SMA—滾珠隔震支座對框架自振周期影響研究★

張 健 隋杰英 周 正

(1.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033； 2.中國重型汽車集團房地產(chǎn)開發(fā)公司，山東 濟南 250031)

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SMA—滾珠隔震支座對框架自振周期影響研究★

張 健1隋杰英1周 正2

(1.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033； 2.中國重型汽車集團房地產(chǎn)開發(fā)公司，山東 濟南 250031)

對單榀框架在不安裝滾珠隔震支座和安裝滾珠隔震支座的情況分別進行了敲擊試驗，通過分別采集其頻譜，探究了滾珠隔震支座對此框架自振周期的影響，從而得出滾珠隔震支座可提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

滾珠隔震，頻譜，自振周期

0 引言

基礎隔震是通過在基礎與上部結(jié)構(gòu)之間設置隔震層來隔離和耗散地震能量，以減小地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸，從而降低上部結(jié)構(gòu)地震響應。SMA—滾珠隔震支座對地震能量的消耗及變形后的自恢復能力都有比較好的表現(xiàn)。本文在單榀框架底部安裝SMA—滾珠隔震支座，探究此支座對上部結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 系統(tǒng)動力分析

普通滾動支座一般很難限制滾珠的滾動，震動前后滾珠的位置都不能得到很好的控制，這樣普通滾珠隔震支座很難保證自身的穩(wěn)定性。而在滾珠的上下鋼板上設計球形凹槽，便可限制滾珠的滾動，使其只在凹槽內(nèi)運動，并在震后利用凹槽恢復到原位，更具有較好的自復位能力。

這里簡化分析隔震系統(tǒng)的動力反應，假定滾珠與凹形面是始終接觸的，即滾動過程中滾珠與凹板之間不發(fā)生相對滑動。對于上部只有一層建筑，動力方程為：

(1)

(2)

式中：M0——隔震系統(tǒng)底板的質(zhì)量；M1——上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量；x(t)——地面位移；x0——底板相對于地面的位移；x1——上部結(jié)構(gòu)相對于地面的位移；K1——上部結(jié)構(gòu)剛度；H——底板所受的水平合力。

由基礎的運動和幾何關系可得出(見圖1)：

(3)

Δ≈x0

(4)

(5)

其中，φ為擺角。

底板的豎向位移為:

y0=2(R-r)(1-cosφ)

(6)

對式(6)求兩階導數(shù)得底板的豎向加速度：

(7)

底板所受的水平合力為:

(8)

底板所受豎向合力為:

(9)

其中，n為鋼球的個數(shù)。

Fμ1=μ0FN1

(10)

(11)

(12)

(13)

聯(lián)立式(1),式(2)，式(13)即可得到隔震結(jié)構(gòu)的基礎和第一層的加速度、速度和位移反應。

2 試驗裝置

2.1 試件安裝

本試驗采用兩組隔震支座，每組支座由上下兩片鋼板和4個鋼珠組成，上下鋼板留孔，用于與地面及上層框架連接，并在上下鋼板上設置球形凹槽用以限制滾珠運動。上層框架采用鋼筋混凝土框架，支座及框架具體尺寸見表1。

表1 隔震支座及框架尺寸 mm

安裝時先將隔震支座下鋼板用螺栓固定于地面，然后將滾珠放于下鋼板的球形凹槽內(nèi)，在滾珠上安放隔震支座的上鋼板，最后用螺栓將支座的上鋼板與混凝土框架的底板固接。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本試驗采用CF0924磁電式速度傳感器測試上層框架的速度，防護等級IP65，靈敏度為20.7 V/(m/s)。采用DH5923動態(tài)應變儀采集測試出的數(shù)據(jù)，用與DH5923配套的分析軟件記錄速度時程并分析得到框架的速度頻譜。

2.3 試驗工況

將CF0924磁電式速度傳感器固定于柱上部，并接入DH5923動態(tài)應變儀某一通道，將動態(tài)應變儀與計算機連接好后，使用高彈性聚能力錘敲擊框架，使其產(chǎn)生自由振動，通過上述數(shù)據(jù)采集,分析系統(tǒng)的采集分析便可得到框架頻譜，進而得到自振周期。

本試驗分三種試驗工況：

工況一：框架底板直接與隔震支座下鋼板固結(jié)，由于下鋼板固定于地面，所以此種工況相當于框架與地面剛性連接。對采集分析系統(tǒng)清零調(diào)平衡后，敲擊框架測試出此時框架的速度頻譜。

工況二：隔震支座組裝完成，將框架與隔震支座上鋼板固結(jié)，此時隔震支座作為框架底座起到隔震作用。對采集分析系統(tǒng)清零調(diào)平衡后，敲擊框架測試此時的速度頻譜。

工況三：在工況二的基礎上，在隔震支座上鋼板與下鋼板之間分兩側(cè)分別雙向拉結(jié)SMA絲，此時隔震支座與SMA絲共同組成隔震體系，起到隔震作用。對采集分析系統(tǒng)清零調(diào)平衡后，敲擊框架測試這時的速度頻譜。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

對上述三種工況分別敲擊5次框架后，由采集分析系統(tǒng)分析得到的速度頻譜如圖2～圖4所示。

根據(jù)分析得到的結(jié)構(gòu)自振頻率，由周期與頻率的關系：T=1/f可以計算得到各種工況下框架的自振周期(見圖5)。

3.2 試驗結(jié)果分析

框架固結(jié)于地面的基本自振周期為0.14 s，比較符合實際單層框架建筑結(jié)構(gòu)的基本周期。而為框架安裝隔震支座后，其基本自振周期達到0.85 s，是固結(jié)地面時的6.07倍，明顯延長了結(jié)構(gòu)的基本周期。這種效果顯然是很好的，然而卻又要面對這樣一個問題：雖然隔震支座的鋼板設置有凹槽，但隔震支座的耗能效果及自復位力還是不很理想。SMA材料的主要特征之一就是相變超彈性，即當溫度高于奧式體相變溫度(T>Af)時進行加卸載，SMA可以提供飽滿的滯回曲線并且卸載后沒有殘余變形，在變形過程中也可提供較大的恢復力。于是，在隔震支座上拉結(jié)SMA絲，使其與隔震支座共同組成隔震體系，便能很好解決上述問題。此時框架的基本自振周期為0.64 s,是固結(jié)地面時的4.57倍，周期延長效果也很明顯。

4 結(jié)語

SMA—滾珠隔震支座基礎隔震使上部框架結(jié)構(gòu)與地面振動解耦，延長上部框架結(jié)構(gòu)的基本自振周期，避開地震地面輸入的主要周期，減小上部框架結(jié)構(gòu)的地震反應，提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

[1]姚謙峰，豐定國.滾動隔震結(jié)構(gòu)受力分析.西安建筑科技大學學報，1999，31(3)：249-252.

[2]史紅福，樊 劍，李 黎．滾動基礎隔震機構(gòu)的動力分析.振動與沖擊，2005，24(3)：6.

[3]李愛群，高振世．工程結(jié)構(gòu)抗震與防災.南京：東南大學出版社，2003.

劉玉東.形狀記憶合金阻尼特性及形狀記憶合金.中國材料研討會論文集(功能材料).北京:化學工業(yè)出版社,1996:668-671.

Study on the natural period of vibration to framework by support with SMA—ball shock insulation★

Zhang Jian1Sui Jieying1Zhou Zheng2

(1.CivilEngineeringCollege,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China;2.ChinaNationalHeavyDutyTruckGroupRealEstateDevelopmentCompany,Jinan250031,China)

Through the knocking experiment towards single framework under the circumstances of installing and non-installing support with ball shock insulation, collecting the frequency spectrum respectively, investigating the influence of natural vibration period to this framework by support with ball shock insulation, resulted that the support with ball shock insulation could enhance the anti-seismic property to the framework.

ball shock insulation, frequency spectrum, natural period of vibration

1009-6825(2015)01-0032-02

2014-10-24 ★：國家自然科學基金項目(項目編號：E080803)

張 健(1989- )，男，在讀碩士； 隋杰英(1973- )，女，碩士生導師，副教授； 周 正(1990- )，女

TU352.12

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