基底隔震的減振控制實驗

任 亮， 田 宇， 董其明， 李宏男

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連116024)

0 引 言

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計只要求主體結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度內(nèi)的安全，而對建筑物內(nèi)部的設(shè)施、儀器的保護還存在很多問題，而基礎(chǔ)隔震在保護主體結(jié)構(gòu)的同時也減小了建筑物內(nèi)部設(shè)施的振動。傳統(tǒng)抗震設(shè)計的思想是“硬抗地震”，通過加大梁柱截面的方法來增強結(jié)構(gòu)剛度，這種方法在地震作用下會使地震作用“增強”，還會增加結(jié)構(gòu)的造價，而隔震技術(shù)不僅節(jié)省費用，而且施工簡單震后易修復(fù)［1-2］。隔震技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)的抗震找到了一個新的方向，對抗震技術(shù)的發(fā)展具有很重要的意義。

早在20 世紀三四十年代，隔震理論就已被提出，而隔震技術(shù)得到重視是從1972 年美國學(xué)者J.TP.Yao首次提出結(jié)構(gòu)減震控制的概念時開始。我國學(xué)者周福霖教授創(chuàng)造性地提出了“結(jié)構(gòu)減震控制體系”的概念，使得各種減震控制技術(shù)上升到了抗震設(shè)計理論的新階段［3］，目前，我國已形成一系列關(guān)于隔震技術(shù)的標(biāo)準和設(shè)計規(guī)范［4］。隨著隔震技術(shù)與振動控制的發(fā)展，目前隔震減振技術(shù)已成為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最前沿的發(fā)展方向之一，并已在世界各國的實際工程中得到應(yīng)用。

本實驗?zāi)康脑谟谑箤W(xué)生加深對基底隔震理論的理解，掌握實驗的操作方法及隔震原理，通過對比采取滾珠基底隔震措施前后儀器的振動狀態(tài)及加速度時程曲線，更深刻認識到隔震重要意義，提高工程應(yīng)用能力。

建筑隔震是隔離地震給建筑結(jié)構(gòu)帶來的沖擊作用［5］，而基底隔震技術(shù)是在建筑物底部設(shè)置水平柔性的隔離裝置，使結(jié)構(gòu)隔震系統(tǒng)軟化，降低剛度，延長結(jié)構(gòu)的基本自振周期［6］。一般，層數(shù)較少的建筑物層間剛度較大，因此其振動周期較短，從標(biāo)準的地震反應(yīng)譜中可以知道，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)隨著地震周期的增大而減小。因此如果采取措施使結(jié)構(gòu)的自振周期延長，使其與場地的固有周期隔開，使得結(jié)構(gòu)的基頻不在地震能的頻段之內(nèi)，這樣就會很好地降低建筑物的加速度反應(yīng)［7-8］。隔震層中結(jié)構(gòu)元件的水平剛度相比于上部結(jié)構(gòu)的水平剛度明顯較低，因此可將上部結(jié)構(gòu)近似認為是一個剛體［9-10］，上部結(jié)構(gòu)的相對位移大大減小，達到顯著減小結(jié)構(gòu)振動的目的，保證結(jié)構(gòu)物及內(nèi)部設(shè)施的安全以及正常使用［11］。

滾珠隔震是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面間設(shè)置滾珠，結(jié)構(gòu)受到水平方向激勵時，滾珠沿溝槽滑動，地震作用向上部結(jié)構(gòu)傳遞的能量在隔震層被阻斷。因為上部結(jié)構(gòu)近似是一個剛體，在小震作用下，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間基本不發(fā)生相對錯動，在強震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體水平滑動，從而減小地震作用，使結(jié)構(gòu)不至被破壞［12-13］。同時，由于彈簧作用，使裝置具有復(fù)位功能，且彈簧可提供一定的阻尼耗散地震能量。與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計不同，隔震是一種“以柔克剛”的抗震設(shè)計方法［14］。

1 基底隔震的減振控制模型設(shè)計

基底隔震方法大致可分為彈性支承式隔震、滑動式隔震、擺動式隔震以及懸吊式隔震四大類［15］，滑動隔震又可分為滾子隔震和滑動支座隔震，本實驗采取滾珠隔震方法。隔震結(jié)構(gòu)體系由上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)三部分組成［16］。在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面間設(shè)置滾珠，結(jié)構(gòu)受到水平方向激勵時，滾珠沿溝槽滑動，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)向上傳遞的水平方向震動隔開。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示。上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間由滾輪連接，地震發(fā)生時，由于滾輪隔離層的存在，地震能量的傳遞被隔開，大部分能量不能上傳到上部結(jié)構(gòu)。

圖1 基底隔震系統(tǒng)示意圖

基礎(chǔ)板設(shè)計如圖2 所示，滑動槽用于約束滾珠滑動方向，固定螺栓孔可控制上部結(jié)構(gòu)與底板間的固定與分離。

圖2 基底隔震底板示意圖

滾輪設(shè)計如圖3 所示。其中4 號、5 號滾輪在滑動槽內(nèi)沿水平方向滾動，其余6 個滾輪可在兩側(cè)起支撐作用。

圖3 滾輪隔離層示意圖

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為一層框架，在一層框架的兩側(cè)分別設(shè)置一根彈簧。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)沿水平方向滑動時，彈簧可為其提供反向作用力，使其具有自復(fù)位能力，且彈簧可提供一定的阻尼耗散地震能量。

2 基底隔震的減振控制試驗

2.1 實驗準備

根據(jù)設(shè)計模型加工構(gòu)件，組裝成單層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的上部框架與基礎(chǔ)底盤之間通過滾輪連接，固定螺栓孔放置于滑動槽之間，框架兩側(cè)與基礎(chǔ)底盤用彈簧連接，基礎(chǔ)底盤與試驗臺固定連接。框架兩側(cè)的柱采用彈簧鋼材料，其余材料均為鋼，得到基于基底隔震的減振控制系統(tǒng)實物，即采取了基底隔震措施的單層框架結(jié)構(gòu)。將加速度傳感器連接在框架的上部，用于采集結(jié)構(gòu)振動時上部結(jié)構(gòu)的加速度，如圖4 所示。

圖4 基底隔震振動控制系統(tǒng)實物圖

將減振控制系統(tǒng)固定在QUANSER 公司研發(fā)的Shake Table II 振動臺上。利用基于Compact RIO 平臺研發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解調(diào)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)。Compact RIO 主要由三部分組成:實時控制器、FPGA 及工業(yè)級I/O 模塊(見圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

2.2 采取基底隔震措施前實驗

圖6 簡諧波加速度時程曲線對比圖

通過固定螺栓孔，用螺栓將圖1 中上部結(jié)構(gòu)固定在底板上，使底板與上部結(jié)構(gòu)固定連接，來模擬沒有隔振措施的情況。將加速度傳感器黏貼在一層框架的上部，通過振動臺對控制系統(tǒng)輸入水平方向簡諧波振動。觀察上部結(jié)構(gòu)的運動情況。利用基于Compact RIO 平臺研發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解調(diào)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖6 中紅色曲線);此時在上部結(jié)構(gòu)中放置幾個物塊模擬室內(nèi)家具，再對控制系統(tǒng)輸入水平地震波振動(地震波采取的是美國在1940 年得到的EL Centro 波)，觀察上部結(jié)構(gòu)的運動情況和放置的小物塊狀況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖7 中紅色曲線)。

圖7 地震波加速度時程曲線對比圖

2.3 采取基底隔震后實驗

撤掉固定螺栓，即上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面間用滾輪連接，上部結(jié)構(gòu)可在水平方向自由移動，兩側(cè)的彈簧可以提供一定的回復(fù)力。對控制系統(tǒng)輸入同樣的水平方向簡諧波振動，得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖6中藍色曲線);此時同樣在上部結(jié)構(gòu)中放置幾個小物塊來模擬家具，再對控制系統(tǒng)輸入同樣的水平地震波振動，觀察上部結(jié)構(gòu)運動情況和放置的小物塊狀況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時程曲線(圖7 中藍色曲線)。

3 實驗結(jié)果與分析

將兩種不同情況下輸入水平簡諧波振動得到的加速度時程曲線對比如圖6 所示，將兩種不同情況下輸入水平地震波振動得到的加速度時程曲線對比如圖7所示，紅色曲線為無隔震作用時的加速度時程曲線，藍色曲線為有隔震作用時的加速度時程曲線。

由加速度時程曲線對比圖可以看出，在采取基底隔震措施前輸入水平地震波及簡諧波振動，上部結(jié)構(gòu)振動劇烈。采取隔震措施后，輸入水平地震波及簡諧波振動，雖然基礎(chǔ)振動不變，但是上部結(jié)構(gòu)振動明顯減輕，減振效果非常明顯。

兩組試驗中振動結(jié)束后物塊的對比圖如圖8 所示。通過對比圖可以明顯看出，基底隔震控制系統(tǒng)對減小建筑物內(nèi)部設(shè)施的振動起到顯著效果。

圖8 室內(nèi)家具模擬試驗對比圖

4 結(jié) 語

實驗教學(xué)是理論教學(xué)與具體實踐相結(jié)合，鞏固理論教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識和實際操作能力的重要環(huán)節(jié)［17］。本實驗基于工程實際中常用的隔震方法，設(shè)計了一種基于滾珠隔震方法的隔震實驗演示裝置，通過對比在施加水平地震波和簡諧波振動作用時有基底隔震措施和無基底隔震措施時的加速度時程曲線，形象直觀地演示了隔震技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震中的作用效果。通過實驗幫助學(xué)生把理論和實踐聯(lián)系起來，能更好地理解基底隔震在實際應(yīng)用中的工作原理及重要意義。通過實驗激發(fā)同學(xué)們對基底隔震的興趣和積極性，幫助同學(xué)們理解課堂所學(xué)理論知識的實際含義，提高工程應(yīng)用能力。

［1］ 趙蘊林. 普通民用建筑基礎(chǔ)隔震技術(shù)研究［J］. 四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011(3):249-252.

［2］ 殷許鵬. 隔震建筑設(shè)計、建造措施及后期維護管理方法研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2013.

［3］ 林建芳. 國內(nèi)外隔震技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀［J］. 科技資訊，2008(20):2-3.

［4］ 羅桂純. 隔震技術(shù)在建筑物抗震設(shè)防中的應(yīng)用和推廣［J］. 城市與減災(zāi)，2014(4):27-29.

［5］ 高 菲. 建筑物基礎(chǔ)滑移隔震性能的研究［D］. 沈陽:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2003.

［6］ 陳 旻. 建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)研究［J］. 山西建筑，2009(7):67-69.

［7］ 王珊珊，隋杰英，章 蓉，等. 滾動隔震支座的研究與發(fā)展［J］.山西建筑，2013(8):17-19.

［8］ 楊一振. 基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究［D］.合肥:安徽建筑工業(yè)學(xué)院，2011.

［9］ 孟慶利. 基底隔震混合控制和三維隔震系統(tǒng)研究［D］. 哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所，2005.

［10］ 羅獻燕. 滑移隔震參數(shù)分析與反應(yīng)譜研究［D］. 西寧:廣西大學(xué)，2008.

［11］ Wirsching P H，Yao J T P. Safety design concept for seismic structures［J］. Comput Struct，1973(3):809-826.

［12］ 冉麗樸. 帶裙房高層建筑層間隔震時抗震性能分析［D］. 成都:西南交通大學(xué)，2008.

［13］ 章 蓉. 基于土—結(jié)構(gòu)動力相互作用的滾珠隔震結(jié)構(gòu)研究［D］.青島:青島理工大學(xué)，2013.

［14］ 周志遠. 四種基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)控制效果分析［D］.上海:同濟大學(xué)，2008.

［15］ 邵 靜，姚 菲，徐玉華. 隔震支座技術(shù)的研究綜述［J］. 四川建筑科學(xué)研究，2014(3):176-179.

［16］ 曾 賓. 大底盤多裙房高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震性能分析與研究［D］.廣州:廣州大學(xué)，2013.

［17］ 劉昌華，王少安，王慶林，等.測量工程專業(yè)實踐教學(xué)的改革與實踐［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(社會科學(xué)版)，2004，5(1):62-65.