大行程墙式铅剪切阻尼器试验研究和工程计算

刘 敏，杜富强

(1.江西新余钢铁集团有限公司制造管理部,江西 新余 338001; 2.中冶检测认证有限公司,北京 100088)

0 引言

近年来,随着我国建造水平和建筑使用需求的提高,对大型公用建筑结构抵御地震和强风等自然灾害的要求也越来越高,这就要求我们进一步提升结构的抗震减震水平[1-6]。目前工程界常通过附加消能减震设备的方式提升结构的抗震性能。其中消能减震设备包括：消能支撑、消能墙、消能节点等[7-11]。目前工程中常见的耗能装置分为位移相关型和速度相关型两类,其中位移相关型阻尼器包括：摩擦阻尼器(friction dampers)和金属阻尼器(metallic dampers)[12]。由于铅金属具有良好的塑性变形能力,在室温状态下即可实现塑性变形,经过回复和再结晶过程,应变硬化消失且不再产生残余应力。因此理论上铅是一种在常温下发生塑性循环变形时不产生累计疲劳现象的金属,非常适宜作为结构消能减震材料。目前,铅挤压型阻尼器在工程应用中得到了广泛的认同[13-20]。但普通铅剪切阻尼器无法满足特殊工程的大行程要求,应用受到限制。有鉴于此,本文提出一种大行程墙式铅剪切阻尼器,并讨论该种阻尼器在实际工程结构中应用的前景。

1 阻尼器设计

墙式大行程铅剪切耗能阻尼器一般布置于结构的隔墙之中,既不影响结构的外观也不影响其使用功能。本文所设计的阻尼器试验件如图1所示,试件由上下盖板、转动板、耳板、耗能铅块、螺栓、销钉等部分构成。该种铅剪切阻尼器由销钉和螺栓将转动板与上下盖板连接,并与外部结构相连。本试验设计了2种几何参数不同的阻尼器试件,试件参数如表1所示。

2 试验设备和加载方案

本试验的试件采用200TMTS电液伺服作动器进行低周往复加载,加载过程采用位移控制方式,试验结果通过东华3821静态应变采集系统进行数据采集,加载过程中采用拉线位移计和力传感器分别记录试验过程中阻尼器的位移值和阻尼力。试验加载装置见图2,加载制度见表2。

表1 试件参数

3 试验结果分析

试验所得的滞回曲线如图3所示。阻尼器试件1铅槽长宽比l/b=4.5,长厚比l/h=18。由图3(a)、图3(b)可知,在90 mm和15 mm行程的情况下,滞回曲线饱满呈矩形状,实际阻尼器出力约为600 kN,经换算后单槽的剪切力为200 kN,实际阻尼器在大位移下阻尼器出力衰减较为明显。试验结束后试件内部铅块损伤如图4所示,由此可以看出,阻尼器铅槽端部耗能铅块损伤严重,中部的铅块较为完整。由图3(c)、图3(d)可看出,长宽比等于8的阻尼器试件经过试验得到的滞回曲线呈饱满的矩形状,二、四象限阻尼力约为53 t,均达到阻尼器的设计吨位;一、三象限阻尼力约为41 t,相对设计吨位略有衰减。

表2 加载制度

4 工程案例

4.1 工程概况

本工程为新余市某中学宿舍楼,结构主体为框架结构。结构地上总层数为6层,总高度为22.7 m。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g,地震分组取第一组,场地类别为三类,设计地震反应谱特征周期为0.40 s,结构平面如图5所示,该结构设计时安装位移型铅剪切阻尼器,在多遇地震作用下,阻尼器主要作用是给结构提供抗侧刚度;罕遇地震作用下,阻尼器先于结构进入屈服状态,提高结构的阻尼比以减小地震作用下输入结构的地震能量,从而提高结构的整体抗震性能。采用SAP2000对结构进行多遇和罕遇地震下结构动力特性分析,结构有限元模型如图5所示。将建立好的有限元模型和PKPM 模型进行周期的检验,检验结果如表3所示,结果表明计算结果可靠。

表3 减震前结构前6阶周期对比 s

4.2 地震波选取

本结构选取2条实际强震记录和1条人工模拟地震波。根据场地条件选取RSN93和RSN163两条天然波,根据反应谱对天然波的加速度时程曲线的峰值进行调整,人工波根据场地和抗震设防烈度对应的反应谱进行人工生成。地震波的加速度时程及反应谱曲线如图6所示。

在上文选取的三条地震波的作用下,对本结构进行多遇地震下的弹性计算,结构基底剪力如图7所示。通过比较分析可以得到：结构在单条地震波作用下,通过计算所得结构底部剪力的平均值为通过反应谱法计算所得结果的95.27%(X向)及94.29%(Y向),满足规范对于单条波作用下结构基底剪力的相关要求;多条地震波作用下,根据规范要求计算所得结构底部剪力的平均值不应小于反应谱法计算结果的80%且不大于其数值的120%,通过计算得到结构在多条地震波作用下的基底剪力值也满足上述规范要求。

4.3 减震方案

在墙式大行程铅剪切阻尼器的型号进行初步选定后,需要根据本结构的特点及其建筑布局的相关要求进行阻尼器布置。通过反复试算,不断进行方案优化来最终确定墙式大行程铅剪切阻尼器的动力参数、位置以及其数量等。经过多次试算优化,宿舍楼中阻尼器布置数量见表4,布置位置如图8所示。本结构采用阻尼器参数如下：阻尼器的第一刚度：不小于5E6 kN/m;阻尼器的第二刚度：不大于0.02倍的阻尼器的第一刚度;阻尼器屈服力40 t;阻尼器最大行程110 mm。

表4 结构的阻尼器布置数量

4.4 减震性能分析

4.4.1 结构水平变形

多遇地震作用下结构的层间位移角沿高度的分布情况可以比较直观的反映结构在经历多遇地震过程中整体变形。经过计算得到结构层间位移角随高度的变化情况,通过判断计算所得的层间位移角是否满足规范所要求的限值,从而得到结构的水平变形情况。对比结果如图9所示,减震效果如表5所示。

表5 地震波作用下结构层间位移角及减震率汇总

从图9,表5的分析结果可以看出：安装墙式大行程铅剪切阻尼器以后结构各层层间位移角均有所减小,结构X方向层间位移角最大减震率为30.02%,Y方向层间位移角最大减震率为39.67%。

4.4.2 结构地震反应

结构地震反应主要考虑结构在多遇地震作用下结构基底剪力、顶点加速度和顶点位移反应。地震波作用下结构基底剪力见图10,结构基底剪力最大值及减震率汇总见表6。从图10,表6可以看出,在多遇地震下,安装墙式大行程铅剪切阻尼器后阻尼器承担了部分水平向剪力,使得结构部分承担的基底剪力有了不同程度的减小,其中X向结构部分的最大减震率为33.58%,Y向框架部分的最大减震率为44.48%。在罕遇地震下添加阻尼器后,阻尼器承担了部分水平向剪力,使得结构部分承担的基底剪力有了不同程度的减小,其中X向结构部分的最大减震率为4.2%,Y向框架部分的最大减震率为-0.17%。

表6 结构基底剪力最大值及减震率汇总

5 结论

为保证墙式大行程铅剪切阻尼器的耗能稳定性,本文对墙式大行程铅剪切阻尼器进行了试验研究,并以此为耗能元件,采用墙式大行程铅剪切阻尼器作为其耗能部件,利用SAP2000结构分析软件建立结构分析模型,在多遇地震和罕遇地震作用下分别进行弹性时程分析和弹塑性时程分析,计算分析得到了设置墙式阻尼器前后结构的抗震性能,根据所得结果对此结构进行了抗震性能的评价。通过试验和分析可以得到：

1)墙式大行程铅剪切阻尼可满足不同结构较大行程的需求,构造简单、安装方便、不影响结构的建筑外观。2)为保证墙式大行程铅剪切阻尼器耗能性能的稳定性,应对阻尼器构件的变形进行控制,避免摩擦力对阻尼器耗能的影响。3)多遇地震作用下,墙式大行程铅剪切阻尼器主要给结构提供抗侧刚度,使得结构层间变形满足相关规范的要求,罕遇地震作用下,墙式大行程铅剪切阻尼器先于结构进入屈服状态,提高结构的阻尼比,减小输入结构的地震能量,提高了结构的抗震能力。此外,在充分考虑建筑结构的可利用空间的前提下,阻尼器的设置未改变结构受力体系,也未影响建筑美观和使用功能。