耗能支座在不同建筑結(jié)構(gòu)中的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

【摘要】耗能支座是指在地震來臨時(shí)，能夠通過支座本身的減隔震性能隔離和耗散地震能量，減小地震對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)的破壞，從而達(dá)到保護(hù)建筑和人員的安全。目前行業(yè)內(nèi)有各種形式的橡膠減振支座、彈簧減振支座、摩擦擺減振支座等等，技術(shù)相對(duì)都比較成熟，下面以摩擦擺減振支座為例，通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)比了同種形式的耗能支座在不同結(jié)構(gòu)中的減振效果，供各位建筑專業(yè)做減隔震耗能的參考。

【關(guān)鍵詞】耗能支座;摩擦擺支座;建筑結(jié)構(gòu)

1、引言

本文以目前市場(chǎng)應(yīng)用比較廣的摩擦擺耗能支座為例介紹一下兩種工況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并簡要分析原因，給各位設(shè)計(jì)同行作為建筑結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)的參考。

2、摩擦擺耗能支座的結(jié)構(gòu)及工作原理

摩擦擺耗能支座是利用了鐘擺的動(dòng)能勢(shì)能轉(zhuǎn)化及擺動(dòng)過程中的摩擦耗能原理來實(shí)現(xiàn)支座對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的耗散地震能量的作用。摩擦擺耗能支座的兩個(gè)主要參數(shù)。一個(gè)是等效曲率半徑，左邊這個(gè)是理論上的純單擺，其曲率半徑就是下端滑動(dòng)面的半徑R。而對(duì)于一般的摩擦擺其等效曲率半徑就是兩個(gè)摩擦面的圓心距。一般來說，等效曲率半徑越大，結(jié)構(gòu)周期越長，隔震效率越高，地震位移越大。摩擦系數(shù)在這里起到很重要的作用，而它會(huì)隨著摩擦材料的不同，壓力、速度的不同而變化。一般來說，摩擦系數(shù)越高，減震效率越低，阻尼比越大，地震位移越小。對(duì)于某一特定結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)最優(yōu)的摩擦參數(shù)（對(duì)應(yīng)最優(yōu)阻尼比）。

3、摩擦擺耗能支座的實(shí)驗(yàn)要求

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)性能：豎向加載能力20MN、動(dòng)態(tài)水平力±3MN、靜態(tài)水平力4MN、加載頻率0-0.5Hz、位移±600mm，工作臺(tái)尺寸1.5x1.5米。豎向空間尺寸最大行程1米。

摩擦擺耗能支座采用KZQZ6000KN的雙曲面摩擦擺支座，最大平面尺寸1米x1米，高度0.17米。支撐架高度0.63米?？偢?.8米，方便安裝到試驗(yàn)機(jī)內(nèi)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠幸韵聝牲c(diǎn)：

a對(duì)比雙曲面摩擦擺耗能支座有上部支撐架時(shí)的水平力和直接加載時(shí)的水平力的大小。

b對(duì)比支座無水浸泡凹曲面和有水浸泡凹曲面情況下的水平力大小。

4、對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 基本實(shí)驗(yàn)條件：

摩擦擺耗能支座及支撐架在實(shí)驗(yàn)室23±2°的條件下放置24小時(shí)后，加壓至6000KN，預(yù)壓1小時(shí)，水平加載，設(shè)定位移為±100mm。

4.2 第一次加載實(shí)驗(yàn)：

摩擦擺耗能支座帶支撐架加載，在實(shí)驗(yàn)25度溫度下加載到6000KN，持壓1小時(shí)后，在持壓狀態(tài)進(jìn)行水平推動(dòng)，做位移量±100mm 的往復(fù)位移兩次。形成剪力-位移曲線圖。（見圖1）

4.3 第二次加載實(shí)驗(yàn)：

拆掉支撐架，在實(shí)驗(yàn)室25度溫度下對(duì)摩擦擺耗能支座單獨(dú)加載到6000KN，在持壓狀態(tài)下進(jìn)行水平推動(dòng)，做位移量±100mm的往復(fù)位移兩次。形成剪力-位移曲線圖。（見圖2）

4.4第三次加載實(shí)驗(yàn)：

試驗(yàn)機(jī)卸載后拉出支座加水，在實(shí)驗(yàn)室25度溫度下放置24小時(shí)。之后安裝摩擦擺支座到試驗(yàn)機(jī)上，并加載到6000KN，持壓一小時(shí)后在持壓狀態(tài)進(jìn)行水平推動(dòng)做位移量±100mm的往復(fù)位移兩次。形成剪力-位移曲線圖。（見圖3）

5、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小結(jié)

5.1 帶支撐架加載實(shí)驗(yàn)壓力6000KN位移100mm時(shí)，水平力最大423KN;不帶支撐架壓力6000KN位移100mm時(shí)，水平力最大262KN。

5.2 不帶支撐架加載實(shí)驗(yàn)壓力6000KN位移100mm時(shí)，水平力最大262KN;不帶支撐架加水加載實(shí)驗(yàn)壓力6000KN位移100mm時(shí)，水平力最大205KN。

結(jié)語：

綜合以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：摩擦擺耗能支座直接放置在結(jié)構(gòu)下部時(shí)，在設(shè)計(jì)載荷下，發(fā)生位移的初始摩擦力小于該支座通過支撐結(jié)構(gòu)連接上部建筑結(jié)構(gòu)時(shí)的初始摩擦力。該結(jié)果證明支撐結(jié)構(gòu)因?yàn)樵黾恿私Y(jié)構(gòu)對(duì)耗能支座的附加力矩而增大支座的水平推力，實(shí)際支座本身的摩擦系數(shù)和水平力并未發(fā)生變化，只是體現(xiàn)到實(shí)驗(yàn)機(jī)的水平力數(shù)據(jù)為支座本身的摩擦力和支撐產(chǎn)生的附加力的疊加而已。對(duì)于在自然環(huán)境下浸泡過水的支座來說其摩擦系數(shù)和水平推力并未發(fā)生變化。

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作者簡介：

王立志（1979.09—），男，總工、創(chuàng)新中心主任、高級(jí)工程師，單位：河北省橋梁吸能裝置技術(shù)創(chuàng)新中心。

曹琳琳（1987.06—），男，研發(fā)中心副主任，工程師，單位：衡水市橡膠總廠有限公司。

肖永明（1967.08—），男，技術(shù)部部長，助理工程師，單位：衡水市橡膠總廠有限公司。