不同爆炸冲击震动输入对整体隔震系统隔震效果的影响*

杜建国,谢清粮,冯进技,李利莎

(总参谋部工程兵科研三所,河南 洛阳471023)

1 引 言

爆炸冲击条件下防护结构的隔震形式主要有地板隔震和整体隔震2 种。随着对隔震效果的要求不断提高,整体隔震成为新时期工程震动防护发展的必然趋势[1]。同时,钢丝绳隔震器的非线性软刚度特性能够有效地隔离爆炸冲击震动[2],本文中采用已获得国家实用新型专利技术的鼓形非线性钢丝绳隔震器[3]对2 层钢框架结构进行整体隔震。隔震系统的形式对隔震效果起着至关重要的作用,但是一旦隔震系统已经确定,另一个影响隔震效果的重要因素就是震动输入了。爆炸冲击震动受到爆炸冲击能量大小、传播介质等因素的影响,具有不同的信号特征,在幅值、持时、频谱、能量等方面有着较大的区别。为了充分认识已经确立的隔震系统,以便进一步改进隔震系统来提高隔震效果,有必要通过输入不同震动信号,来研究不同的震动输入对整体隔震系统隔震效果的影响。本文中主要分析输入信号的主脉宽和幅值对整体隔震结构的隔震率的影响。由于不同环境中的实测震动信号千差万别,并且会夹杂很多并不需要的信号,如噪声等[4],使得信号频谱复杂,不利于准确把握信号特性。为此,本文中将采用形式统一的震动信号作为输入。

2 整体隔震系统简介

整体隔震结构为2 层全钢框架结构,每层净高3.9 m,总高度7.832 m,水平方向幅员为6 m×4 m,结构顶板、楼板、底板厚度分别为8、12、12 mm,侧墙厚8 mm。结构设计上采用钢板与槽钢组合形式,钢板模拟结构底板、楼板、顶板及侧墙等,槽钢则模拟结构承重柱。为了加强大面积钢板抵抗弯曲变形的能力,在矩形钢板的2 条中心对称轴处增加槽钢来提高其整体刚度。在结构底部布置了8 个与地面连接的隔震器,侧向布置了12 个与固定于地面的刚性侧支架连接的隔震器(见图1)。定义沿结构水平长轴方向为x 向,水平短轴方向为y 向,竖向为z 向。

采用已获得国家实用新型专利技术的YGG-24 kN 型鼓形非线性钢丝绳隔震器作为隔震耗能元件,其主要参数如下[3,5]:额定负载24 kN,自由高度340 mm,钢丝绳24 股,钢丝绳绳径22 mm,每股钢丝绳长330 mm,每股钢丝绳自由段长310 mm,上下夹板之间静空距210 mm。

隔震器实物照片及其径向和侧向静力刚度曲线分别如图2 和图3 所示,从图3 可以看出其径向曲线具有非线性软刚度特性。

图1 整体隔震结构俯视和侧视图Fig.1 Planform and side elevation of the entire shock isolation installation

图2 YGG-24 kN 型隔震器Fig.2 Steel wire rope shock isolator of YGG-24 kN types

图3 YGG-24 kN 型隔震器的径向和侧向静力刚度曲线Fig.3 Radial and lateral static stiffness curves of YGG-24 kN types shock isolator

3 爆炸冲击信号统一形式的确定

根据爆炸冲击信号的波形及反应谱特性,爆炸冲击信号可等效为半正弦脉冲进行工程震动效应研究[6]。同时考虑到震动结束后介质的加速度和速度为0 的原则,选取如图4 所示的带有负向加速度的2 个半正弦脉冲作为输入。其数学表达式为

式中:a+max、a-max分别表示正向、负向冲击震动加速度的峰值,均取正值分别代表正向脉冲作用时间、脉冲作用时间,其中正向脉冲作用时间也称主脉宽。,选取不同的β,根据震动结束后速度为0的原则,由t1可确定t2。特殊情况下,若β=0,则该波形简化为冲击反应谱中经常采用的半正弦脉冲[6]。本文中取β=0.5,则

图4 爆炸冲击信号统一形式Fig.4 Uniform form of explosion or shock signals

4 数值计算结果及分析

根据对各种爆炸冲击信号的认识以及研究内容的需要,确定具有代表性的信号主脉宽t1 和加速度峰值的范围。计算时t1 分别取10、20、30、40 ms分别取100、200、300、400、600、800、1 000 m/s2,共组合成28 个炮次。每个炮次从地面沿3 个方向同时输入冲击信号。表1 中给出了每个炮次输入加速度的峰值与主脉宽的组合情况。通过有限元数值计算可得到各个输入炮次时结构3 个参考点(底板中心、楼板中心、顶板中心)的响应。

隔震率是体现隔震效果的重要参数,隔震率通过输入脉冲峰值与输出响应峰值之差再除以输入脉冲峰值计算得到[7]。本文的主要研究内容就是通过分析输入不同主脉宽和峰值的加速度信号对隔震率的影响来研究不同震动输入对整体隔震系统隔震效果的影响。设输入加速度信号的主脉宽t1、脉冲峰值与隔震率η之间存在如下关系

对等式两边同时取自然对数[8],得到

对每个参考点各取出计算结果较好的20 个炮次数据进行多元回归,可以求得。多元回归中的因变量为lnη,自变量为lnt1和lna+max。多元回归的结果与误差分析分别如表2 和表3 ～5 所示,表中η表示隔震率,下标x、y、z 分别表示x、y、z 方向,下标c、f 分别表示有限元计算值和拟合值。

表1 每个输入炮次的加速度峰值与主脉宽组合情况Table 1 Acceleration peak values and primary pulse durations of all the input signals

表2 多元回归结果Table 2 Results of multiple regression analysis

从表3 ～5 中列出的有限元计算的隔震率首先可以看出,此隔震系统总体来说具有较好的隔震效果,除了个别组合的z 向隔震率较低以外,其余情况隔震率都能达到80%,并且大部分超过90%。从回归数据的相关系数和误差分析中可以看出,由拟合公式预测的隔震率绝大部分误差很小,最大为10%左右,说明该公式能够较好地反映该隔震系统的隔震率与输入理想冲击信号的加速度主脉宽和峰值之间存在的内在关系。顶板、楼板所得数据要比底板所得数据规律性强,这说明底板的震动比顶板、楼板的震动随机性大,原因为底板首先承受到隔震器传来的地震动,经结构自身过滤后才传给了楼板和顶板。x 向、y 向所得数据要比z 向所得数据规律性强,说明z 向的震动比x 向、y 向的震动随机性大,原因为各层楼板的z 向刚度比x 向和y 向刚度要小很多。

表3 底板中心3 个方向隔震率多元回归误差分析Table 3 Error analysis of multiple regression in three directions of the subfloor

表4 楼板中心3 个方向隔震率多元回归误差分析Table 4 Error analysis of multiple regression in three directions of the middle floor

表5 顶板中心3 个方向隔震率多元回归误差分析Table 5 Error analysis of multiple regression in three directions of the top floor

为了使结果更直观,便于研究主脉宽与幅值对隔震率影响规律,下面用M atlab 绘出反映3 个参数之间关系的三维图形。

图5 为原型结构各参考点隔震率与输入加速度主脉宽和幅值的关系,从图中可以看出,输入信号的主脉宽对各层各向的隔震率的影响规律相同,随着主脉宽的增加,隔震率逐渐降低,其中z 向降低得更快一些。输入信号的加速度幅值对隔震率的影响不尽相同,其中对底板3 向、楼板z 向和顶板z 向的影响较大。对于底板中心x 向、y 向和楼板中心x 向,隔震率随幅值的增加而降低,而其余的则随幅值的增加而增加,但幅度都很小。必须指出,输入加速度信号的幅值和主脉冲宽度的乘积为速度的量纲,反映的是信号所蕴含的能量,上述研究得出的有关公式,实质上反映的就是输入加速度信号所含能量对该种整体隔震系统隔震效果的影响规律。之所以出现相同参数得出不同影响规律的情况,主要原因在于该种钢丝绳隔震器具有非线性软刚度特性。当输入能量较小时,隔震器振幅较小,钢丝绳弯曲变形,而钢丝绳各股之间靠摩擦力拧在一起,不发生滑移,具有较大的初始刚度,大部分的输入能量直接被传递给了上部结构,所以隔震效果不好;当输入能量逐渐增大,钢丝绳各股之间克服摩擦力发生滑移,使隔震器刚度变小,大部分的输入能量被各股钢丝绳之间的干摩擦阻尼吸收耗散,隔震率显著提高;当输入能量增大到一定程度时,隔震器振幅继续增大,以至于钢丝绳出现散股状态而失去摩擦力,从而隔震效果又变得不好。所以,对于这种基于钢丝绳隔震器的整体隔震系统存在一个与之相适应的对输入能量的储存、耗散范围。

图5 原型结构各参考点隔震率与输入加速度主脉宽和幅值的关系Fig.5 The relationships of the primary pulse durations and peak values at the reference points of the archetypal st ructure

5 结 论

从计算结果可以证实,采用鼓形非线性钢丝绳隔震器对结构进行整体隔震,可以获得良好的隔离效果,绝大多数情况下隔震率可超过80%。其中结构各层楼板z 向隔震率相对较低,进行隔震效果评估时可以作为一个控制参数。隔震系统的隔震率与输入信号主脉冲的幅值和脉宽之间存在内在相关性,可以得到一个有相当可信度的拟合公式。特定的隔震系统会对某一特定区域内的输入信号具有最佳隔震效果,而对远离该区域的输入信号其隔震能力将会有所下降。

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[2] 周强.钢丝绳隔振器的非线性特性及应用[J].噪声与振动控制,1994,14(4):8-11.

[3] 李伯松,贺永胜,杜馗,等.鼓形斜夹式钢丝绳隔震器:中国, ZL 02 2 67872.7[P/OL].2002.http:∥search.sipo.gov.cn/sipo/zljs/hyjs-yx-new.jsp?recid=CN02267872.7&leixin=syxx&title=鼓形斜夹式钢丝绳隔震器&ipc=E04B1/98.

[4] 付燕.人工地震信号去噪方法研究[D].西安:西北工业大学,2002.

[5] 冯进技,楼梦麟,贺永胜.鼓形钢丝绳隔震器参数识别[J].防护工程,2007,29(5):10-12.

[6] 杜建国,张洪海,谢清粮.基于反应谱分析的爆炸冲击信号的半正弦脉冲等效[J].防护工程,2009,31(1):11-14.DU Jian-guo, ZH ANG Hong-hai and XIE Qing-liang.Half-sine pulse equivalent of the explosion and shock signals based on the response spectrum analysis[J].Protective Engineering,2009,31(1):11-14.

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