，验证了三维隔震支座的三维隔震控制效能。3.6三维隔震系统仿真分析 针对三维隔震装置的地震模拟振动台试验，采用SAP2000有限元分析程序进行数值模拟研究，验证所建立的有限元模型的正确性和有效性，进而通过该有限元模型进行数值模拟，分析研究Elcentro地震波和Parkfield地震波输入情况下三维隔震装置的控制效能。3.6.1仿真模型的建立 依据振动台试验钢模型的具体参数，采用SAP2000建立其三维有限元模型。钢模型中的钢梁、钢柱与钢支撑采用梁单元模拟；三维隔震支座采用SAP2000中的Link单元模拟，将其在三个方向上的力学性能等效线性化：两个水平方向上刚度、阻尼比分别采用7.1节试验获得的叠层橡胶隔震支座的等效刚度、阻尼比，竖向方向上的刚度取试验获得的竖向隔震装置竖向弹性刚度值（对于仅隔震工况取叠层橡胶垫的竖向刚度），阻尼比取为1％。7.3.2有限元模型正确性的验证 为了验证所建立的有限元模型的有效性、正确性，用振动台台面的实测地震波输入作为输入进行地震反应时程分析，试验采集的时程进行比较，见表4、5。有限元模型的反应能比较好地模拟实际试验情况：各工况基频误差很小；加速度反应和隔震层的竖向位移反应的误差基本都在20％左右以下，只是水平位移反应的误差稍大达到30％左右，产生误差的主要原因应该是采用等效刚度、阻尼表征隔震支座的恢复力滞回曲线；另外仅竖向隔震工况的加速度仿真计算结果误差较大，原因可能是由于振动台仅竖向输入时不可避免地附带少量水平输入造成的。综合考虑所建立的有限元模型能较好地模拟真实试验结构，从而验证了所建立有限元模型的有效性与正确性。表4仿真有限元模型的基频误差类别无控模型仅竖向隔震模型仅水平向隔震模型复合三维隔震模型水平向基频(Hz)5.1%7%11.8%竖向基频(Hz)13.9%4.7%10.3%表5有限元仿真模型的反应误差值（试验地震波输入）工况地震波输入情况隔震层位移峰值误差隔震层加速度峰值误差隔震结构加速度峰值误差水平向竖向水平向竖向水平向竖向无控水平向输入2.5%竖向输入19.4%双向输入0.8%21.1%竖向隔震竖向输入18.2%16.2%25.2%水平隔震水平向输入33.5%12.5%11.5%竖向输入8.7%7.4%10.7%双向输入20.4%18.2%29.3%7.5%26.1%3.3%复合隔震水平向输入33.9%38.7%13.6%竖向输入21.3%21.7%5.2%双向输入35.4%13.9%3.4%21.6%8.2%1.0%7.3.3地震反应分析 振动台试验验证了在坚硬场地迁安地震波作用下，复合三维隔振装置的控制效能。为了更深入地考证三维隔震装置的控制效能，下面选择两种比较典型的地震波输入：1.Elcentro地震波（IMPERIALVALLEYEARTHQUAKE，MAY18,1940），其属于中软场地地震波，其所包含的频率成分比较丰富；2.Parkfield地震波（PARKFIELDEARTHQUAKE，DECEMBER20，1994），其为断层地震波。对于三维隔震工况还模拟了当隔震结构顶层竖向加速度值超过0.1g时竖向隔振装置起动的半主动控制工况—为了与复合隔震1工况（只要地震时，竖向隔振装置起动的半主动控制工况，即竖向隔震装置的电磁阀就处于开状态）相区别，称此种工况为复合隔震2，即当隔震结构顶层竖向加速度未超过0.1g时竖向隔震装置中电磁阀关闭，大于0.1g时电磁阀打开，模拟结果见表6、7。表6各种工况加速度峰值放大系数比较（埃而森特地震波输入）工况隔震层加速度峰值放大系数隔震结构加速度峰值放大系数水平向竖向水平向竖向无控3.143.35水平隔震1.835.602.134.1复合隔震11.901.421.7691.07复合隔震21.911.431.741.13表7各种工况加速度峰值放大系数比较（Parkfield地震波输入）工况隔震层加速度峰值放大系数隔震结构加速度峰值放大系数水平向竖向水平向竖向无控1.23.69水平隔震0.4814.810.4863.09复合隔震10.551.140.2840.799复合隔震20.5481.1640.2761.06 由表6、7对比分析可知：1．在无控工况下：Elcentro地震波输入时试验钢模型的水平向加速度放大到输入的约3.14倍，竖向加速度放大到约3.35倍；Parkfield地震波输入时试验钢模型的水平向加速度放大到输入的约1.2倍，竖向加速度放大到约3.69倍；2．在仅水平隔震工况下：Elcentro地震波输入时试验钢模型的水平向加速度放大到输入的约2.13倍，竖向加速度放大到约4.1倍，与无控工况比较可得：仅水平隔震只在水平方向上起到隔震作用，但隔震效果不太明显，其原因在于Elcentro水平地震波频率成分比较丰富。Parkfield地震波输入时试验钢模型的水平向加速度减小到输入的约0.486倍，竖向加速度放大到约3.09倍，与无控工况比较可得：仅水平隔震只在水平方向上起到隔震作用，且隔震效果很明显，原因在于Parkfield水平地震波高频成分比较丰富，对竖向隔震不起作用。水平隔震支座对竖向隔震无效；3．在复合隔震1工况下：Elcentro地震波输入时试验钢模型的水平向加速度放大到输入的约1.769倍，竖向加速度放大到约1.07倍，；Parkfield地震波输入时试验钢模型的水平向加速度减小到输入的约0.284倍，竖向加速度减小到约0.799倍。在复合隔震2工况下：Elcentro地震波输入时试验钢模型的水平向加速度放大到输入的约1.74倍，竖向加速度放大到约1.13倍，；Parkfield地震波输入时试验钢模型的水平向加速度减小到输入的约0.276倍，竖向加速度仅放大到约1.06倍。与无控工