框架耗能減震振動臺實驗開發(fā)與實踐

劉承斌，胡志華，蔣建群，余世策，冀曉華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

框架耗能減震振動臺實驗開發(fā)與實踐

劉承斌，胡志華，蔣建群，余世策，冀曉華

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

該文闡述了框架耗能減震實驗的開發(fā)理由，設(shè)計并制作了實驗裝置。實驗由學(xué)生自主設(shè)計結(jié)構(gòu)模型，不拘泥于傳統(tǒng)的耗能減震模式。實驗結(jié)果表明減震效果良好。該實驗研究開闊了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，提高了學(xué)生動手能力和查閱文獻(xiàn)的水平，為學(xué)生提供了一個自由探索的平臺，收到了良好的教學(xué)效果。

框架；耗能減震；振動臺；探究性實驗

為進(jìn)一步深化實驗教學(xué)中心內(nèi)涵建設(shè)和推進(jìn)實驗教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實驗探究能力，浙江大學(xué)本科生院要求各級實驗教學(xué)中心在原有實驗室建設(shè)基礎(chǔ)上，加大自主性、開放性、探究性和創(chuàng)新性實驗項目的開發(fā)和應(yīng)用力度，不斷擴(kuò)大學(xué)生受益面。結(jié)合以上要求，建筑工程學(xué)院加強(qiáng)了對土木工程自主創(chuàng)新實驗課程的建設(shè)。作為浙江大學(xué)2008年單獨設(shè)置的一門課程，與一般常規(guī)驗證性實驗課程相比，該課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的自主性，學(xué)生可以自由選擇實驗類型、實驗對象和實驗方法，實驗報告的格式也不需要千篇一律。課程的教學(xué)目標(biāo)為著重培養(yǎng)學(xué)生的查閱文獻(xiàn)能力、動手能力、綜合分析能力和獨立解決問題的能力。但從近幾年的情況看，學(xué)生涉及的實驗內(nèi)容主要包括風(fēng)洞實驗、空間網(wǎng)架靜載實驗等，實驗內(nèi)容比較單一。

為了彌補(bǔ)教學(xué)過程中存在的不足，進(jìn)一步豐富教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決問題的能力，以達(dá)到良好的教學(xué)效果，本文利用振動臺開發(fā)了框架耗能減震實驗，為學(xué)生的自由探索提供了一個技術(shù)平臺。

1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

要求學(xué)生設(shè)計某框架結(jié)構(gòu)，層數(shù)和截面尺寸不限，其第一階自振頻率在5 Hz附近。這里暫定設(shè)計一個兩層單向的框架結(jié)構(gòu)，采用的截面尺寸如表1所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件尺寸

將其視為兩個自由度體系的無阻尼自由振動。運(yùn)動方程式令等號右端強(qiáng)迫力一項為零，略去阻尼項影響，可得：

(1)

上列微分方程組的解為：

(2)

式中，ω為頻率，φ為初相角、X1、X2為位移幅值。

將式(1)和(2)聯(lián)立可得：

(3)

要使得式(3)有非零解，其系數(shù)行列式必須等于零，即：

(4)

式(4)稱為頻率方程，展開后可得ω2的兩個實根：

(5)

其中數(shù)值較小的一個ω1，稱為第一自振頻率。

單根柱子的層間抗側(cè)剛度：

層間抗側(cè)剛度：

k11=4k0=64 300(n/m)

k12=k21=-4k0=-64 300(N/m)

k22=2k11=128 600(N/m)

由此可知：

T1=0.189 s,f1=5.3 Hz

至此，設(shè)定的結(jié)構(gòu)各部位尺寸均滿足預(yù)先設(shè)計要求。

2 耗能減震設(shè)計

通過查閱文獻(xiàn)，采用不拘形式的耗能減震手段，對比采用前后的減震效果。

2.1 設(shè)計構(gòu)想

針對提出的研究課題，在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上本文設(shè)計了兩種方案，設(shè)計思想來源于TMD(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)與橡膠隔震墊方法；同時，考慮到土木工程創(chuàng)新實驗課程的課程名稱里就包含“創(chuàng)新”二字，因此在考慮模型結(jié)構(gòu)設(shè)計時，竭力避免“雷同”與“復(fù)制”，提出了“可移動樓板減震”和“橡膠底板減震”兩種減震方法。

2.1.1 可移動樓板減震

結(jié)構(gòu)減震的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)能量以何種形式耗散，在課堂上展示過的在模型頂部加裝水箱的設(shè)計，其目的也是通過水的震動耗散能量，不過由于水質(zhì)量較輕，減震效果不明顯。為此我們嘗試找到更為有效的結(jié)構(gòu)能量耗散方法幫助結(jié)構(gòu)減震。

TMD減震系統(tǒng)是一個由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成的振動系統(tǒng)。而我們設(shè)計的剛架自振頻率為5Hz，質(zhì)量主要集中于樓板，為此我們想到可以通過創(chuàng)新樓板支承方式，改固定樓板為可移動樓板，由于樓板慣性較大，速度方向改變較剛架柱遲緩，通過樓板與剛架柱之間的撞擊加快能量耗散，可以作為傳統(tǒng)TMD系統(tǒng)的一種創(chuàng)新與發(fā)展。

該設(shè)計關(guān)鍵在于節(jié)點設(shè)計。節(jié)點除了完成自身與剛架柱、樓板的連接，還應(yīng)滿足樓板移動的需求，即要有足夠約束使樓板只沿振動方向發(fā)生位移，而不會脫離剛架。基于以上考慮，我們最終完成框架整體設(shè)計。

2.1.2 橡膠底板減震

地震破壞力主要體現(xiàn)在水平力上，而在建筑結(jié)構(gòu)上在水平方向的抗力是相對薄弱的，所以如何建立或減少地震所引起的水平力是減震的一個重要目標(biāo)。

橡膠底板減震思想來源于“減震橡膠支座”。減震橡膠墊多用于日本的民房，由于減震橡膠支座有足夠韌性和抗剪切能力，利用橡膠支座水平柔性形成的柔性隔離層吸收或散耗地震能量，阻止或減小地震能量向建筑物和構(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)傳遞。基于這種思想以及實際設(shè)計的要求，我們大膽假設(shè)如果將一整塊橡膠作為結(jié)構(gòu)的底板，橡膠的作用面面積會大大增加，其消能作用將大大增加。

(a)CAD模型 (b)實際結(jié)構(gòu)圖1 減震結(jié)構(gòu)一(可移動樓板)

圖2 減震結(jié)構(gòu)二(隔震橡膠墊)

3 振動臺實驗項目的實踐

3.1 實驗裝置

1)單向液壓振動臺，加速度傳感器等；

2)框架模型一個，耗能裝置若干。

3.2 實驗內(nèi)容及步驟

1)固定模型；

2)安裝低頻壓電加速度傳感器；

3)連接通訊電纜；

4)啟動振動臺液壓伺服控制軟件，設(shè)置參數(shù)，觀察儀器是否正常；

5)進(jìn)行掃頻或者地震波輸入，采集數(shù)據(jù)。

3.3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果以各樓層加速度的方式體現(xiàn)，表2為原結(jié)構(gòu)和兩種減震結(jié)構(gòu)在不同頻率加載時的加速度對比。

3.4 結(jié)果分析

表2 減震設(shè)計前后加速度

由表2可見，采用減震結(jié)構(gòu)一時，底層樓板的減震效果優(yōu)于中間樓板。這可能是由于中間樓板可移動，對側(cè)墻有一定的沖力作用。采用減震結(jié)構(gòu)二時，中間樓板的減震效果明顯優(yōu)于頂層樓板。采用減震結(jié)構(gòu)二，中間樓板的減震效果更為明顯。

3.5 誤差分析

對于結(jié)構(gòu)自振頻率，計算自振頻率為5.3 Hz，而實際自振頻率為4.4 Hz明顯偏小。自振頻率偏小的原因可能是，計算過程中，認(rèn)為結(jié)構(gòu)的節(jié)點均為剛節(jié)點，而實際中結(jié)構(gòu)均為螺栓連接，在結(jié)構(gòu)振動的過程中存在松動，所以其自振頻率會相對減小。

所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中一定要注重模型與實際結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。任何小小的差異都會影響實際計算與理論結(jié)果的匹配性。

4 結(jié)束語

“框架耗能減震振動臺實驗”探究性實驗項目的構(gòu)建與教學(xué)實踐，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實際動手能力和科研能力等綜合素質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、溝通與表達(dá)能力和團(tuán)隊合作精神，適應(yīng)了高校素質(zhì)教育和教學(xué)改革的需要，取得了良好的教學(xué)效果。

正如土木1302級丁磊同學(xué)所言“這課題的關(guān)鍵在于創(chuàng)新，而不是簡單的模仿。所以，我們小組想過多種方案，力爭獨一無二。在設(shè)計之初都還只是一個初步的想法，在爭論中不斷否定，在否定中不斷前進(jìn)。最終才展現(xiàn)出了“可移動樓板”和“減震橡膠底板”兩個成型的方案。在實際的實驗中，也取得了不錯的減震效果。這是一個令人欣慰的結(jié)果，在這過程中不僅學(xué)習(xí)了知識、提高了技能，還更加深刻地領(lǐng)悟了創(chuàng)新精神、探索精神、團(tuán)隊精神，這無疑都將激勵著我們繼續(xù)勇攀科學(xué)高峰?！?/p>

[1]冀德學(xué).土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測技術(shù)暨結(jié)構(gòu)試驗課教學(xué)研討會論文集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：251-254.

[2]李保德,張季如,馮仲仁.土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測技術(shù)暨結(jié)構(gòu)試驗課教學(xué)研討會論文集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：268-274.

[3]余世策, 錢匡亮, 劉承斌,等.鋼筋混凝土實驗的集約分層式教學(xué)模式[J].實驗技術(shù)與管理, 2008, 25(8):132-135.

[4]王宗綱，張晶.土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測技術(shù)既結(jié)構(gòu)試驗課教學(xué)研討會論文集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：328-331.

[5] 余世策,劉承斌.土木工程結(jié)構(gòu)實驗-理論、方法與實踐[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2009.

[6] 劉承斌, 胡志華, 蔣建群,等.頻率法測試索力實驗開發(fā)與實踐[J].實驗室科學(xué), 2015(2):20-23.

Development and Practice on the Experiment of Frame Energy Dissipation Using Shaking Table

LIU Chengbin, HU Zhihua, JIANG Jianqun,YU Shice,JI Xiaohua

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

In this paper, the development reasons of the energy dissipation experiment of the frame are expounded, and the experimental device is designed and manufactured.During the experiment, the model can be designed freely by students, not limited to the traditional energy dissipation method.The experiment results show that the vibration-reduction effect is good.This experimental study can broaden the students’ academic vision, at same time, improve the level of operational ability and literature review, provide a platform with exploring freely, and reveices a good teaching effect.

frame; energy dissipation; shaking table; investigation experiment

2015-08-27；修改日期:2015-10-03

浙江省高校實驗室工作研究項目(ZD201606)資助。

劉承斌(1978-)，男，博士，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)試驗的研究工作。

G642.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.019