MR 支座在網(wǎng)架隔震減振中的應(yīng)用研究

李潤璞

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210024）

隔震減振技術(shù)針對特定頻率范圍的地震作用具有良好的隔震效果，但對于地震多發(fā)地區(qū)頻率成分寬泛的地震作用時(shí)，其隔震效果欠佳，如長周期大位移的近場地震作用下，隔震層可能發(fā)生過度的層間側(cè)移而失效，而遠(yuǎn)場地震中的低頻成分能夠引起隔震層共振，反而增大結(jié)構(gòu)物的地震響應(yīng)。MR 隔震減振支座提供了一種能夠同時(shí)應(yīng)對上述工況的隔震減振方案。研究表明，剛度和阻尼同時(shí)可調(diào)的隔震減振方案比僅剛度或僅阻尼的裝置更加有效。Sun 等[1]設(shè)計(jì)了一種磁流變彈性體和磁流變液共同出力的減振裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種MRE-F 隔振器具有明顯的可變阻尼和剛度特性。Greiner-Petter 等[2]設(shè)計(jì)了磁流變液和彈簧組合的減振裝置。考慮磁流變液鐵粉沉降和密封性不佳等原因，本文MR 隔震減振支座采用磁流變膠MRG 克服了這一不足，并實(shí)現(xiàn)了可變阻尼和剛度特性。

齊齊哈爾體育館屋頂坍塌事故主要原因是使用期間的荷載條件惡化[3]。實(shí)際上，鐵路客運(yùn)站房[4]、體育館[5]、水電站廠房等大跨度混合結(jié)構(gòu)的公共建筑，由于鞭梢效應(yīng)，網(wǎng)架屋面在動力作用下網(wǎng)架及支座更容易遭到破壞。水電站廠房上部結(jié)構(gòu)廠房和下部壩體剛度相差巨大，水電站運(yùn)行時(shí)水流脈動壓力荷載引起的小位移和地震荷載引起的大位移需要一款能夠同時(shí)滿足大位移工況和小位移工況的隔震減振支座。本文介紹了自主研發(fā)的一款具備雙工作模式可變剛度可變阻尼的MR 隔震減振支座，并選取水電站廠房及其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，研究了其在大位移工況和小位移工況的隔震減振支座性能。

1 MR 隔震減振支座

基于授權(quán)國家發(fā)明專利[6]重新設(shè)計(jì)加工了一種MR隔震減振支座，該裝置包括工作單元Ⅰ和工作單元Ⅱ，分別為小位移工況和大位移工況提供剛度和阻尼。其中，工作單元Ⅰ（MRG 塑性體）能夠?qū)崿F(xiàn)隔震目標(biāo)結(jié)構(gòu)物在小位移時(shí)的減振效果，且工作單元Ⅱ（MRE 彈性體）可以有效限制目標(biāo)結(jié)構(gòu)物大位移振動，可適用于震動荷載工況復(fù)雜多變，需嚴(yán)格控制大位移變形的隔震結(jié)構(gòu)物，其較大的剛度可控特性亦適用于改善隔震結(jié)構(gòu)物的扭轉(zhuǎn)變形[7]。MR 隔震減振支座及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示。

圖2 MR 隔震減振支座結(jié)構(gòu)示意圖

MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ的阻尼力可以表示為[8]式中：η 是磁流變材料MRG 的動力黏度，N·s/m2；Ap是MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ中MRG 磁流變材料的有效工作面積，mm2；h是MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ中MRG 磁流變材料的工作間隙，mm；γ˙是磁流變材料MRG 的應(yīng)變率；τγ是磁流變材料MRG 的剪切屈服強(qiáng)度，Pa。

MR 隔震減振支座的工作單元Ⅰ的阻尼力可以表示為

式中：E是磁流變材料MRE 的彈性模量；D是疊層層間相對位移，mm；Ar是MRE 疊層面積，mm2；Tr是疊層MRE 的總厚度，mm；μ0是真空磁導(dǎo)率；μr是MRE 的相對磁導(dǎo)率；H是外置磁場強(qiáng)度，T；r是MRE 中鐵磁顆粒平均粒徑，mm；S是MRE 中鐵磁顆粒平均中心距，mm。

2 工程概況及計(jì)算模型

該水電站廠房的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式為平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用正放四角錐的網(wǎng)格形式，節(jié)點(diǎn)為螺栓球形式，網(wǎng)架建筑面積約為7 555.85 m2。網(wǎng)架采用結(jié)構(gòu)找坡，上鋪C型薄壁檁條及復(fù)合壓型鋁板，局部為“5+5”夾膠玻璃采光帶。網(wǎng)架支撐面相對廠房地面高差為26 m。現(xiàn)場屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場網(wǎng)架及螺栓球照片

網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)為空間鉸接點(diǎn)，桿件只承受軸力，忽略節(jié)點(diǎn)剛度的影響，質(zhì)量和荷載都集中在各節(jié)點(diǎn)上；在桿件上作用有外部荷載時(shí)要等效地轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載。廠房網(wǎng)架計(jì)算模型及其前三階振型如圖4 所示，廠房網(wǎng)架的前三階頻率分別為3.29、4.45 和5.55 Hz。根據(jù)07SG531《鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集）要求鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取2%，本小節(jié)網(wǎng)架計(jì)算中采用瑞利阻尼比假定，一階振型阻尼比取1.9%，二階振型阻尼比取2%。

圖4 廠房網(wǎng)架整體網(wǎng)架模型及其前三階振型

3 振動荷載的選擇及施加

水電站正常運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某編號發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)，廠房鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋面有劇烈振動現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作業(yè)安全。現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)廠房屋頂網(wǎng)架在某蓄水水位的振動響應(yīng)最大，故這里以此工況發(fā)電站廠房混凝土墻頂實(shí)測振動數(shù)據(jù)作為振動激勵荷載對該網(wǎng)架進(jìn)行動力響應(yīng)分析。圖5 為現(xiàn)場測試的水平x向（橫河向）、水平y(tǒng)向（順河向）以及垂直z向（垂直向）振動時(shí)程曲線。考慮到網(wǎng)架振動傳遞路徑，分析過程以廠房墻體及排架柱頂部的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)作為振源，采用新型MR 隔震減振支座作為隔震層。

圖5 發(fā)電站廠房墻頂3 個(gè)方向現(xiàn)場實(shí)測速度時(shí)程曲線

為驗(yàn)證該MR 支座地震條件下的隔震減振性能，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，選取汶川8.0 級地震主震臺站強(qiáng)震記錄的波形作為地震波輸入如圖6 所示，此波形功率譜密度最大幅值對應(yīng)的頻率為3.5 Hz，比較接近廠房網(wǎng)架的一階頻率。

圖6 汶川地震地震波記錄及其功率譜密度

鑒于本次數(shù)值試驗(yàn)選取墻頂現(xiàn)場實(shí)測速度時(shí)程作為激勵荷載，新型MR 隔震減振支座共設(shè)置32 個(gè)，分別位于下弦桿與墻頂交接處的支座節(jié)點(diǎn)位置，新型MR 隔震減振支座在網(wǎng)架中的相對位置如圖7 中黑色實(shí)心圓點(diǎn)所示。網(wǎng)架振動分析是典型的多維多點(diǎn)振動激勵條件下的動力響應(yīng)分析。

圖7 新型MR 隔震減振支座的相對位置示意圖

4 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

水電站廠房網(wǎng)架為兩邊支承，應(yīng)重點(diǎn)考核網(wǎng)架自由端以及中心點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的豎向位移和加速度。現(xiàn)場測試點(diǎn)位（1#、2#、3#）下弦布置圖如圖7 中黑色空心方形所示。

發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)廠房墻頂振動激勵下，水電站廠房網(wǎng)架中心點(diǎn)下弦桿處2#點(diǎn)位的振動位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)分別如圖8 所示。

圖8 泄水工況激勵條件下網(wǎng)架中心點(diǎn)2#的振動響應(yīng)

各測點(diǎn)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、技術(shù)仿真數(shù)據(jù)以及在支座處添加新型MR 隔震減振支座后的控制效果數(shù)據(jù)，見表1。從表1 數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算仿真結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明計(jì)算模型參數(shù)選取合適。以該模型計(jì)算得到MR 支座隔震減振的層間側(cè)移為2.80 mm，層間加速度為0.64 m/s2。

表1 各測點(diǎn)振動響應(yīng)最大值匯總表

為了驗(yàn)證新型MR 隔震減振支座在大位移工況下的隔震減振性能，該水電站廠房在強(qiáng)震激勵條件下的隔震減振性能。在汶川地震波激勵下，水電站廠房網(wǎng)架中心點(diǎn)下弦桿處的豎向及順河向振動位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)分別如圖9 所示。各測點(diǎn)振動響應(yīng)見表2。以該模型計(jì)算得到MR 支座隔震減振的層間側(cè)移33.08 mm，介于網(wǎng)架橡膠支座技術(shù)性能及參數(shù)要求20~50 mm，層間加速度為10.99 m/s2，滿足規(guī)范要求[9]。

表2 各測點(diǎn)振動響應(yīng)匯總表

圖9 強(qiáng)震工況激勵條件下網(wǎng)架中心點(diǎn)2#的振動響應(yīng)

5 結(jié)論

本文以現(xiàn)場測試振動數(shù)據(jù)修正網(wǎng)架計(jì)算模型，并以該模型為基礎(chǔ)，分別計(jì)算了發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)廠房墻頂振動激勵（小位移）和汶川地震波激勵（大位移）情況下，MR 隔震減振支座對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)隔震減振效果，得到如下結(jié)論。

1）計(jì)算仿真的豎向位移響應(yīng)和豎向加速度響應(yīng)數(shù)量級相當(dāng)，3 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的最大誤差為17%，表明計(jì)算模型能夠反映水電廠房網(wǎng)架在發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)廠房墻頂振動激勵條件下的響應(yīng)特征。

2）水電站廠房網(wǎng)架的計(jì)算模型能夠反映網(wǎng)架在實(shí)際工作時(shí)的振動情況，新型MR 隔震減振支座能夠有效降低網(wǎng)架的側(cè)向位移，有效地降低了網(wǎng)架在發(fā)電機(jī)組正常工作和泄洪沖沙孔泄水時(shí)的振動。

3）強(qiáng)震條件下，各測點(diǎn)的順河向位移響應(yīng)以及順河向加速度響應(yīng)的最大隔震減振效果分別為56.24%和80.69%，控制效果明顯；而各測點(diǎn)的豎向位移響應(yīng)以及豎向加速度響應(yīng)的隔震減振效果分別為21.74%和5.78%，有一定的控制效果。