一种新的自复位隔震装置的设计与分析

一种新的自复位隔震装置的设计与分析

成熟的振动控制理论和工程应用技术改变了传统结构体系利用自身特征的概念和方法，并通过配置的结构控制装置或装置与结构的联合发挥作用来调整和降低结构本身的地震反应。这是结构抗弯理论和应用技术的一个新领域。其中，理论是最成熟的应用技术。众所周知，基本振动抑制技术是在建筑物底部和基础顶部之间设置具有小波动的振动层，以降低结构振动的基本频率，延长其基本周期，避免地震的主要能量频率范围，并将上部结构与地面振动分离。以保护主体结构及其内部装置不受破坏。目前，国内外科学家已经提出了各种振动装置和方法，但由于组件的性能限制，因此在工程应用中很难克服这些缺点。例如，通用橡胶支架的抗衰减能力一般较低，不能直接提供有效的抗衰减吸收和消耗地震能量，在强震条件下，反射器的相对位移较大，稳定性较差，越南的短期振动恢复效果也不理想，因此，反震结构的可靠性和适应性得到了提高。为了解决上述问题，在这项工作中，我们提出了将本人的反演能量补偿器（rcd）与重叠层橡胶垫结合起来，在隔震结构中应用于新的自复位地震模型和方法，该模型是rcd（re-centry）覆盖和千斤顶橡胶垫的闭合界面，并建立了一种新的自复位地震理论模型和方法。经理论分析，验证了振动特性和地震后自我补偿能力的有效性，为随后的实验和研究提供了理论依据。1振动装置的力学模型1.1能耗组合金丝阻尼器的结构2000年,意大利学者MauroDolce等根据形状记忆合金材料的相变伪弹性特性,提出了一种RCD阻尼器,并且进行了试验研究.结果表明,这种阻尼器具有较好的阻尼特性和自复位功能.该阻尼器主要由两组元件组成:即回位组和耗能组,分别由成束的形状记忆合金丝构成.由于回位组合金丝存在着一定的预加应变,故其初始刚度较大.忽略其耗能能力后,可将它等效为刚弹性模型.耗能组合金丝由两束合金丝构成,类似于相互作用的两组弹簧,由它们的应力差值提供稳定的恢复力和饱满的滞回环.由于耗能组的滞回曲线比较饱满,故可将其等效成一刚塑性模型.这样,根据上述体系的工作机制及力学模型,可知回位组与耗能组共同工作时,RCD阻尼器的荷载-位移滞回曲线为一理想的“双旗型”力学模型(图1).1.2叠层橡胶垫的弹性模量常规叠层橡胶垫采用拉伸能力较强、徐变较小、性能受温度影响变化不大的天然橡胶制作.由于中间钢板的约束作用和橡胶材料本身的特性(泊松比约为0.5),叠层橡胶受压时的弹性模量比橡胶本身的弹性模量大得多,这样就保证了叠层橡胶垫的竖向刚度和承载力.在水平荷载的反复作用下,其滞回环的面积很小,因此应以阻尼器作为吸收能量的元件与之配合使用,以获得所需隔震层的滞回性能.这种叠层橡胶垫的滞回特性与轴力变化及位移历程几乎无关,从小变形到大变形都具有稳定的弹性性能,故可将其简化为一线弹性模型,如图2所示.这样的简化不仅在计算分析时非常简单,而且具有较高的精度.1.3叠加后各层的恢复力及力学特性本文所提隔震层的恢复力模型主要由形状记忆合金RCD阻尼器与叠层橡胶垫的恢复力特性叠加而成,其原则是在相同的变形条件下,将二者的恢复力进行叠加.由于叠层橡胶垫的线弹性特性,叠加后隔震层的恢复力曲线仍为“双旗型”,如图3所示.由图3可知,曲线的特征参数主要有初始刚度k1、屈服后的刚度k2、屈服位移Δyh、屈服剪力Fyh、极限承载力Fph、极限位移Δph、卸载刚度k3和卸载力Fxh等,其值可分别由形状记忆合金RCD阻尼器及叠层橡胶垫的力学特性确定.2地震反应分析：rcd和复合器隔震结构2.1结构的弹塑性分析为了验证上述体系的隔震效果及震后自复位能力,本文编制了设有形状记忆合金RCD阻尼器和叠层橡胶垫隔震装置结构的弹塑性时程反应分析程序.根据隔震结构的动力反应特点及抗震设防要求,该程序采用多质点剪切型层模型,即将隔震层作为第一层,将上部结构各层质点化,据此即可求出隔震层以及上部结构各层的地震反应.计算时,假设上部结构在地震中保持为弹性,并且不考虑扭转振动的影响.2.2隔震结构在多遇地震作用下的差异设有一隔震建筑为四层框架结构,其主要物理力学性能参数见表1.该建筑的场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,场地的特征周期为0.35s,抗震设防烈度为8度.根据竖向荷载值的大小以及隔震层在正常使用条件下竖向变形很小的特点,选取32个ue001φ500的叠层橡胶垫,并设置8个RCD阻尼器,即每榀框架下各设一个RCD阻尼器.RCD阻尼器中的形状记忆合金丝选用Ni-Ti(镍钛)合金丝,材料的特性常数见表2,其中阻尼器各元件中合金丝的配置情况如下:回位组合金丝直径d=4mm、长度L=4.04m、配置数量n=6根、预应变为1%;耗能组合金丝直径d=4mm、长度L=4.14m、配置数量n=24根、预应变为3.5%,并假定隔震装置的工作环境温度为20℃.依据形状记忆合金RCD阻尼器和叠层橡胶垫的布置情况及力学特性,经计算可确定出隔震层恢复力模型的主要特征参数分别为k1=k3=6308.1kN·m-1、k2=2365.8kN·m-1、Fyh=630kN、Δyh=0.016m、Fph=3470kN、Δph=0.12m和Fxh=0kN.考虑到场地类别等因素,输入的地震波选用调幅后的Elcentro1940NS地震波(T=10s).根据现行《建筑抗震设计规范》的要求,8度设防烈度的多遇地震验算时,地震波峰值加速度调整为70cm/s2,罕遇地震验算时地震波峰值加速度为400cm/s2.经过弹塑性时程分析计算,可得出该隔震结构在多遇地震和罕遇地震下的位移、速度、加速度和层间相对位移的最大值以及相应非隔震结构在多遇地震下的主要计算结果分别见图4、表3、表4和表5.由图4、表3和表4可以看出:(1)在隔震结构中,隔震层的位移与上部结构各楼层的位移相比要大得多;(2)隔震结构与相应非隔震结构相比,上部结构各楼层的层间位移都有显著减小,有的楼层甚至减小了80%;(3)隔震结构与相应非隔震结构相比,各楼层的最大加速度明显减小,水平方向顶层加速度峰值衰减了79%.此外,计算结果还表明,该隔震结构在震后可回复至原来的初始状态.由此可见,形状记忆合金RCD阻尼器和叠层橡胶垫组成的隔震体系充分发挥了隔震层的隔震与减小上部结构变形和消耗地震能量的作用,从而使上部结构的地震反应明显减轻,同时也具有良好的自复位功能.表5还给出了该隔震结构在罕遇地震作用下的计算结果,可以看出:(1)此类隔震结构的各层加速度峰值都远远小于输入地震动的加速度峰值(400cm/s2),避免了非隔震结构对地震动加速度的“放大”现象;(2)上部结构的最大层间位移角为1/651,可以满足框架结构弹性层间位移角限值1/550的要求,说明该隔震结构在罕遇地震的作用下,其上部结构仍保持为弹性状态,满足了程序分析的基本假定;(3)隔震层的最大位移小于叠层橡胶支座直径的0.55倍(275mm)和RCD阻尼器的最大行程(120mm),能够满足叠层橡胶支座及RCD阻尼器的设计与使用要求.3结构体系的自复位能力(1)在传统结构的底部设置文中所提的隔震装置后,即可形成一种新型的隔震结构体系.这种隔震结构体系在水平地震的作用下,其水平位移主要集中在隔震层,上部结构的层间相对位移很小,结构的变形特征从传统结构的“放大晃动型”转变为“整体平动型”,因而可保证上部结构在强震中仍处于弹性状态,从而提高了结构的抗震可靠性.(2)在水