基底隔震的減振控制實(shí)驗(yàn)

任 亮， 田 宇， 董其明， 李宏男

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連116024)

0 引 言

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)只要求主體結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度內(nèi)的安全，而對(duì)建筑物內(nèi)部的設(shè)施、儀器的保護(hù)還存在很多問題，而基礎(chǔ)隔震在保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的同時(shí)也減小了建筑物內(nèi)部設(shè)施的振動(dòng)。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的思想是“硬抗地震”，通過加大梁柱截面的方法來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，這種方法在地震作用下會(huì)使地震作用“增強(qiáng)”，還會(huì)增加結(jié)構(gòu)的造價(jià)，而隔震技術(shù)不僅節(jié)省費(fèi)用，而且施工簡(jiǎn)單震后易修復(fù)［1-2］。隔震技術(shù)的發(fā)展為結(jié)構(gòu)的抗震找到了一個(gè)新的方向，對(duì)抗震技術(shù)的發(fā)展具有很重要的意義。

早在20 世紀(jì)三四十年代，隔震理論就已被提出，而隔震技術(shù)得到重視是從1972 年美國(guó)學(xué)者J.TP.Yao首次提出結(jié)構(gòu)減震控制的概念時(shí)開始。我國(guó)學(xué)者周福霖教授創(chuàng)造性地提出了“結(jié)構(gòu)減震控制體系”的概念，使得各種減震控制技術(shù)上升到了抗震設(shè)計(jì)理論的新階段［3］，目前，我國(guó)已形成一系列關(guān)于隔震技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范［4］。隨著隔震技術(shù)與振動(dòng)控制的發(fā)展，目前隔震減振技術(shù)已成為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最前沿的發(fā)展方向之一，并已在世界各國(guó)的實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑箤W(xué)生加深對(duì)基底隔震理論的理解，掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法及隔震原理，通過對(duì)比采取滾珠基底隔震措施前后儀器的振動(dòng)狀態(tài)及加速度時(shí)程曲線，更深刻認(rèn)識(shí)到隔震重要意義，提高工程應(yīng)用能力。

建筑隔震是隔離地震給建筑結(jié)構(gòu)帶來的沖擊作用［5］，而基底隔震技術(shù)是在建筑物底部設(shè)置水平柔性的隔離裝置，使結(jié)構(gòu)隔震系統(tǒng)軟化，降低剛度，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的基本自振周期［6］。一般，層數(shù)較少的建筑物層間剛度較大，因此其振動(dòng)周期較短，從標(biāo)準(zhǔn)的地震反應(yīng)譜中可以知道，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)隨著地震周期的增大而減小。因此如果采取措施使結(jié)構(gòu)的自振周期延長(zhǎng)，使其與場(chǎng)地的固有周期隔開，使得結(jié)構(gòu)的基頻不在地震能的頻段之內(nèi)，這樣就會(huì)很好地降低建筑物的加速度反應(yīng)［7-8］。隔震層中結(jié)構(gòu)元件的水平剛度相比于上部結(jié)構(gòu)的水平剛度明顯較低，因此可將上部結(jié)構(gòu)近似認(rèn)為是一個(gè)剛體［9-10］，上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移大大減小，達(dá)到顯著減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的，保證結(jié)構(gòu)物及內(nèi)部設(shè)施的安全以及正常使用［11］。

滾珠隔震是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面間設(shè)置滾珠，結(jié)構(gòu)受到水平方向激勵(lì)時(shí)，滾珠沿溝槽滑動(dòng)，地震作用向上部結(jié)構(gòu)傳遞的能量在隔震層被阻斷。因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)近似是一個(gè)剛體，在小震作用下，上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間基本不發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，在強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體水平滑動(dòng)，從而減小地震作用，使結(jié)構(gòu)不至被破壞［12-13］。同時(shí)，由于彈簧作用，使裝置具有復(fù)位功能，且彈簧可提供一定的阻尼耗散地震能量。與傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)不同，隔震是一種“以柔克剛”的抗震設(shè)計(jì)方法［14］。

1 基底隔震的減振控制模型設(shè)計(jì)

基底隔震方法大致可分為彈性支承式隔震、滑動(dòng)式隔震、擺動(dòng)式隔震以及懸吊式隔震四大類［15］，滑動(dòng)隔震又可分為滾子隔震和滑動(dòng)支座隔震，本實(shí)驗(yàn)采取滾珠隔震方法。隔震結(jié)構(gòu)體系由上部結(jié)構(gòu)、隔震裝置和下部結(jié)構(gòu)三部分組成［16］。在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面間設(shè)置滾珠，結(jié)構(gòu)受到水平方向激勵(lì)時(shí)，滾珠沿溝槽滑動(dòng)，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)向上傳遞的水平方向震動(dòng)隔開。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間由滾輪連接，地震發(fā)生時(shí)，由于滾輪隔離層的存在，地震能量的傳遞被隔開，大部分能量不能上傳到上部結(jié)構(gòu)。

圖1 基底隔震系統(tǒng)示意圖

基礎(chǔ)板設(shè)計(jì)如圖2 所示，滑動(dòng)槽用于約束滾珠滑動(dòng)方向，固定螺栓孔可控制上部結(jié)構(gòu)與底板間的固定與分離。

圖2 基底隔震底板示意圖

滾輪設(shè)計(jì)如圖3 所示。其中4 號(hào)、5 號(hào)滾輪在滑動(dòng)槽內(nèi)沿水平方向滾動(dòng)，其余6 個(gè)滾輪可在兩側(cè)起支撐作用。

圖3 滾輪隔離層示意圖

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一層框架，在一層框架的兩側(cè)分別設(shè)置一根彈簧。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)沿水平方向滑動(dòng)時(shí)，彈簧可為其提供反向作用力，使其具有自復(fù)位能力，且彈簧可提供一定的阻尼耗散地震能量。

2 基底隔震的減振控制試驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)計(jì)模型加工構(gòu)件，組裝成單層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的上部框架與基礎(chǔ)底盤之間通過滾輪連接，固定螺栓孔放置于滑動(dòng)槽之間，框架兩側(cè)與基礎(chǔ)底盤用彈簧連接，基礎(chǔ)底盤與試驗(yàn)臺(tái)固定連接?？蚣軆蓚?cè)的柱采用彈簧鋼材料，其余材料均為鋼，得到基于基底隔震的減振控制系統(tǒng)實(shí)物，即采取了基底隔震措施的單層框架結(jié)構(gòu)。將加速度傳感器連接在框架的上部，用于采集結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)上部結(jié)構(gòu)的加速度，如圖4 所示。

圖4 基底隔震振動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

將減振控制系統(tǒng)固定在QUANSER 公司研發(fā)的Shake Table II 振動(dòng)臺(tái)上。利用基于Compact RIO 平臺(tái)研發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解調(diào)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)。Compact RIO 主要由三部分組成:實(shí)時(shí)控制器、FPGA 及工業(yè)級(jí)I/O 模塊(見圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

2.2 采取基底隔震措施前實(shí)驗(yàn)

圖6 簡(jiǎn)諧波加速度時(shí)程曲線對(duì)比圖

通過固定螺栓孔，用螺栓將圖1 中上部結(jié)構(gòu)固定在底板上，使底板與上部結(jié)構(gòu)固定連接，來模擬沒有隔振措施的情況。將加速度傳感器黏貼在一層框架的上部，通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)控制系統(tǒng)輸入水平方向簡(jiǎn)諧波振動(dòng)。觀察上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況。利用基于Compact RIO 平臺(tái)研發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解調(diào)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，得到上部結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線(圖6 中紅色曲線);此時(shí)在上部結(jié)構(gòu)中放置幾個(gè)物塊模擬室內(nèi)家具，再對(duì)控制系統(tǒng)輸入水平地震波振動(dòng)(地震波采取的是美國(guó)在1940 年得到的EL Centro 波)，觀察上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況和放置的小物塊狀況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線(圖7 中紅色曲線)。

圖7 地震波加速度時(shí)程曲線對(duì)比圖

2.3 采取基底隔震后實(shí)驗(yàn)

撤掉固定螺栓，即上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面間用滾輪連接，上部結(jié)構(gòu)可在水平方向自由移動(dòng)，兩側(cè)的彈簧可以提供一定的回復(fù)力。對(duì)控制系統(tǒng)輸入同樣的水平方向簡(jiǎn)諧波振動(dòng)，得到上部結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線(圖6中藍(lán)色曲線);此時(shí)同樣在上部結(jié)構(gòu)中放置幾個(gè)小物塊來模擬家具，再對(duì)控制系統(tǒng)輸入同樣的水平地震波振動(dòng)，觀察上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況和放置的小物塊狀況，并且得到上部結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線(圖7 中藍(lán)色曲線)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將兩種不同情況下輸入水平簡(jiǎn)諧波振動(dòng)得到的加速度時(shí)程曲線對(duì)比如圖6 所示，將兩種不同情況下輸入水平地震波振動(dòng)得到的加速度時(shí)程曲線對(duì)比如圖7所示，紅色曲線為無隔震作用時(shí)的加速度時(shí)程曲線，藍(lán)色曲線為有隔震作用時(shí)的加速度時(shí)程曲線。

由加速度時(shí)程曲線對(duì)比圖可以看出，在采取基底隔震措施前輸入水平地震波及簡(jiǎn)諧波振動(dòng)，上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈。采取隔震措施后，輸入水平地震波及簡(jiǎn)諧波振動(dòng)，雖然基礎(chǔ)振動(dòng)不變，但是上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)明顯減輕，減振效果非常明顯。

兩組試驗(yàn)中振動(dòng)結(jié)束后物塊的對(duì)比圖如圖8 所示。通過對(duì)比圖可以明顯看出，基底隔震控制系統(tǒng)對(duì)減小建筑物內(nèi)部設(shè)施的振動(dòng)起到顯著效果。

圖8 室內(nèi)家具模擬試驗(yàn)對(duì)比圖

4 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)與具體實(shí)踐相結(jié)合，鞏固理論教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)和實(shí)際操作能力的重要環(huán)節(jié)［17］。本實(shí)驗(yàn)基于工程實(shí)際中常用的隔震方法，設(shè)計(jì)了一種基于滾珠隔震方法的隔震實(shí)驗(yàn)演示裝置，通過對(duì)比在施加水平地震波和簡(jiǎn)諧波振動(dòng)作用時(shí)有基底隔震措施和無基底隔震措施時(shí)的加速度時(shí)程曲線，形象直觀地演示了隔震技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震中的作用效果。通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生把理論和實(shí)踐聯(lián)系起來，能更好地理解基底隔震在實(shí)際應(yīng)用中的工作原理及重要意義。通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)同學(xué)們對(duì)基底隔震的興趣和積極性，幫助同學(xué)們理解課堂所學(xué)理論知識(shí)的實(shí)際含義，提高工程應(yīng)用能力。

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