钢弹簧隔振减震装置性能试验及其结构振动控制参数分析

尤咏梅

摘要：近年来，钢弹簧隔振减振装置由钢弹簧隔振器和阻尼缸组成，被用于地铁沿线建筑结构的振动控制。在本文当中，首先，通过压缩剪切性能试验和阻尼耗能试验，对钢弹簧隔振装置中的钢弹簧和阻尼套筒进行垂直和水平测试，确定相关性能参数。接着针对采用钢弹簧隔振减震装置的模型结构，进行了竖向环境激励输入和水平向罕遇地震波输入下的动力反应数值计算，分析不同装置参数对结构振动控制效果的系统影响，研究确定装置中隔振器和阻尼器有效参数的取值范围。研究结果可为钢弹簧隔振减振装置在结构振动控制中的设计和应用提供参考和指导。

关键词：钢弹簧;隔振减震;性能试验

1隔振器压剪性能试验

1.1试验试件组成

为了研究钢弹簧隔振器在压力作用下的水平变形能力，确定钢弹簧隔振器的力学性能参数，对钢弹簧隔振器进行了压缩剪切性能试验。试验对象为由钢弹簧和上下钢盖板组成的钢弹簧隔振器。试验中使用了四个钢弹簧隔震器。分别命名为1#、2#、3#、4#。

1.2试验装置工况

采用垂直加载电液伺服作动器和水平加载电液伺服作动器对试件进行了压缩和剪切性能试验。为了确定钢弹簧隔振器在不同竖向荷载作用下的水平刚度，本次研究设定了十组试验工况，详细工况设定如表1所示，试验中选择位移控制的加载方式使隔振器下蓋板水平往复位移。工况工况为水平向剪切性能试验，位移限值固定，测试隔振器正常工作下的力学性能;工况工况水平向压剪极限试验，加载至钢弹簧隔振器进入屈服阶段，测试隔振器的水平向剪切变形能力。

1.3试验结果分析

（1）竖向弹性阶段

为获得钢弹簧隔振器的竖向刚度，对1#试件按2mm/s速度施加竖向压力，竖向力与变形呈线性关系，经计算钢弹簧隔振器的竖向刚度实测值为4.018kn/nm。

（2）水平向弹性阶段

为获取不同竖向压缩状态下钢弹簧隔振器的水平刚度，做出试验中第三次循环加载前形变的水平变形和剪切力曲线，然后进行线性拟合，计算三个隔振器在不同竖向压缩状态下的平均水平向刚度，不同压缩状态下，钢弹簧隔振器的水平刚度参数如表2所示。

（3）水平向屈服破坏阶段

为研究钢弹簧隔振器的极限压剪性能，试验进行了压剪极限试验，测得四个试件力和位移的滞回曲线，钢弹簧隔振器的水平向形变稳定限值为93.9mm，屈服力为62.21kN;试验中，当钢弹簧隔振器形变量的达到稳定限值后，试件中钢弹簧的边界条件改变，剪切力骤降，钢弹簧隔振器失稳，水平刚度迅速降低，屈服后的水平变形很小，即脆性破坏，说明装置中的钢弹簧隔震器在水平方向上没有耗能能力。

2阻尼器耗能性能试验

2.1试验试件

为研究阻尼筒在循环荷载作用下的耗能能力并确定阻尼筒的力学性能参数，对阻尼筒进行循环加载耗能试验，本次试验对象是由上盖板、桶装阻尼液和阻尼杆组成的油式阻尼筒，在荷载作用下，阻尼杆搅动黏滞阻力较大的阻尼液波动，波动过程中产生阻尼力，从而进行耗能。试件具体尺寸如表3所示。

2.2试验装置及工况

由一台电液伺服作动器进行竖向阻尼试验，一台电液伺服作动器进行水平向阻尼试验。为了研究加载频率和加载幅值对阻尼筒性能的影响，设定不同加载幅值和加载频率的竖向阻尼试验工况以及水平向阻尼试验工况。

2.3试验结果分析

（1）滞回曲线分析

结果表明，该阻尼缸具有良好的耗能能力，竖向、水平位移和力滞回曲线饱满。从速度和力的滞回曲线的形状，可以将阻尼缸定义为数值模拟中的线性阻尼元件。

（2）参数分析

为分析加载频率和加载幅值对阻尼筒性能的影响，选取循环加载第三周期的试验数据，根据式（1）计算各工况下阻尼筒的阻尼系数。式中是第三次加载循环力与位移滞回曲线的面积，是阻尼筒的阻尼系数，L是试验加载幅值，f是试验加载频率。

图1表现出阻尼筒的竖向阻尼系数与加载频率、加载幅值的关系，图1（a）表示当加载频率大于等于3Hz时，阻尼筒的阻尼系数随着加载频率的增大而减小;图1（b）表示当试验加载幅值大于等于5mm时，阻尼系数随着加载幅值的增大而减小。分析其原因，试验中阻尼杆通过与阻尼液的黏连带动阻尼液波动产生阻尼力，从而进行耗能。当加载频率增加到3Hz以后，或加载幅值增加至5mm以后，随着加载幅值和加载频率的增加，阻尼杆和阻尼液的黏连作用减弱，耗能能力降低，阻尼系数降低，滞回曲线面积减小。

当加载频率大于或加载幅值大于或等于时，气缸的阻尼系数随加载频率和加载幅值的增大而减小。随着加载幅值和加载频率的增加，阻尼杆与阻尼流体之间的粘附减弱，阻尼流体波动减弱，阻尼系数减小。

结语

该装置采用钢弹簧隔振器，参数稳定，灵敏度高。竖向力与变形呈线性关系，具有较强的水平地震抗剪能力和良好的水平变形能力，但不具有耗能能力。钢弹簧隔振器水平剪切变形的稳定极限为，屈服力为。钢弹簧隔振器在受压状态下发生剪切失稳后，剪力骤降，呈现脆性破坏。

参考文献

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