鋼筋混凝土摩擦阻尼器在隔震層中的應用

尚守平，劉超

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鋼筋混凝土摩擦阻尼器在隔震層中的應用

尚守平，劉超

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

針對基礎隔震時隔震層水平相對位移較大的問題，提出一種鋼筋混凝土摩擦阻尼器，并與鋼筋瀝青隔震墩組合成一種全新的復合隔震層。為研究鋼筋混凝土摩擦阻尼器對上部結構動力響應的影響，對有無摩擦阻尼器2種情況下上部結構加速度峰值和隔震層最大水平相對位移進行振動臺試驗對比。研究結果表明：不同烈度地震波下彈簧合理壓縮量不同，在臺面輸入加速度峰值為0.3時彈簧合理壓縮量為25 mm左右，復合隔震層隔震時上部結構加速度峰值最大可衰減66%，較隔震墩單獨隔震時可使隔震層相對位移衰減40%以上。表明鋼筋混凝土摩擦阻尼器使上部結構加速度衰減的同時有效降低了隔震層的相對位移，能夠較為全面地降低結構的動力響應。

鋼筋瀝青隔震；摩擦阻尼器；振動臺試驗；相對位移

基礎隔震技術是在基礎結構和上部結構之間設置柔性隔震層，延長結構的自振周期，阻礙地震能量向上部結構傳遞[1?3]，但這樣導致隔震層水平相對位移較大。針對這一問題，除了常見的油阻尼器[4?5]、鋼阻尼器[6?7]以及黏彈性阻尼器[8]外，基于摩擦阻尼機理的隔震支座的研究也日益增多。張延慶等[9]針對常規摩擦阻尼器的起滑力難以確定的問題提出了帶有復合摩擦阻尼系統的基礎隔震。歐進萍等[10]提出了一種新型壓電-T型變摩擦阻尼器，研究了阻尼器的力學模型和滯回特性。薛素鐸等[11]提出了一種SMA復合摩擦阻尼器，研究發現在隔震體系中加入這種復合摩擦阻尼器會導致隔震層水平剛度變大，對上部結構加速度的減震效果沒有隔震層位移衰減程度明顯。吳斌等[12]對Pall型摩擦阻尼器進行了滯回性能試驗，發現阻尼器滑移后其恢復力基本保持不變，但是支撐拉力卻顯著增大，改變了以往Pall摩擦阻尼器研究中支撐內力不明確的問題，這一認識有助于削弱結構抗震設計時的安全隱患。張文芳等[13]通過基礎隔震體系設置摩擦阻尼器時的地震反應進行了理論研究和計算，分析了地震作用下的地震反應特點和規律。Kim等[14]研究了在不同地震波作用下摩擦耗能裝置對結點的地震反應影響。本文結合鋼筋瀝青隔震墩[15]和鋼筋混凝土摩擦阻尼器的復合作用來研究阻尼器在隔震層中的應用效果，研究地震波類型以及地震烈度對彈簧合理壓縮量的影響。對上部結構加速度和隔震層相對位移進行分析，旨在合理控制彈簧壓縮量使得加速度衰減程度和隔震層相對位移的削弱能力都能有效地提高。

1 鋼筋混凝土摩擦阻尼器

1.1 構造及工作原理

鋼筋混凝土摩擦阻尼器主要由高強混凝土塊和擠壓彈簧組成，混凝土塊經固定鋼板分別與基礎及上部結構固定，圖1為其構造示意圖。阻尼器在工作時通過調節螺母改變彈簧壓縮量使得上下混凝土塊相接觸產生摩擦阻尼力。當阻尼器所受的外力小于混凝土塊間的靜摩擦力時，此時相當于增大了隔震層的初始水平剛度，使建筑物在風荷載或輕微地震作用下保持穩定。當阻尼器所受外力大于混凝土塊間的靜摩擦力時，混凝土塊間發生相互錯動,依靠摩擦做功耗散地震能量達到隔震效果。該阻尼器的優點主要有：1) 混凝土耐腐蝕、耐風化；2)耐久性好，屬被動消能裝置，可靠性高；3) 可在一定范圍內調整阻尼器高度，便于安裝，適用不同高度的隔震層。

圖1 鋼筋混凝土摩擦阻尼器構造示示意圖

1.2 理論分析

阻尼器中混凝土強度為C40，彈簧尺寸規格為：外徑100 mm，直徑18 mm，高200 mm，豎向剛度為128.48 N/mm。混凝土間摩擦因數利用圖2所示裝置測量，試驗中彈簧壓縮量為30 mm，經測量得動摩擦因數s=0.55，靜摩擦因數j=0.59。

圖2 混凝土摩擦因數測量圖

摩擦阻尼器的力學模型見圖3，相應的單質點系動力方程為：

圖3 力學模型

Fig. 3 Mechanical model

圖4 摩擦阻尼器滯回曲線

摩擦阻尼器滯回曲線見圖4所示。根據阻尼器工作原理，當阻尼器受外荷載作用時，此時可假定存在一微小速度，當滑移速度小于時阻尼力為靜摩擦力，阻尼器處于非滑動狀態(段)，其相當于一個彈性支撐，提高隔震層初始剛度。當滑移速度大于時阻尼力為動摩擦力，阻尼器處于滑動狀態(段)，混凝土塊產生摩擦力從而達到耗能減震作用，圖中點為動靜摩擦臨界點。根據摩擦機理知摩擦阻尼力的大小與摩擦面的摩擦因數以及作用在下部混凝土塊上的彈簧預緊力有關，結合圖4可得摩擦阻尼力表達式如下：

令：

對式(3)整理可得：

式(5)微分方程通解為：

圖5 摩擦阻尼自由振動響應曲線

Fig. 5 Friction damping free vibration response curve

2 隔震層位移試驗研究

在振動臺試驗時采集的加速度記錄存在零點漂移以及試驗過程中夾雜的噪聲和干擾信號等的影響，對其進行二次積分后所得位移可能完全失真。故作者采用圖6所示簡易裝置測量豎向鋼筋端部應變與隔震墩上下墩相對位移，通過對位移和應變進行標定來求得振動臺試驗時隔震層的相對位移。振動臺試驗時上部質量塊重2.5 t，按7度設防烈度設計時需4個隔震墩，共16根直徑為8 mm的HRB400級隔震鋼筋，自由長度為250 mm。根據鋼筋材性試驗得其屈服強度約為469 MPa，在設計時考慮鋼筋強度的同時也避免動力彈塑性失穩現象的發生[16?17]。

圖6 標定裝置示意圖

單位：mm

圖9 應變-位移曲線

對于有側移的單層單跨框架，梁柱線剛度比越大對二階效應影響越小。隔震單元可等效為橫梁剛度為無窮大的單層單跨框架進行計算。二階效應影響系數[17]按式(8)計算，式中：為單根隔震鋼筋所受豎向荷載；為隔震鋼筋自由長度；為隔震鋼筋彈性模量；為圓形截面極慣性距。故豎向荷載作用下水平相對位移計算式見式(9)。

3 帶阻尼器復合隔震層振動臺試驗

3.1 試驗概況

試驗模型示意圖見圖10，隔震墩與阻尼器位于振動臺四角與中間位置。試驗過程中利用拾振器記錄臺面和質量塊頂部加速度，隔震鋼筋端部應變由動態信號采集儀記錄，結合式(9)計算隔震層相對位移。

圖10 隔震層振動臺試驗模型示意圖

3.2 試驗方案及工況

試驗為研究鋼筋混凝土摩擦阻尼器對結構動力反應的影響，設計2組方案如下。

方案1(F1)：隔震層采用4個隔震墩隔震。

方案2(F2)：隔震層采用4個隔震墩和1個鋼筋混凝土摩擦阻尼器。

試驗選擇1940年EL Centro波(S-N)和1952年Taft波(N21E)作為模擬地震振動臺臺面輸入波。試驗參數和工況如表1所示。

3.3 試驗結果與分析

為分析不同工況下隔震層的加速度和位移反應，定義加速度折減系數為：

式中：1為臺面輸入加速度峰值；2為隔震輸出加速度峰值。

表1 試驗工況表

注：表中0.1EL-F1表示：臺面輸入加速度峰值為0.1，輸入波形為EL-Centro波，F1表示試驗方案1，其他代號依次類推

3.3.1 彈簧合理壓縮量的選取

試驗為研究不同彈簧壓縮量時復合隔震層的隔震效果，在EL-Centro波和Taft波作用下調節彈簧壓縮量為5，10，15，20，25，30，35和40 mm。限于篇幅僅列出臺面輸入加速度峰值為0.3時的加速度折減系數及應變和隔震層相對位移，其中位移由式(9)計算。試驗及計算結果見表2。

表2 彈簧壓縮量對應的加速度折減系數及峰值位移匯總表

由表2及圖11可知，改變彈簧壓縮量對隔震體系影響十分顯著，隨著彈簧壓縮量的增大加速度折減系數呈現先減小后增大的趨勢，增大原因在于隨著彈簧壓縮量過大提高了隔震層水平剛度，上部結構加速度響應增大減震效果降低。同時由于阻尼器的存在使得隔震層相對位移明顯減小，提高隔震體系的安全性。

依據加速度折減系數較小且位移衰減比較明顯的原則，調節彈簧壓縮量為25 mm時，在臺面輸入加速度峰值為0.3時，復合隔震層隔震效果較好，加速度峰值平均衰減了64.5%，最大相對位移平均衰減43.89%。當彈簧壓縮量越大時，盡管隔震層最大相對位移顯著降低，但這是以增加上部結構加速度響應為代價的。

圖11 彈簧壓縮量對應加速度折減系數及峰值位移關系

圖12 不同臺面加速度峰值對應的彈簧合理壓縮量

根據加速度折減系數較小，位移衰減比較明顯的原則，在臺面加速度峰值為0.1，0.2，0.3和0.4時，EL-Centro波和Taft波的彈簧合理壓縮量見圖12。

由圖12可知，在不同地震波與地震烈度下，彈簧的合理壓縮量不同，隨著臺面加速度峰值的增大，合理壓縮量呈逐步遞增的趨勢。同時彈簧合理壓縮量的選取與彈簧豎向剛度有關，阻尼器在工作時依靠混凝土塊間的摩擦產生阻尼力，該阻尼力是通過彈簧預緊力來改變，當彈簧豎向剛度發生改變時，壓縮量必然隨之改變，本次振動臺試驗中彈簧豎向剛度為定值，故對豎向剛度的影響不再贅述。

3.3.2 復合隔震層加速度及位移反應分析

控制彈簧壓縮量為25 mm時，試驗所得加速度及位移結果見表3所示。表中應力由應變換算得來，進入塑性認為應力等于屈服強度。

表3 峰值加速度及位移結果匯總表

1) 隔震層加速度反應分析

由表3可知，不同工況下加速度折減系數整體隨臺面輸入加速度幅值的增大呈逐漸減小的趨勢。當彈簧壓縮量為25 mm時，加速度折減系數在0.34~0.43之間，較隔震墩單獨隔震時，復合隔震層隔震時盡管隔震層剛度增大，但由于摩擦阻尼器的存在使得上部加速度反而減小。隔震體系在臺面輸入波為0.3EL時的加速度時程曲線見圖13，在加速度峰值處，隔震輸出加速度衰減程度越高，隔震效果越明顯。

圖13 臺面輸入加速度與隔震層輸出加速度時程曲線

圖14 臺面輸入最大加速度與隔震層輸出位移關系圖

2) 隔震層位移反應分析

不同工況下臺面輸入最大加速度與隔震層最大相對位移見圖14，由表3和圖14可知，隔震層相對位移隨加速度幅值的增大而增大，且上升趨勢逐漸變緩。較隔震墩單獨隔震時，復合隔震層隔震時最大相對位移削弱幅度在43.02%~47.35%之間，限位效果顯著。

4 結論

1) 彈簧合理壓縮量的選取與地震波、地震烈度有關，隨臺面輸入加速度峰值的增大，彈簧合理壓縮量呈逐步遞增的趨勢。在實際工程中如何選取彈簧壓縮量來提高隔震效果還需進行大量試驗研究。

2) 對彈簧壓縮量為25 mm時復合隔震層的隔震效果進行了分析，上部結構加速度折減系數最低可降至0.34，隔震層位移最大可衰減47.35%。較隔震墩單獨隔震時，復合隔震層在顯著降低最大相對位移的同時，對上部結構的加速度亦有一定的衰減作用。

3) 鋼筋混凝土摩擦阻尼器利用高阻尼特性的摩擦消能機制與鋼筋瀝青隔震墩復合使用時能顯著降低隔震層相對位移且有助于減小上部結構的加速度，在實際使用時填充瀝青油膏以防止彈簧銹蝕，耐久性好，施工簡便，造價低廉，取材容易，是一種實用型耗能減震裝置，應用前景廣泛。

[1] Karayel V, Yuksel E, Gokce T, et al. Spring tube braces for seismic isolation of buildings[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2017, 16(1): 219?231.

[2] SHI Zhifei, CHENG Zhibao, XIANG Hongjun. Seismic isolation foundations with effective attenuation zones[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2014(57): 143?151.

[3] MA Chao, LU Dechuna, DU Xiulia. Seismic performance upgrading for underground structures by introducing sliding isolation bearings[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2018, 4(74): 1?9.

[4] 楊巧榮, 孔令祥, 郭彥, 等. 位移放大型油阻尼器減震結構減震效應分析[J]. 地震工程與工程振動, 2017, 37(1): 48?55. YANG Qiaorong, KONG Lingxiang, GUO Yan, et al. Vibration reduction effect analysis of building structure equipped with displacement amplification oil damper[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2017, 37(1): 48?55.

[5] 周海俊, 孫利民. 附加雙線性油阻尼器斜拉索的阻尼特性研究[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(3): 1?4+33+200. ZHOU Haijun, SUN Limin. Damping of taut cable with attached bilinear viscous damper[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(3): 1?4+33+200.

[6] Kumagai H, Shimazaki K, Hayashi S. Coupling beam dampers with low yield point steel Part 1: Experimental study on coupling beams with steel dampers in mid-span [J]. Journal of Structural and Construction Engineering, Transaction of AIJ, 2009, 74(638): 755?763.

[7] WANG T, GUO X, HE X K, et al. Experimental study on replaceable hybrid coupling beams[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012(166/167/168/169): 1779? 1784.

[8] Constantin C, Michaeal M. Viscoelastic coupling dampers (VCDs) for enhanced wind and seismic performance of high-rise buildings[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2013, 42(15): 2217?2233.

[9] 張延慶, 楊慶麗, 高向宇. 帶有復合摩擦阻尼系統的基礎隔震結構分析[J]. 吉林大學學報(地球科學版), 2013, 43(3): 908?913. ZHANG Yanqing, YANG Qingli, GAO Xiangyu. Analysis of base is dated structure with composite friction damping stystem[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2013, 43(3): 908?913.

[10] 歐進萍, 楊飏. 壓電-T型變摩擦阻尼器及其性能試驗與分析[J]. 地震工程與工程振動, 2003, 23(4): 171?177. OU Jinping, YANG Yang. Piezoelectric-T shape variable friction damper and its performance tests and analysis[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2003, 23(4): 171?177.

[11] 薛素鐸, 王利, 莊鵬. 一種SMA復合摩擦阻尼器的設計與性能研究[J]. 世界地震工程, 2006, 22(2): 1?6. XUE Suduo, WANG Li, ZHUANG Peng. Design and performance study of a SMA incorporated friction damper[J]. World Earthquake Eegineering, 2006, 22(2): 1?6.

[12] 吳斌, 張紀剛, 歐進萍. Pall型摩擦阻尼器的試驗研究與數值分析[J]. 建筑結構學報, 2003, 24(2): 7?13. WU Bin, ZHANG Jigang, OU Jinping. Experimental research and numerical analysis of pall-typed frictional dampers[J]. Journal of Building Structures, 2003, 24(2): 7?13.

[13] 張文芳, 程文瀼. 基礎隔震結構設置摩擦阻尼器的地震反應研究[J]. 土木工程學報, 2001, 34(5): 1?9. ZHANG Wenfang, CHENG Wenrang. A model for seismic response of base-isolated structures with friction dampers[J]. China Civil Engineering Journal, 2001, 34(5): 1?9.

[14] Kim H J, Christopoulos C. Friction damped post- tensioned self-centering steel moment-resisting frames[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 2008, 134(11): 1768?1779．

[15] 尚守平, 郜志遠, 朱博聞, 等. 復合隔震墩隔震性能的振動臺試驗研究[J]. 地震工程與工程振動, 2011, 31(6): 117?122. SHANG Shouping, GAO Zhiyuan, ZHU Bowen, et al. Research on isolation properties of composite isolation pier by shaking table test[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2011, 31(6): 117?122.

[16] 尚守平, 周志錦, 劉可, 等. 一種鋼筋?瀝青復合隔震層的性能[J]. 鐵道科學與工程學報, 2009, 6(3): 13?16. SHANG Shouping, ZHOU Zhijin, LIU Ke, et al. The research on the steel-asphalt isolation layer[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2009, 6(3): 13?16.

[17] 尚守平, 楊龍. 鋼筋瀝青隔震層位移控制研究[J]. 土木工程學報, 2015, 48(2): 26?33. SHANG Shouping, YANG Long. Research on displacement control of steel-asphalt Isolation layer[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(2): 26?33.

[18] 呂西林, 金國芳, 吳曉涵. 鋼筋混凝土結構非線性有限元理論與應用[M]. 上海: 同濟大學出版社, 1997. Lü Xilin, JIN Guofang, WU Xiaohan. Nonlinear finite element theory and application of reinforced concretestructure[M]. Shanghai: Tongji University Press, 1997.

Application of reinforced concrete friction damper in seismic isolation layer

SHANG Shouping, LIU Chao

(School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Aiming at the problem of large relative displacement of the seismic isolation layer during the base isolation, a reinforced concrete friction damper is proposed and combined with the reinforced concrete isolation base to form a new composite isolation layer. In order to study the influence of the RC damper on the dynamic response of the superstructure and the maximum horizontal displacement of the isolation structure, the shaking table test was performed on the two conditions of friction damper and frictionless damper. The test results show that the seismic waves of different intensity have different compression springs. When the input peak acceleration is 0.3, the compression of the spring is about 25 mm. When the composite isolation layer is isolated, the acceleration peak of the superstructure can be attenuated up to 66%. Compared with the isolation of the isolation base, the relative displacement of the isolation layer can be reduced by more than 40%. It shows that the reinforced concrete friction damper can attenuate the acceleration of the superstructure and reduce the relative displacement of the isolation layer effectively, which can reduce the dynamic response of the structure more completely.

reinforced asphalt isolation; friction damper; shaking table test; relative displacement

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.021

TU352；P315.92

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0720 ? 09

2018?03?15

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2015BAL03B01)

尚守平(1953?)，男，山東黃縣人，教授，博士，從事土?結構相互作用、結構抗震和加固研究；E?mail：sps@hnu.edu.cn

(編輯 蔣學東)