大行程墻式鉛剪切阻尼器試驗研究和工程計算

劉 敏，杜富強

(1.江西新余鋼鐵集團有限公司制造管理部,江西 新余 338001; 2.中冶檢測認證有限公司,北京 100088)

0 引言

近年來,隨著我國建造水平和建筑使用需求的提高,對大型公用建筑結構抵御地震和強風等自然災害的要求也越來越高,這就要求我們進一步提升結構的抗震減震水平[1-6]。目前工程界常通過附加消能減震設備的方式提升結構的抗震性能。其中消能減震設備包括：消能支撐、消能墻、消能節點等[7-11]。目前工程中常見的耗能裝置分為位移相關型和速度相關型兩類,其中位移相關型阻尼器包括：摩擦阻尼器(friction dampers)和金屬阻尼器(metallic dampers)[12]。由于鉛金屬具有良好的塑性變形能力,在室溫狀態下即可實現塑性變形,經過回復和再結晶過程,應變硬化消失且不再產生殘余應力。因此理論上鉛是一種在常溫下發生塑性循環變形時不產生累計疲勞現象的金屬,非常適宜作為結構消能減震材料。目前,鉛擠壓型阻尼器在工程應用中得到了廣泛的認同[13-20]。但普通鉛剪切阻尼器無法滿足特殊工程的大行程要求,應用受到限制。有鑒于此,本文提出一種大行程墻式鉛剪切阻尼器,并討論該種阻尼器在實際工程結構中應用的前景。

1 阻尼器設計

墻式大行程鉛剪切耗能阻尼器一般布置于結構的隔墻之中,既不影響結構的外觀也不影響其使用功能。本文所設計的阻尼器試驗件如圖1所示,試件由上下蓋板、轉動板、耳板、耗能鉛塊、螺栓、銷釘等部分構成。該種鉛剪切阻尼器由銷釘和螺栓將轉動板與上下蓋板連接,并與外部結構相連。本試驗設計了2種幾何參數不同的阻尼器試件,試件參數如表1所示。

2 試驗設備和加載方案

本試驗的試件采用200TMTS電液伺服作動器進行低周往復加載,加載過程采用位移控制方式,試驗結果通過東華3821靜態應變采集系統進行數據采集,加載過程中采用拉線位移計和力傳感器分別記錄試驗過程中阻尼器的位移值和阻尼力。試驗加載裝置見圖2,加載制度見表2。

表1 試件參數

3 試驗結果分析

試驗所得的滯回曲線如圖3所示。阻尼器試件1鉛槽長寬比l/b=4.5,長厚比l/h=18。由圖3(a)、圖3(b)可知,在90 mm和15 mm行程的情況下,滯回曲線飽滿呈矩形狀,實際阻尼器出力約為600 kN,經換算后單槽的剪切力為200 kN,實際阻尼器在大位移下阻尼器出力衰減較為明顯。試驗結束后試件內部鉛塊損傷如圖4所示,由此可以看出,阻尼器鉛槽端部耗能鉛塊損傷嚴重,中部的鉛塊較為完整。由圖3(c)、圖3(d)可看出,長寬比等于8的阻尼器試件經過試驗得到的滯回曲線呈飽滿的矩形狀,二、四象限阻尼力約為53 t,均達到阻尼器的設計噸位;一、三象限阻尼力約為41 t,相對設計噸位略有衰減。

表2 加載制度

4 工程案例

4.1 工程概況

本工程為新余市某中學宿舍樓,結構主體為框架結構。結構地上總層數為6層,總高度為22.7 m。抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度為0.20g,地震分組取第一組,場地類別為三類,設計地震反應譜特征周期為0.40 s,結構平面如圖5所示,該結構設計時安裝位移型鉛剪切阻尼器,在多遇地震作用下,阻尼器主要作用是給結構提供抗側剛度;罕遇地震作用下,阻尼器先于結構進入屈服狀態,提高結構的阻尼比以減小地震作用下輸入結構的地震能量,從而提高結構的整體抗震性能。采用SAP2000對結構進行多遇和罕遇地震下結構動力特性分析,結構有限元模型如圖5所示。將建立好的有限元模型和PKPM 模型進行周期的檢驗,檢驗結果如表3所示,結果表明計算結果可靠。

表3 減震前結構前6階周期對比 s

4.2 地震波選取

本結構選取2條實際強震記錄和1條人工模擬地震波。根據場地條件選取RSN93和RSN163兩條天然波,根據反應譜對天然波的加速度時程曲線的峰值進行調整,人工波根據場地和抗震設防烈度對應的反應譜進行人工生成。地震波的加速度時程及反應譜曲線如圖6所示。

在上文選取的三條地震波的作用下,對本結構進行多遇地震下的彈性計算,結構基底剪力如圖7所示。通過比較分析可以得到：結構在單條地震波作用下,通過計算所得結構底部剪力的平均值為通過反應譜法計算所得結果的95.27%(X向)及94.29%(Y向),滿足規范對于單條波作用下結構基底剪力的相關要求;多條地震波作用下,根據規范要求計算所得結構底部剪力的平均值不應小于反應譜法計算結果的80%且不大于其數值的120%,通過計算得到結構在多條地震波作用下的基底剪力值也滿足上述規范要求。

4.3 減震方案

在墻式大行程鉛剪切阻尼器的型號進行初步選定后,需要根據本結構的特點及其建筑布局的相關要求進行阻尼器布置。通過反復試算,不斷進行方案優化來最終確定墻式大行程鉛剪切阻尼器的動力參數、位置以及其數量等。經過多次試算優化,宿舍樓中阻尼器布置數量見表4,布置位置如圖8所示。本結構采用阻尼器參數如下：阻尼器的第一剛度：不小于5E6 kN/m;阻尼器的第二剛度：不大于0.02倍的阻尼器的第一剛度;阻尼器屈服力40 t;阻尼器最大行程110 mm。

表4 結構的阻尼器布置數量

4.4 減震性能分析

4.4.1 結構水平變形

多遇地震作用下結構的層間位移角沿高度的分布情況可以比較直觀的反映結構在經歷多遇地震過程中整體變形。經過計算得到結構層間位移角隨高度的變化情況,通過判斷計算所得的層間位移角是否滿足規范所要求的限值,從而得到結構的水平變形情況。對比結果如圖9所示,減震效果如表5所示。

表5 地震波作用下結構層間位移角及減震率匯總

從圖9,表5的分析結果可以看出：安裝墻式大行程鉛剪切阻尼器以后結構各層層間位移角均有所減小,結構X方向層間位移角最大減震率為30.02%,Y方向層間位移角最大減震率為39.67%。

4.4.2 結構地震反應

結構地震反應主要考慮結構在多遇地震作用下結構基底剪力、頂點加速度和頂點位移反應。地震波作用下結構基底剪力見圖10,結構基底剪力最大值及減震率匯總見表6。從圖10,表6可以看出,在多遇地震下,安裝墻式大行程鉛剪切阻尼器后阻尼器承擔了部分水平向剪力,使得結構部分承擔的基底剪力有了不同程度的減小,其中X向結構部分的最大減震率為33.58%,Y向框架部分的最大減震率為44.48%。在罕遇地震下添加阻尼器后,阻尼器承擔了部分水平向剪力,使得結構部分承擔的基底剪力有了不同程度的減小,其中X向結構部分的最大減震率為4.2%,Y向框架部分的最大減震率為-0.17%。

表6 結構基底剪力最大值及減震率匯總

5 結論

為保證墻式大行程鉛剪切阻尼器的耗能穩定性,本文對墻式大行程鉛剪切阻尼器進行了試驗研究,并以此為耗能元件,采用墻式大行程鉛剪切阻尼器作為其耗能部件,利用SAP2000結構分析軟件建立結構分析模型,在多遇地震和罕遇地震作用下分別進行彈性時程分析和彈塑性時程分析,計算分析得到了設置墻式阻尼器前后結構的抗震性能,根據所得結果對此結構進行了抗震性能的評價。通過試驗和分析可以得到：

1)墻式大行程鉛剪切阻尼可滿足不同結構較大行程的需求,構造簡單、安裝方便、不影響結構的建筑外觀。2)為保證墻式大行程鉛剪切阻尼器耗能性能的穩定性,應對阻尼器構件的變形進行控制,避免摩擦力對阻尼器耗能的影響。3)多遇地震作用下,墻式大行程鉛剪切阻尼器主要給結構提供抗側剛度,使得結構層間變形滿足相關規范的要求,罕遇地震作用下,墻式大行程鉛剪切阻尼器先于結構進入屈服狀態,提高結構的阻尼比,減小輸入結構的地震能量,提高了結構的抗震能力。此外,在充分考慮建筑結構的可利用空間的前提下,阻尼器的設置未改變結構受力體系,也未影響建筑美觀和使用功能。