碟形彈簧豎向減震裝置的設計

馮海龍

1 概述

為了最大限度地減輕地震災害,人們提出了結構控制的概念。但是,目前這些控制裝置或系統只是最大限度地減少或隔離水平地震作用,而對豎向地震作用幾乎沒有影響。由于地震動本身具有多維特性,對于一些位于高烈度區和震中附近的重要建筑和基礎設施,同時考慮豎向地震分量的三維基礎隔震是非常必要和重要的。但是,國內外對豎向基礎隔震的研究尚無實質性進展。本文提出一種碟形彈簧豎向減震裝置,可以有效的解決豎向基礎隔震問題。

2 碟形彈簧豎向減震裝置的構造

減震裝置采用碟形彈簧作為豎向減震元件,利用碟形彈簧的變剛度特性和耗能能力[1],根據上部結構和場地特性選取不同的組合方式形成合適的豎向剛度,同時在裝置內部設置粘彈性阻尼器。其構造形式見圖1。

減震裝置的中間放一主碟形彈簧組,在直徑550mm的圓周上均布幾個輔助碟形彈簧組和幾個粘彈性阻尼器。因為碟形彈簧組有中心導向筒,粘彈性阻尼器有芯柱,限制了該裝置的水平位移,使得它幾乎只能發生豎向位移。并且由于裝置有比較小的豎向剛度,能夠提供比較合適的豎向阻尼,這一特性正好能對豎向地震起到較好的隔震效果。并且通過碟形彈簧的規格和組合方式調整容易獲得所需的剛度,通過調整粘彈性阻尼器的厚度可以獲得不同的阻尼比。

3 減震裝置的力學性能

3.1 試驗系統

碟形彈簧豎向減震裝置由碟形彈簧組和粘彈性阻尼器并聯而成,其豎向剛度和阻尼比均可以根據不同建筑的要求進行調整,以達到最優組合。為了研究豎向減震裝置的力學性能,對其模型[2]進行了豎向性能試驗,試驗加載采用500kN擬動力設備,加載控制和數據采集由計算控制系統完成。試驗中采用BLR-1應變式力傳感器和YD-21動態應變儀測量施加力,采用磁致伸縮式精密位移傳感器測量試驗的位移值,試驗的數據由計算機數據采集系統采集并記錄在計算機中。

3.2 性能試驗結果

模型的豎向剛度曲線和典型滯回曲線見圖2,圖3,根據曲線不難求得減震裝置的豎向剛度和等效阻尼比。模型滯回曲線比較豐滿,表明阻尼耗能性能較好,從滯回曲線的形狀來看,這種豎向減震裝置可以簡化為雙線性模型或退化雙線性模型[2]。模型的豎向等效剛度大約為11 kN/mm,等效阻尼比大約為23%。

4 豎向隔震框架結構的豎向地震反應分析

4.1 結構概況

某8層框架綜合樓,1層～3層柱截面(600×600)mm,4層～6層柱截面(550×550)mm,7層～8層柱截面(500×500)mm,設防烈度8度,Ⅱ類場地。采用C25混凝土,E=28000N/mm2。其中隔震層(用第0層表示)的質量 m0=200t,阻尼比根據試驗結果取0.23,其余各層取0.05。由于隔震層采用退化雙線性滯回模型,其特征參數可以參照前面推導出來的方法計算出來,得到k1=731 kN/mm,k2=435 kN/mm,其余各層的豎向剛度和質量見表1。

表1 各層的質量和豎向剛度

4.2 計算結果及分析

4.2.1 結構的自振周期

抗震結構和隔震結構的動力特性相比,主要表現為結構的基本周期增長了,如表2所示,隔震結構的基本周期為0.524 s,基本頻率為2.0Hz,而未設隔震層結構形式相同的非隔震結構的基本周期僅為0.104 s,基本頻率為9.6 Hz。

4.2.2 結構的地震反應

計算結構的豎向地震響應時,由豎直方向輸入四條地震加速度記錄[3]El-Centro波(適合Ⅱ,Ⅲ類場地),松潘文縣波(適合Ⅱ類場地)以及兩條人工模擬豎向地震波PBV1,PBV2(適合Ⅱ類場地),只考慮8度大震的情況,罕遇地震時的加速度峰值400gal,根據豎向地震波的特點,將各條豎向地震波的地震動最大加速度峰值調至(0.65×400)cm/s2,即 260cm/s2。計算中,對隔震結構和不隔震結構分別進行時程分析計算,得到各質點的位移和加速度反應,計算結果見表2。

表2 豎向隔震前后的最大加速度反應 αmax cm/s2

由表2可知,隔震前加速度的分布呈倒三角形,隔震后則基本是一條直線,這說明隔震后結構的反應由原來的“放大”型變成了“平動”型。豎向隔震效果非常明顯。但結構的豎向絕對位移增大很多,主要是因為隔震層的豎向剛度遠小于上部結構的豎向剛度造成的。隔震前結構產生的最大絕對位移是0.75 mm,而隔震后的最大絕對位移是1.636 mm,平均層間位移隔震前是0.085 mm,隔震后是0.018 mm。說明隔震后在罕遇地震下產生的位移主要集中在隔震層,層間位移則很小。

5 結語

1)由于碟形彈簧和粘彈性阻尼器組合而成的碟形彈簧豎向減震裝置不僅性能優良且穩定,加工制作容易,結構緊湊,除了可以用于建筑結構的豎向基礎隔震外,還可以用于機械設備的隔震,是一種比較理想的豎向減震裝置。2)豎向減震以后結構的各層最大加速度比相應的未經隔震以前的建筑小40%左右。因此,可以說明碟形彈簧豎向減震裝置有效的減小了豎向地震作用。3)隔震后結構的豎向絕對位移增大很多,但層間豎向位移比隔震前有明顯降低,大約是隔震前的21%,由于層與層之間的相對位移變得很小,因此加了碟形彈簧豎向減震裝置以后的結構在大震下的豎向震動呈整體平動。

[1]陸文遂.碟形彈簧的計算設計與制造[M].上海:復旦大學出版社,1980:4-5.

[2]林 皋,朱 彤,林 蓓.結構動力模型試驗的相似技巧[J].大連理工大學學報,2000,40(1):1-8.

[3]劉小弟,蘇經宇.時程分析法使用的設計地震動選擇方法與實例[J].建筑結構,1992,22(5):8-12.