地震波输入情况下的钢丝绳隔震器试验研究

地震波输入情况下的钢丝绳隔震器试验研究

在这项工作的整体形式中，采用了一种具有缩短刚性结构的国家发明鼓弹簧隔震器，并对两部分总体模型进行了分析。在自然地震波和爆炸地震波的入口进行了地震勘探，并在两种情况下观察到了地震的隔震效果，并确定了相关谱、畸变和位移的情况。研究表明,针对爆炸震动研制的该型隔震器对两者的震动隔离效果存在较大区别,这一方面反映了两种输入震动波形在持时、频谱、幅值、能量方面存在着较大不同,另一方面也反映了该型隔震器本身固有的力学特性对不同输入震动波形响应存在的差别。1单自由度结构模型的安装原型结构为两层全钢框架结构形式,每层净高3.9m,总高度7.92m,水平方向幅员为6m×4m;结构顶板、楼板、底板厚度分别为3cm、4.5cm、4.5cm,侧墙厚度3cm。模型的缩尺比例为6∶1,缩尺后模型每层净高0.65m,总高度为1.32m,水平方向幅员为1m×0.666m,结构顶板、楼板、底板厚度分别为0.5cm、0.8cm、0.8cm,侧墙厚度0.5cm。结构设计上采用钢板与槽钢组合形式,钢板模拟结构底板、楼板、顶板及侧墙等,槽钢则模拟结构承重柱。由于模型对应的原型结构幅员不大,没有对梁进行模拟。另外,为了简化设计以及照顾模型的构件刚度,钢板厚度比实际可能采用的厚度加大,这样做一方面可以适当模拟工程使用过程中的实际荷载,另一方面就是不至于使模型的构件(主要是钢板)太薄,以免使模型组装(尤其是构件连接上)发生困难。考虑到该三维模型使用了非常多的不同尺寸构件,构件连接之处特别多,对连接精度要求很高,为避免焊接产生热变形使构件组装发生困难,构件之间全部采用螺栓连接。由于整体隔震的需要,除了模型底部布置有隔震器外,模型周边侧向也布置有隔震器,这些侧向隔震器收稿日期:2008-04-02修改稿收到日期:2008-07-01第一作者谢清粮男,博士生,副研,1969年2月生必须由具有一定刚度的支架进行固定,包括与结构本身和连接钢板之间的固定(连接钢板通过螺栓与震动台台面或地面连接)。设计这些固定钢支架的主要要求是保证其在结构震动过程中不产生变形(主要是弯曲变形),因此必须具有足够的整体抗弯刚度。该固定钢支架也是由钢板和槽钢、角钢等各种型材组合形成,各型材之间通过螺栓连接。多自由度非线性系统如果设计合理,可以近似以单自由度线性系统考虑,即非如此,表征线性系统特性的最低阶主模态(对应系统基频)也是沟通线性振动和非线性振动的桥梁,在各种共振状态下出现的大振幅非线性现象,将以很少的线性主模态呈现出来,其他很多文献也有类似结论。本文试验基于上述论述,也初步按单自由度系统来考虑。由于“非耦合体系”要求系统“质量中心”和“刚度中心”重合,经计算,当侧向隔震器在模型高度方向的支承位置位于模型楼板处以上约20cm时,满足以上条件。试验中侧向隔震器的实际支承位置选择在模型楼板处,因为此处结构的抗弯刚度较大,同时也使侧向隔震器的安装更便利。与模型高度方向的幅员相比,这个位置偏差很小,不影响整体模型按非耦合体系进行考虑。在本试验的后续试验中按“两心重合”原则进行了侧向隔震器安装位置的调整,试验结果没有发现位置变化存在任何明显的影响。两层整体钢结构模型正、侧视简图及在比例坑道内安装示意见图1。整体模型天然地震波试验是在大连理工大学“工程抗震研究中心”的地震台上进行的。该地震台最大负载10t;台面由一1m×3m的长方形与两个半径为1.5m的半圆组成一椭圆形状;垂直满载加速度0.7g(g为重力加速度),水平满载加速度1.0g;垂直最大位移±50mm,水平最大位移±75mm:水平最大速度±50cm/s;工作频率范围0.1Hz～50Hz:激振方向为水平+垂直+同平面内摇摆;控制方式为计算机数控;驱动方式为电液伺服。整体模型爆炸地震波试验是在我所试验场自行开挖的比例坑道内进行的(两个模型均放置于北侧坑道)。坑道所处地质环境围岩为节理较发育的层状沉积变质凝灰岩,倾角约为45°,走向大体为南北向。装药位于坑道轴向顶部及坑道侧向不同断面的围岩中,预先打好药孔。比例坑道有尺寸及模型布置示意见图2。模型在震动台上和坑道中组装完毕和底部及侧向隔震器安装照片如图3所示。整体模型天然地震波试验测试系统采用震动台配套的“联合时频测试分析系统-DSPS”和“BJQN-4系列光电图象式挠度检测仪”,前者用来测量加速度和应变,后者用来测量位移。试验共布置加速度测点4个(8路),分别布置在震动台台面中心、模型结构的底板、楼板、顶板中心,每个测点测量水平(沿地震台台面椭圆长轴方向)及垂直两个方向的加速度信号;布置应变测点27个(54路),分别布置在模型结构的底板、楼板、顶板庳侧墙上,采用的各种传感器均为地震台配套设备;布置位移测点一个,用来测量模型顶板角上与震动台台面之间的相对位移。整体模型爆炸地震波试验测试系统采用我所新近配置的野外量测试验车的车载测试系统,主要装备为“四川实时信号研究所”生产的瞬态信号采集仪(配套软件为泰斯特信号采集系统DAP3.14)和日本产磁带机,以及相应配套的电荷放大器、加速度传感器、应变放大器、桥盒、应变片等。布置加速度测点4个(12路,每个测点3路),分别布置在地面连接钢板中心、模型结构的底板、楼板、顶板中心,每个测点测量水平向(X向沿坑道轴线、Y向与X向垂直)及垂直向(铅垂向)三个方向的加速度信号;布置应变测点7个(14路,每个测点2路),分别布置在模型结构的底板、楼板、顶板和侧墙上,采用的加速度传感器为秦皇岛市北戴河兰德科技有限公司所产BZ系列及丹麦B&K公司4320系列,电荷、应变放大器为我所自行研制;相对位移测量采用人工加工的简易钢支架(固定于侧向隔震器固定钢支架上)进行,用来测量模型顶板角上与地面连接钢板之间的相对位移,具体可参见图3。两次试验测试系统照片见图4。试验采用隔震器的有关参数为:绳径6mm,每股长度70mm,共8股:自由高度约70mm:每个隔震器负载约55kg。隔震器在径向和侧向具有不同的刚度特性,由于是鼓形设计,侧向所有方向的刚度基本相等,图5为隔震器实测径向和侧向静力刚度曲线。天然地震波试验输入波形有关参数:选取Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类场地土上实测的四条地震波作为震动台输入,其中Ⅰ类场地一条-CPM波,为水平分量地震波;Ⅱ类场地两条-EL波和QIAN波,其中EL波为南北水平分量地震波,QIAN波为水平+垂直分量复合地震波;Ⅲ类场地一条-TJ波,为水平+垂直分量复合地震波。前三条地震波持时均为60s,第四条地震波持时为57s;地震波水平分量峰值均为2g,垂直分量峰值均为1.333g;前两条波采样率为50Hz,后两条为100Hz。试验输入时,按模型试验的相似原则对原波形进行缩尺再输入震动台,即试验时输入波形持时为原波形的1/6,采样点数与原波形一致,波形幅值同样根据相似原则扩大6倍。现阶段实测最大天然地震约为2g左右,但限于震动台的负载能力,无法模拟最大量值的天然地震,实际加载的地震波幅值最大约为2g,即模拟了约0.33g的天然地震。另外,为了确保作用效果,有些波形进行了人为重复。四条输入波形如图6所示。加载方式为每条波形幅值从小到大逐级加载,四条波形依次加载完为一级,共加载6级,直到隔震器出现严重变形或有钢丝绳被拔出为止。爆炸地震波试验是通过TNT集团装药在岩土中爆炸产生的地震动对整体结构进行震动加载。试验共进行23炮次。其中顶爆5炮,侧爆18炮,顶爆最小药量2.4kg,最大药量4kg,侧爆最小药量0.8kg,最大药量16kg,爆心距每炮均有变化。结构所处基础地面连接钢板表面X方向的实测地震动加速度输入量值从3.2m/s2到610.36m/s2,Y方向从5.37m/s2到718.76m/s2,Z方向从8.69m/s2到1196.3m/s2(X方向为结构长轴方向,Y方向为结构短轴方向,Z方向为铅垂方向)图7为典型实测输入加速度波形。2模型试验结果2.1全球模型的振动率2.1.1无隔震器支撑下的震动试验就我们主要关心的整体模型的隔震率而言,对天然地震波试验,平均隔震率见表1。为了对比结构在有隔震器支撑和无隔震器支撑情况下的震动,也对该模型进行了无隔震器支撑情况下的震动试验。从表1可以看山,该型隔震器对天然地震波的隔离效果不理想,但相比无隔震器试验,情况还是有所改善。2.1.2震率与震率分析对爆炸地震波试验,整体模型的平均隔震率见表2。从表2可见,该型号隔震器对爆炸地震波的隔离效果很好,与对天然地震波的隔离效果形成了鲜明对比。2.2输入和响应速度的波形及其谱特性2.2.1响应波形密度图8为结构底板对四条输入地震波的响应波形,与前面的输入波形对比可以看出,两者在形态上极其相似,另外,结构楼板、顶板的响应波形与底板响应波形也很相似,这里不再给出。图9为输入及结构底板响应波形的频谱对比,从图中可以看出,输入波形的频谱集中在50Hz以内,结构底板响应波形的频谱具有很突出的主频,即该型号隔震器对天然地震波具有很强的频率筛选作用。这些异常突出的主频即可认为是整体模型的基频,经统计得到模型水平向的自振频率约为8.97Hz:垂直向的自振频率约为10.77Hz。另外,结构楼板、顶板响应波形的频谱与底板存在同样的规律,这里不再给出。2.2.2衰减作用特征图10为结构底板对爆炸地震波的响应波形,与前面的输入波形对比可以看出,除了在波形幅值上有大幅度减小外,在响应时间上明显延长,这正反映了该型隔震器对爆炸地震波的衰减作用特征。与天然地震波的响应对比,两者存在巨大差别。虽然天然地震波也是一种随机性很强的波动,但与强瞬态特征明显的爆炸地震波相比,由于作用持时很长,基本可以近似看成是一种稳态震动,因此,该型隔震器对两者的响应存在巨大差别就不足为奇了。图11为输入及结构底板响应波形的频谱对比,从图中可以看出,输入波形的频谱绝大部分集中在500Hz以内,结构底板响应波形的频谱没有特别突出的主频,与该型号隔震器对天然地震波具有强烈的频率筛选作用存在很大差别。2.3变形波形及其光谱特性2.3.1结构应变分析图12为结构底板、楼板、顶板中心对CPM波的应变响应波形及频谱,从图中可以看出,底板、楼板和顶板的应变信号其频谱存在较大区别,底板应变信号的频谱分量非常集中地分布在50Hz以下,而楼板的应变信号其频谱分量虽然绝大部分也分布在50Hz以内,但超过50Hz的频率范围已经可以看到也存在一定的分布量值,而顶板应变信号其频谱分量在所分析的频带范围内基本呈均匀分布。其原因可以认为在地震波刚传入结构时,结构响应(应变波)包含的频率成分主要为输入地震波的频率成分,而输入地震波的主要频带正处于50Hz以下。在地震波通过结构的传播过程中,逐渐耦合了结构本身各构件丰富的自振频率特性,因此将相对较为集中的频带基本均匀延展到分析的整个频带范围。结构对其他三条波的应变响应情况与CPM波具有基本一致的特点,这里不再给出。实测结构不同部位应变量值均在100με以下,远小于钢的应变极限,为一次要参量。从应变峰值在模型结构不同部位上的变化来看,有一个比较明显的趋势,那就是相对模型第1层而言,模型第2层的应变要大一些,尤其是第2层的短侧墙,而第2层的长侧墙与第1层的长侧墙相比其应变变化不明显。这说明了两点,第一,相对模型第1层,模型第2层的稳定性要差一些,响应要大一些,这与结构的支撑方式是吻合的;第二,震动台水平向地震波输入的方向是平行于模型结构的长轴方向的,因此结构在输入震动作用下,存在绕短轴方向的转动趋势,而这正好会比较明显地反应在结构第2层短侧墙的应变响应上,因为这个方向的侧墙正好垂直于震动台的水平震动方向,其抗弯刚度比平行于震动台水平震动方向的模型侧墙的抗压、抗拉刚度要小很多,而第2层长侧墙与第1层长侧墙的应变变化不明显说明,长侧墙抗压、抗拉刚度较抗弯刚度大的影响超过了模型第1层与第2层支撑稳定性差别的影响。2.3.2天然地震波作用下的频率筛选及混叠效应图13为典型结构底板、楼板、顶板中心对爆炸地震波的应变响应波形及频谱,从图中看不出什么特别有价值的规律,只能发现高频分量较多且离散,不存在天然地震波作用下结构应变响应较强的频率筛选及结构构件自身频率的混叠效应。实测结构不同部位应变量值也均在100με以下,同样远小于钢的应变极限,为一次要参量。2.4天然地震波作用的位移如前所述,为了了解整体隔震结构在不同输入情况下的位移情况,测试了模型顶部与基础之间的相对位移。结果表明,模型在天然地震波作用下所有输入量级下位移均较明显,最大水平向位移达到2cm左右,最大垂直向位移达到1.8cm左右,图14为模型在天然地震波作用下典型的位移曲线。模型在最大量级加载时,隔震器基本上都出现了钢丝绳被拔出的现象。整体模型在爆炸地震波作用下,绝大部分炮次无宏观可见位移,仅有6炮次出现宏观可见位移,通过简易测量装置测到的最大位移约0.4cm。隔震器钢丝绳均没有出现被拔出的现象。3结构的刚度特性由上述模型试验的结果,作以下简要分析。该型号隔震器是针对只有高幅值、短脉宽、短持时、高频丰富、强瞬态特征明显的爆炸地震波研制的,对其引起的震动具有明显的隔离能力。在一定范围内,外界输入震动加速度幅值越大,其震动幅值隔离百分比越高,这与该型隔震器所采用的材料及结构型式有直接的关系。隔震器每股钢丝绳均由经特殊加工的不锈细钢丝集束绕制而成,细钢丝本身虽然具有很大的弹性模量,但由于其巨大的长细比,在受外界荷载作用时,整根钢丝弯曲刚度很小,利于消耗震动冲击能量;另一方面,由多束细钢丝绕制的钢丝绳则具有较大的抗弯刚度,满足了工程平时使用上对大刚度的要求。震动时细钢丝本身的弯曲变形以及相互之间的滑动摩擦则可以大量耗散外界震动能量,正是这种软硬兼顾的结构形式很好地协调了平时使用和战时隔震耗能的双重功能需要。反映在其径向刚度曲线上,就是其初始刚度较大,但是随着外界震动荷载的输入,一旦突破其初始静摩擦力,其刚度就很快减小,属于明显的非线性软刚度特性,这一点从前面给出的刚度曲线就可以看得非常清楚。该型隔震器对具有低幅值、长持时、低频集中、能量大、强瞬态特征不明显的天然地震波引起的震动隔离效果不明显,主要原因在于试验输入的天然地震波其幅值、频谱、持时、能量等特性均与隔震器设计的主要隔冲吸能工作范围存在较大区别。具体来说,地震波由于其持时很长,虽然加速度峰值不大,但总能量相对该种结构来说很大(与爆炸波能量相比),从上面给出的输入及响应波形的形态对比也可以看出,在时间长达几十秒的地震波作用下,结构基本按输入波形的相似形态响应,与爆炸地震波作用下结沟的强瞬态响应存在明显的区别。另外,天然地震