大行程墻式鉛剪切阻尼器試驗研究和工程計算

劉 敏，杜富強(qiáng)

(1.江西新余鋼鐵集團(tuán)有限公司制造管理部,江西 新余 338001; 2.中冶檢測認(rèn)證有限公司,北京 100088)

0 引言

近年來,隨著我國建造水平和建筑使用需求的提高,對大型公用建筑結(jié)構(gòu)抵御地震和強(qiáng)風(fēng)等自然災(zāi)害的要求也越來越高,這就要求我們進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的抗震減震水平[1-6]。目前工程界常通過附加消能減震設(shè)備的方式提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。其中消能減震設(shè)備包括：消能支撐、消能墻、消能節(jié)點等[7-11]。目前工程中常見的耗能裝置分為位移相關(guān)型和速度相關(guān)型兩類,其中位移相關(guān)型阻尼器包括：摩擦阻尼器(friction dampers)和金屬阻尼器(metallic dampers)[12]。由于鉛金屬具有良好的塑性變形能力,在室溫狀態(tài)下即可實現(xiàn)塑性變形,經(jīng)過回復(fù)和再結(jié)晶過程,應(yīng)變硬化消失且不再產(chǎn)生殘余應(yīng)力。因此理論上鉛是一種在常溫下發(fā)生塑性循環(huán)變形時不產(chǎn)生累計疲勞現(xiàn)象的金屬,非常適宜作為結(jié)構(gòu)消能減震材料。目前,鉛擠壓型阻尼器在工程應(yīng)用中得到了廣泛的認(rèn)同[13-20]。但普通鉛剪切阻尼器無法滿足特殊工程的大行程要求,應(yīng)用受到限制。有鑒于此,本文提出一種大行程墻式鉛剪切阻尼器,并討論該種阻尼器在實際工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的前景。

1 阻尼器設(shè)計

墻式大行程鉛剪切耗能阻尼器一般布置于結(jié)構(gòu)的隔墻之中,既不影響結(jié)構(gòu)的外觀也不影響其使用功能。本文所設(shè)計的阻尼器試驗件如圖1所示,試件由上下蓋板、轉(zhuǎn)動板、耳板、耗能鉛塊、螺栓、銷釘?shù)炔糠謽?gòu)成。該種鉛剪切阻尼器由銷釘和螺栓將轉(zhuǎn)動板與上下蓋板連接,并與外部結(jié)構(gòu)相連。本試驗設(shè)計了2種幾何參數(shù)不同的阻尼器試件,試件參數(shù)如表1所示。

2 試驗設(shè)備和加載方案

本試驗的試件采用200TMTS電液伺服作動器進(jìn)行低周往復(fù)加載,加載過程采用位移控制方式,試驗結(jié)果通過東華3821靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,加載過程中采用拉線位移計和力傳感器分別記錄試驗過程中阻尼器的位移值和阻尼力。試驗加載裝置見圖2,加載制度見表2。

表1 試件參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析

試驗所得的滯回曲線如圖3所示。阻尼器試件1鉛槽長寬比l/b=4.5,長厚比l/h=18。由圖3(a)、圖3(b)可知,在90 mm和15 mm行程的情況下,滯回曲線飽滿呈矩形狀,實際阻尼器出力約為600 kN,經(jīng)換算后單槽的剪切力為200 kN,實際阻尼器在大位移下阻尼器出力衰減較為明顯。試驗結(jié)束后試件內(nèi)部鉛塊損傷如圖4所示,由此可以看出,阻尼器鉛槽端部耗能鉛塊損傷嚴(yán)重,中部的鉛塊較為完整。由圖3(c)、圖3(d)可看出,長寬比等于8的阻尼器試件經(jīng)過試驗得到的滯回曲線呈飽滿的矩形狀,二、四象限阻尼力約為53 t,均達(dá)到阻尼器的設(shè)計噸位;一、三象限阻尼力約為41 t,相對設(shè)計噸位略有衰減。

表2 加載制度

4 工程案例

4.1 工程概況

本工程為新余市某中學(xué)宿舍樓,結(jié)構(gòu)主體為框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)地上總層數(shù)為6層,總高度為22.7 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度為0.20g,地震分組取第一組,場地類別為三類,設(shè)計地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s,結(jié)構(gòu)平面如圖5所示,該結(jié)構(gòu)設(shè)計時安裝位移型鉛剪切阻尼器,在多遇地震作用下,阻尼器主要作用是給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度;罕遇地震作用下,阻尼器先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài),提高結(jié)構(gòu)的阻尼比以減小地震作用下輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。采用SAP2000對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇和罕遇地震下結(jié)構(gòu)動力特性分析,結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5所示。將建立好的有限元模型和PKPM 模型進(jìn)行周期的檢驗,檢驗結(jié)果如表3所示,結(jié)果表明計算結(jié)果可靠。

表3 減震前結(jié)構(gòu)前6階周期對比 s

4.2 地震波選取

本結(jié)構(gòu)選取2條實際強(qiáng)震記錄和1條人工模擬地震波。根據(jù)場地條件選取RSN93和RSN163兩條天然波,根據(jù)反應(yīng)譜對天然波的加速度時程曲線的峰值進(jìn)行調(diào)整,人工波根據(jù)場地和抗震設(shè)防烈度對應(yīng)的反應(yīng)譜進(jìn)行人工生成。地震波的加速度時程及反應(yīng)譜曲線如圖6所示。

在上文選取的三條地震波的作用下,對本結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性計算,結(jié)構(gòu)基底剪力如圖7所示。通過比較分析可以得到：結(jié)構(gòu)在單條地震波作用下,通過計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值為通過反應(yīng)譜法計算所得結(jié)果的95.27%(X向)及94.29%(Y向),滿足規(guī)范對于單條波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力的相關(guān)要求;多條地震波作用下,根據(jù)規(guī)范要求計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%且不大于其數(shù)值的120%,通過計算得到結(jié)構(gòu)在多條地震波作用下的基底剪力值也滿足上述規(guī)范要求。

4.3 減震方案

在墻式大行程鉛剪切阻尼器的型號進(jìn)行初步選定后,需要根據(jù)本結(jié)構(gòu)的特點及其建筑布局的相關(guān)要求進(jìn)行阻尼器布置。通過反復(fù)試算,不斷進(jìn)行方案優(yōu)化來最終確定墻式大行程鉛剪切阻尼器的動力參數(shù)、位置以及其數(shù)量等。經(jīng)過多次試算優(yōu)化,宿舍樓中阻尼器布置數(shù)量見表4,布置位置如圖8所示。本結(jié)構(gòu)采用阻尼器參數(shù)如下：阻尼器的第一剛度：不小于5E6 kN/m;阻尼器的第二剛度：不大于0.02倍的阻尼器的第一剛度;阻尼器屈服力40 t;阻尼器最大行程110 mm。

表4 結(jié)構(gòu)的阻尼器布置數(shù)量

4.4 減震性能分析

4.4.1 結(jié)構(gòu)水平變形

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角沿高度的分布情況可以比較直觀的反映結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷多遇地震過程中整體變形。經(jīng)過計算得到結(jié)構(gòu)層間位移角隨高度的變化情況,通過判斷計算所得的層間位移角是否滿足規(guī)范所要求的限值,從而得到結(jié)構(gòu)的水平變形情況。對比結(jié)果如圖9所示,減震效果如表5所示。

表5 地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角及減震率匯總

從圖9,表5的分析結(jié)果可以看出：安裝墻式大行程鉛剪切阻尼器以后結(jié)構(gòu)各層層間位移角均有所減小,結(jié)構(gòu)X方向?qū)娱g位移角最大減震率為30.02%,Y方向?qū)娱g位移角最大減震率為39.67%。

4.4.2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)主要考慮結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力、頂點加速度和頂點位移反應(yīng)。地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力見圖10,結(jié)構(gòu)基底剪力最大值及減震率匯總見表6。從圖10,表6可以看出,在多遇地震下,安裝墻式大行程鉛剪切阻尼器后阻尼器承擔(dān)了部分水平向剪力,使得結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)的基底剪力有了不同程度的減小,其中X向結(jié)構(gòu)部分的最大減震率為33.58%,Y向框架部分的最大減震率為44.48%。在罕遇地震下添加阻尼器后,阻尼器承擔(dān)了部分水平向剪力,使得結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)的基底剪力有了不同程度的減小,其中X向結(jié)構(gòu)部分的最大減震率為4.2%,Y向框架部分的最大減震率為-0.17%。

表6 結(jié)構(gòu)基底剪力最大值及減震率匯總

5 結(jié)論

為保證墻式大行程鉛剪切阻尼器的耗能穩(wěn)定性,本文對墻式大行程鉛剪切阻尼器進(jìn)行了試驗研究,并以此為耗能元件,采用墻式大行程鉛剪切阻尼器作為其耗能部件,利用SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型,在多遇地震和罕遇地震作用下分別進(jìn)行彈性時程分析和彈塑性時程分析,計算分析得到了設(shè)置墻式阻尼器前后結(jié)構(gòu)的抗震性能,根據(jù)所得結(jié)果對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的評價。通過試驗和分析可以得到：

1)墻式大行程鉛剪切阻尼可滿足不同結(jié)構(gòu)較大行程的需求,構(gòu)造簡單、安裝方便、不影響結(jié)構(gòu)的建筑外觀。2)為保證墻式大行程鉛剪切阻尼器耗能性能的穩(wěn)定性,應(yīng)對阻尼器構(gòu)件的變形進(jìn)行控制,避免摩擦力對阻尼器耗能的影響。3)多遇地震作用下,墻式大行程鉛剪切阻尼器主要給結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度,使得結(jié)構(gòu)層間變形滿足相關(guān)規(guī)范的要求,罕遇地震作用下,墻式大行程鉛剪切阻尼器先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài),提高結(jié)構(gòu)的阻尼比,減小輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。此外,在充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的可利用空間的前提下,阻尼器的設(shè)置未改變結(jié)構(gòu)受力體系,也未影響建筑美觀和使用功能。