設(shè)置FVD的底部薄弱層結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

李金元, 陳 凱

(1.廣州軍區(qū)空軍武漢勘察設(shè)計(jì)院, 湖北 武漢 430030；2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

底部薄弱層結(jié)構(gòu)是指建筑底部(一～二層)具有明顯剛度降低的房屋，如底部框架砌體結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)等。這種建筑多用于底部為商店,上層為住宅、賓館的建筑。歷次大地震都證明，底部薄弱層結(jié)構(gòu)的破壞是相當(dāng)嚴(yán)重的[1]。破壞均發(fā)生在底部薄弱層部位，特別是柱頂和柱底。例如，唐山地震中一棟底部框架砌體，由于底部框架的破壞，使上面幾層原地坐落，造成房屋全部倒塌。目前，底部薄弱層結(jié)構(gòu)在我國(guó)大量存在,這些建筑大部分都是60～80年代(有的甚至是50年代)興建的，很多建筑都未考慮抗震設(shè)防；即使有些建筑考慮抗震設(shè)防，也未達(dá)到現(xiàn)行設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行加固處理。因此，本文主要針對(duì)底部薄弱層結(jié)構(gòu)設(shè)置FVD的抗震加固問(wèn)題進(jìn)行研究。

底部薄弱層結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重的主要原因是上部各層縱橫墻較密，不僅重量大，而且側(cè)向剛度也大；而房屋底部承重結(jié)構(gòu)為框架，其側(cè)向剛度比上層小得多，這樣就形成了“底部柔，上層剛”的結(jié)構(gòu)體系。這種剛度急劇變化，使房屋側(cè)向變形集中發(fā)生于相對(duì)薄弱的底部，形成薄弱層。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，薄弱層底部框架將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞。

對(duì)未達(dá)到現(xiàn)行設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的底部框架砌體結(jié)構(gòu)抗震加固的核心問(wèn)題是對(duì)薄弱層進(jìn)行加固，即通過(guò)改善薄弱層的抗震性能，使其滿足現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。采用傳統(tǒng)的加大結(jié)構(gòu)剛度來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)底部抗震能力等方法不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)的總重量，而且會(huì)增加上部結(jié)構(gòu)的地震作用，對(duì)上部砌體結(jié)構(gòu)不利，且造價(jià)較高。而在底部薄弱層結(jié)構(gòu)中增設(shè)一些耗能減振裝置，采用非承重的控制裝置施加的控制力來(lái)減緩結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)，則可實(shí)現(xiàn)薄弱層和上部結(jié)構(gòu)的共同減震，滿足抗振設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，降低加固成本，顯然這是一種更為可取的方法。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)各種結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制裝置應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，其中粘彈性阻尼器和摩擦阻尼器應(yīng)用最為廣泛[2～4]，但他們單獨(dú)應(yīng)用時(shí)均存在一定缺陷[5]，為了綜合發(fā)揮粘彈性阻尼器和摩擦阻尼器的抗震控制效應(yīng)，本文提出了在底部薄弱層結(jié)構(gòu)設(shè)置粘彈性-摩擦組合阻尼器(FVD)。為了驗(yàn)證該方法的減震效果，本文制作了一個(gè)帶有底層薄弱層五層鋼框架模型，并在底層薄弱層分別設(shè)置摩擦阻尼器(FRD)、粘彈性阻尼器(VED)和粘彈性-摩擦阻尼器支撐(FVD)，進(jìn)行罕遇地震和多遇地震下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討了FVD對(duì)底部薄弱層結(jié)構(gòu)減振效果及其耗能特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)和制作

1.1 模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)屬于對(duì)耗能阻尼器減振特性研究的機(jī)理試驗(yàn)，框架模型共五層，總高5×0.6 m，采用Q235型鋼制作梁、柱，所有焊縫為滿焊。每層裝配80 mm厚C20混凝土預(yù)制樓板，且每層加配重200 kg。材料用量如表1所示。

表1 試驗(yàn)框架材料

圖1 試驗(yàn)框架模型

1.2 耗能阻尼器支撐的設(shè)計(jì)及耗能原理

試驗(yàn)選取摩擦阻尼器(FRD)、粘彈性阻尼器(VED)和粘彈性-摩擦阻尼器(FVD)三種阻尼器，分別以人字型支撐(圖2)的形式安裝在框架模型的薄弱層。

圖2 耗能阻尼器支撐

(1)摩擦力阻尼器支撐(FRD)。本文設(shè)計(jì)了一種活塞式常摩擦力阻尼器(圖3)，其工作原理為：螺旋彈簧的彈力通過(guò)鋼壓力楔傳遞到青銅摩擦楔上，并轉(zhuǎn)化為鋼筒內(nèi)壁上的法向壓力，進(jìn)而形成銅摩擦楔和鋼筒內(nèi)壁之間的摩擦力，即摩擦阻尼器的起滑力。阻尼器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，螺旋彈簧的長(zhǎng)度是固定的，彈簧對(duì)鋼壓力楔的壓力以及鋼筒內(nèi)壁上的法向壓力始終不變，因此阻尼器的起滑力保持不變。通過(guò)滯回特性試驗(yàn)，確定這種摩擦阻尼器的起滑力為0.8 kN。

圖3 活塞式常摩擦力阻尼器

(2)粘彈性阻尼器支撐(VED)。VED的粘彈性材料選用國(guó)產(chǎn)NZ11材料，其性能常數(shù)G0、A0、β、θ和α分別為588、2287、0.00189、100.0、576(單位：kN·m)，試驗(yàn)溫度為15℃。阻尼材料的尺寸為200 mm×50 mm×3 mm，用1∶1的環(huán)氧樹(shù)脂粘牢在框架梁和支撐之間。在地震作用下，粘彈性材料由于結(jié)構(gòu)的層間位移而產(chǎn)生剪切耗能作用。

(3)粘彈性-摩擦阻尼器支撐(FVD)。將上述兩種阻尼器串連，得到粘彈性-摩擦阻尼器支撐。其工作原理為：在小震下，VED起耗能作用，隨著地震作用增大，當(dāng)粘彈性材料達(dá)到其剪切變形極限時(shí)，F(xiàn)RD剛好達(dá)到起滑力開(kāi)始滑動(dòng)耗能，從而保護(hù)了粘彈性材料不會(huì)發(fā)生剪切破壞，在滑動(dòng)過(guò)程中FRD的摩擦力保持不變。試驗(yàn)時(shí)兩種相互串連的阻尼器參數(shù)與它們各自試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)相同。

3 試驗(yàn)概述

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)結(jié)構(gòu)振動(dòng)中心完成，振動(dòng)臺(tái)尺寸3 m×3 m。試驗(yàn)時(shí)，使用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研制的MBA型差容式力平衡加速度傳感器和891型速度傳感器測(cè)量每層的加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)，并通過(guò)將891型傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次積分來(lái)間接獲得模型的位移響應(yīng)。

3.2 試驗(yàn)工況

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸入的地震波為持時(shí)20 s的EL-Centro波地面加速度記錄。對(duì)底層薄弱層框架模型分別在不設(shè)支撐、純支撐及設(shè)置三種耗能阻尼器支撐，進(jìn)行模擬多遇地震(加速度峰值0.1g)和罕遇地震(加速度峰值0.65g)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，F(xiàn)RD和FVD起滑力為0.8 kN。同時(shí)，為了了解各種支撐對(duì)結(jié)構(gòu)模型的基本動(dòng)力特性的影響，每種工況進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 模型動(dòng)力特性

動(dòng)力特性試驗(yàn)(表2)表明，相對(duì)于純框架，加純支撐能夠顯著提高其剛度，而阻尼沒(méi)有明顯的增加；加FRD能夠提高結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)阻尼也

有所增加；對(duì)于加VED和FVD，在比較明顯地增加結(jié)構(gòu)的阻尼同時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度增加不多。

表2 耗能阻尼器對(duì)框架自振頻率的影響

4.2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1位移反應(yīng)

各層最大水平位移反應(yīng)見(jiàn)圖4，各阻尼器支撐對(duì)框架模型頂點(diǎn)位移的減振效果見(jiàn)表3。

圖4 底層為薄弱層各工況各層最大水平位移

工況純框架頂點(diǎn)一層支撐頂點(diǎn)一層加FRD頂點(diǎn)一層VED頂點(diǎn)一層加FVD頂點(diǎn)一層0.1g位移/mm8.702.568.092.457.091.977.152.057.072.04減震率--7%4.3%19%23%18%20%19%20%0.65g位移/mm34.3510.1232.499.7128.07829.678.5426.87.8減震率--5.4%4%18%21%14%16%22%23%

從各工況下各層最大水平位移反應(yīng)和各阻尼器支撐對(duì)框架模型頂點(diǎn)位移的減振效果來(lái)看，模型的地震反應(yīng)以第一振型為主，且純框架薄弱層層間位移明顯要大于非薄弱層。阻尼器支撐能夠減小結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，且薄弱層層間位移也得到了有效控制。

4.2.2加速度反應(yīng)

模型頂部加速度反應(yīng)最大值與底部輸入加速度最大值之比即為加速度放大系數(shù)β。各工況下模型的加速度放大系數(shù)列于表4。從結(jié)果可以看出，耗能阻尼器支撐能夠明顯地控制結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)加速度反應(yīng)。

表4 薄弱層在底層各工況頂點(diǎn)加速度放大系數(shù)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從位移反應(yīng)來(lái)看，耗能阻尼器支撐將結(jié)構(gòu)的頂層和底層位移反應(yīng)減小了14%～23%。在地震加速度峰值為0.1g的小震情況下，加VED和FVD的減振效果相當(dāng)且效果最好，加摩擦阻尼器次之，而加純支撐的效果最差。從圖4來(lái)看，加VED和FVD工況曲線十分相似，而加FRD工況和加純支撐的曲線相似。這說(shuō)明在0.8 kN的起滑力下小震并沒(méi)有使FRD的滑塊起滑，因此FVD就相當(dāng)于單純的VED。而FRD所起的減震效果完全是由于增加了薄弱層的剛度，這和加純支撐的效果沒(méi)有什么區(qū)別。事實(shí)上，試驗(yàn)時(shí)在小震情況下也的確沒(méi)有觀察到FRD有明顯的滑動(dòng)。在地震加速度峰值為0.65g的大震情況下，加FVD和加FRD的減振效果相當(dāng)且效果最好，加VED的效果次之，加純支撐的效果最差。這說(shuō)明在大震情況下FRD滑塊超過(guò)了0.8 kN的起滑力開(kāi)始起滑，阻尼器起了耗能作用。在試驗(yàn)時(shí)看到了FRD發(fā)生了明顯的滑動(dòng)。

5 結(jié) 論

(1)底部薄弱層結(jié)構(gòu)受地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平位移主要集中在底部薄弱層處，在底部框架結(jié)構(gòu)設(shè)置耗能阻尼器后，能夠大大減小整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

(2)在多遇地震作用下，加VED和FVD的減振效果最好，加FRD和純支撐的減震效果相當(dāng)，說(shuō)明摩擦阻尼器還沒(méi)有完全發(fā)揮作用。

(3)在罕遇地震作用下，加FVD和FRD的減振效果最好，加VED次之，加純支撐的效果最差，說(shuō)明在大震情況下FRD滑塊超過(guò)起滑力開(kāi)始起滑，F(xiàn)RD起了耗能作用。

(4)在多遇和罕遇地震作用下，F(xiàn)VD均能發(fā)揮耗能效果，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的耗能控制力，顯著改善了結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震能力，減弱了傳至上部結(jié)構(gòu)的地震作用，達(dá)到了對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的目的。

[1] 鄭山鎖, 薛建陽(yáng). 底部框剪砌體房屋抗震分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2002.

[2] Chang K C, Chen S L, Lai M L. Inelastic behavior of steel frames with added viscoelastic dampers[J]. Journal of Structural Engineering, 1996, 122(10): 652-661.

[3] 吳 波,李 惠. 建筑結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制的理論與應(yīng)用[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1997.

[4] 歐進(jìn)萍, 吳 斌, 龍 旭. 耗能減振結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 1998, 18(2): 98-107.

[5] 魏文暉，瞿偉廉.設(shè)置FVD框架結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)控制研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 34(3): 386-389.

[6] 薛建陽(yáng),趙宏鐵.型鋼鋼筋混凝土框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及彈塑性動(dòng)力分析[J].土木工程學(xué)報(bào), 2000, 33(2): 14-19.