巨型懸掛體系雙向耗能阻尼器開發(fā)與應(yīng)用研究

王開國 李興章 裴星洙

巨型懸掛體系雙向耗能阻尼器開發(fā)與應(yīng)用研究

王開國 李興章 裴星洙

在巨型懸掛體系下,討論了對阻尼器設(shè)計(jì)的要求,提出雙 U形阻尼器的模型與工作原理,通過振動信號采集系統(tǒng)對安裝阻尼器后的懸掛子結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,并繪制該阻尼器的滯回曲線,最后驗(yàn)證了阻尼器的設(shè)計(jì)要求和耗能效果。

雙U形阻尼器,振動信號采集,滯回曲線

0 引言

工業(yè)進(jìn)程促使人口向城市集中,造成城市用地日趨緊張,建筑遂向高空發(fā)展,由多層發(fā)展為高層。為了節(jié)省建筑占地面積,高層懸掛體系應(yīng)運(yùn)而生。為達(dá)到抗震要求,有必要在巨型懸掛體系下進(jìn)行新型阻尼器的應(yīng)用研究。

1 高層懸掛體系介紹

巨型懸掛體系是由框架主結(jié)構(gòu)和懸掛在內(nèi)部的子結(jié)構(gòu)組成,框架主結(jié)構(gòu)以型鋼為材料。

為滿足抗震要求,由抗震理論分析表明,在主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間設(shè)置阻尼器能夠有效提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能,如圖 1,圖 2所示。

2 雙 U形雙向耗能阻尼器

由于風(fēng)荷載和地震作用方向的不確定性,這就要求安裝在巨型懸掛體系主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)間的阻尼器,具有能夠消耗任意方向的性能,而一般通用的阻尼器只能滿足單方向的減震耗能要求。本文根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)了一種新型的雙U形雙向耗能阻尼器(見圖 3,圖 4)。

該阻尼器以兩塊不銹鋼鋼板和六根軟鋼組成,鋼板尺寸為110mm×80mm×2mm,軟鋼材料為直徑 1.5mm銅線,長 250mm彎曲而成。這是由于軟鋼在進(jìn)入塑性范圍后具有良好的滯回特性。雙U形雙向耗能阻尼器由三組雙U形軟鋼組成,并通過螺栓與固定連接鋼板連接。在地震或風(fēng)振作用下,結(jié)構(gòu)振動傳給雙 U形阻尼器,使其發(fā)生水平拉壓和剪切變形,產(chǎn)生阻尼力,同時(shí)消耗、吸收外部輸入的能量。

該阻尼器的最大特點(diǎn)就是能夠同時(shí)發(fā)生拉壓和剪切變形來消耗能量,達(dá)到雙向耗能的目的。任意方向的風(fēng)荷載和地震作用,都能對其分解成雙向受力,這就是雙U形雙向阻尼器耗能的工作原理。

3 雙 U形雙向耗能阻尼器的實(shí)驗(yàn)研究

巨型懸掛體系雙 U形阻尼器的研究首先通過懸掛子結(jié)構(gòu)在安裝阻尼器前后的振幅變化來表現(xiàn)。巨型懸掛體系模型以 2mm厚不銹鋼板制作而成,主結(jié)構(gòu) 380mm×380mm×380mm,內(nèi)部懸掛子結(jié)構(gòu) 260mm×260mm×260mm,子結(jié)構(gòu)懸掛高度(懸掛頂點(diǎn)至子結(jié)構(gòu)底部)500mm,子結(jié)構(gòu)重 8.5 kg,懸掛子結(jié)構(gòu)自振周期為T1=0.97 s,采用HY-4T調(diào)速多用振蕩器,從主結(jié)構(gòu)底部輸入正弦波,水平最大位移 ±20mm,采用頻率 1.5 Hz(周期 T2=0.667 s),使懸掛子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。

3.1 拉壓變形時(shí)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用 CRASV 7.1振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)[1]對懸掛子結(jié)構(gòu)進(jìn)行振幅—時(shí)間的波形測試,先是對阻尼器進(jìn)行拉壓實(shí)驗(yàn),對比發(fā)現(xiàn),阻尼器在作拉壓變形時(shí),未安裝阻尼器前子結(jié)構(gòu)振幅有效值可達(dá) 5.02 cm,安裝后子結(jié)構(gòu)振幅有效值減少至 2.65 cm,前后振幅可減少 47.2%。

3.2 剪切變形時(shí)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對阻尼器進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)時(shí),對比發(fā)現(xiàn),阻尼器在作拉壓變形時(shí),未安裝阻尼器前子結(jié)構(gòu)振幅有效值可達(dá) 5.02 cm,安裝后子結(jié)構(gòu)振幅有效值減少至 2.85 cm,前后振幅可減少 43.2%。

4 雙 U形阻尼器耗能性能和阻尼特性

阻尼器的滯回曲線以手工繪制而成,在拉壓或剪切時(shí),位移每變化 0.5 cm測其相應(yīng)的所加荷載,總變形 3 cm。最后將滯回曲線連為閉合曲線,經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn),分別測得拉壓時(shí)阻尼器滯回曲線和剪切時(shí)滯回曲線(見圖 5,圖 6)。

雙U形阻尼器在反復(fù)虛幻荷載作用下,每經(jīng)一個循環(huán),加載時(shí)吸收能量,卸載時(shí)釋放能量,二者之差即是耗能器在一次循環(huán)中的耗能量,其數(shù)值等于一個滯回環(huán)所包圍的面積。如圖 7中面積ABCD,該面積大,則表示耗能多,耗能器的耗能性好。耗能器的耗能性能可以用耗能系數(shù)來反映,計(jì)算公式如下[2]：

阻尼是表示能量耗散性能的,它反映了結(jié)構(gòu)的一種動力特性,是影響結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的重要因素之一。在現(xiàn)代抗震中,經(jīng)常用系統(tǒng)的等效粘滯阻尼系數(shù) ξe,可按如圖 7所示滯回曲線 ABCD的面積來計(jì)算[2]：

其中,EDS為滯回阻尼耗能,等于最大位移處滯回曲線包圍的面積,即ABCD的面積;ES為最大的應(yīng)變能,等于圖 7中 OCG+OAG的面積之和。

等效粘滯阻尼系數(shù)與耗能系數(shù)的關(guān)系為：

阻尼器作拉壓和剪切變形時(shí)的耗能系數(shù)及等效粘滯阻尼系數(shù)見表 1。

表1 雙 U形阻尼器滯回耗能和耗能系數(shù)

5 結(jié)語

通過理論分析和模型演示結(jié)果,得出在巨型懸掛體系下,雙 U形雙向耗能阻尼器消能減震效果顯著,且能夠通過拉壓、剪切變形消耗任意方向的地震或風(fēng)荷載能量。該阻尼器制作與組合簡單,安裝方便,取材容易,因此具有良好的應(yīng)用前景。

[1]岳 鋒.X形軟鋼阻尼器的滯回性能分析[J].山西建筑,2009,35(4)：92-93.

[2]周 云.金屬耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2000.

The developm ent and application of giant two-way dam per suspension system

W ANG Kai-guo LIX ing-zhang PEI Xing-zhu

In a giant suspension system,discussed the design requirements of the damper,the double U-type dampermodel and works p rinciple.Vibration signal acquisition system through the installation of dampers in the suspension substructures experimentalanalysis,and themapping of the hysteretic damper,verify damper final design requirements and energy consumption effects.

double U-type damper,vibration signal acquisition,hysteresis loop

TU352

A

1009-6825(2011)09-0063-03

2010-11-27

王開國(1987-),男,江蘇科技大學(xué)土木學(xué)院土木系本科生,江蘇 張家港 215600

李興章(1987-),男,江蘇科技大學(xué)土木學(xué)院土木系本科生,江蘇 張家港 215600

裴星洙(1954-),男,教授,江蘇科技大學(xué)土木學(xué)院,江蘇 張家港 215600

巖土工程地基基礎(chǔ)