SMA—滾珠隔震支座對(duì)框架自振周期影響研究★

張 健 隋杰英 周 正

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033； 2.中國(guó)重型汽車集團(tuán)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司，山東 濟(jì)南 250031)

Δ≈x0

y0=2(R-r)(1-cosφ)

〗

|φ|〗

|φ|

Fμ1=μ0FN1

〗

?

·結(jié)構(gòu)·抗震·

SMA—滾珠隔震支座對(duì)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(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033； 2.中國(guó)重型汽車集團(tuán)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司，山東 濟(jì)南 250031)

對(duì)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(jìn)行了敲擊試驗(yàn)，通過(guò)分別采集其頻譜，探究了滾珠隔震支座對(duì)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(chǔ)隔震是通過(guò)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層來(lái)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(yīng)。SMA—滾珠隔震支座對(duì)地震能量的消耗及變形后的自恢復(fù)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(duì)上部結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 系統(tǒng)動(dòng)力分析

普通滾動(dòng)支座一般很難限制滾珠的滾動(dòng)，震動(dòng)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(shè)計(jì)球形凹槽，便可限制滾珠的滾動(dòng)，使其只在凹槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并在震后利用凹槽恢復(fù)到原位，更具有較好的自復(fù)位能力。

這里簡(jiǎn)化分析隔震系統(tǒng)的動(dòng)力反應(yīng)，假定滾珠與凹形面是始終接觸的，即滾動(dòng)過(guò)程中滾珠與凹板之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于上部只有一層建筑，動(dòng)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(duì)于地面的位移；x1——上部結(jié)構(gòu)相對(duì)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(chǔ)的運(yùn)動(dòng)和幾何關(guān)系可得出(見(jiàn)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(duì)式(6)求兩階導(dǎo)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(gè)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(chǔ)和第一層的加速度、速度和位移反應(yīng)。

2 試驗(yàn)裝置

2.1 試件安裝

本試驗(yàn)采用兩組隔震支座，每組支座由上下兩片鋼板和4個(gè)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(shè)置球形凹槽用以限制滾珠運(yùn)動(dòng)。上層框架采用鋼筋混凝土框架，支座及框架具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 隔震支座及框架尺寸 mm

安裝時(shí)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(yàn)采用CF0924磁電式速度傳感器測(cè)試上層框架的速度，防護(hù)等級(jí)IP65，靈敏度為20.7 V/(m/s)。采用DH5923動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集測(cè)試出的數(shù)據(jù)，用與DH5923配套的分析軟件記錄速度時(shí)程并分析得到框架的速度頻譜。

2.3 試驗(yàn)工況

將CF0924磁電式速度傳感器固定于柱上部，并接入DH5923動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀某一通道，將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)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(dòng)，通過(guò)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(jìn)而得到自振周期。

本試驗(yàn)分三種試驗(yàn)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(dāng)于框架與地面剛性連接。對(duì)采集分析系統(tǒng)清零調(diào)平衡后，敲擊框架測(cè)試出此時(shí)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(shí)隔震支座作為框架底座起到隔震作用。對(duì)采集分析系統(tǒng)清零調(diào)平衡后，敲擊框架測(cè)試此時(shí)的速度頻譜。

工況三：在工況二的基礎(chǔ)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(shí)隔震支座與SMA絲共同組成隔震體系，起到隔震作用。對(duì)采集分析系統(tǒng)清零調(diào)平衡后，敲擊框架測(cè)試這時(shí)的速度頻譜。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)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(guān)系：T=1/f可以計(jì)算得到各種工況下框架的自振周期(見(jiàn)圖5)。

3.2 試驗(yàn)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(shí)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(dá)到0.85 s，是固結(jié)地面時(shí)的6.07倍，明顯延長(zhǎng)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(duì)這樣一個(gè)問(wèn)題：雖然隔震支座的鋼板設(shè)置有凹槽，但隔震支座的耗能效果及自復(fù)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(dāng)溫度高于奧式體相變溫度(T>Af)時(shí)進(jìn)行加卸載，SMA可以提供飽滿的滯回曲線并且卸載后沒(méi)有殘余變形，在變形過(guò)程中也可提供較大的恢復(fù)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(wèn)題。此時(shí)框架的基本自振周期為0.64 s,是固結(jié)地面時(shí)的4.57倍，周期延長(zhǎng)效果也很明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

SMA—滾珠隔震支座基礎(chǔ)隔震使上部框架結(jié)構(gòu)與地面振動(dòng)解耦，延長(zhǎng)上部框架結(jié)構(gòu)的基本自振周期，避開(kāi)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(yīng)，提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

[1]姚謙峰，豐定國(guó).滾動(dòng)隔震結(jié)構(gòu)受力分析.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31(3)：249-252.

[2]史紅福，樊 劍，李 黎．滾動(dòng)基礎(chǔ)隔震機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析.振動(dòng)與沖擊，2005，24(3)：6.

[3]李愛(ài)群，高振世．工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi).南京：東南大學(xué)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(guó)材料研討會(huì)論文集(功能材料).北京:化學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：E080803)

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

TU352.12

A