近年来越来越多的学者重视对基础隔震的研究, 使得我国基础隔震技术得到飞跃发展。目前较为显著的是叠层橡胶隔震支座^[1,2], 具有良好的减震效果, 但是其造价较高难以在农村地区广泛推广。因此, 作者针对农村多层房屋结构和工业建筑隔震问题提出了一种新型的隔震装置, 结合钢筋沥青隔震墩^[3]和新型混凝土摩擦阻尼器复合使用研究上部结构的地震效应。基础隔震体系实际是在基础和上部结构之间设置一个柔弱层, 使上部结构的自振周期远离场地的卓越周期, 从而达到耗能减震的效果。这种隔震技术为抗震设计人员提供了开阔的视野, 并且该项技术抗震性能良好, 受到越来越多的抗震设计人员的重视, 为工程抗震和结构设计提供了新的创新方向和研究思路^[4]。

地震对国民经济和人民安全是一种毁灭性的自然灾害, 对变电站建筑造成结构性破坏, 往往造成供电等生命线中断。基于使用隔震装置在电力工程中的应用问题, 本文结合钢筋沥青隔震墩和钢筋混凝土摩擦阻尼器, 介绍了这两种结构的构造和工作原理, 同时通过振动台模拟试验研究两层钢框架在地震作用下的减震效果。为研究钢筋混凝土摩擦阻尼器对减震效果的影响, 分别在有阻尼器和无阻尼器两种隔震装置下进行了振动台试验, 并在有阻尼器情况下调节阻尼器弹簧压缩量分析上部结构的动力响应, 选取最佳弹簧压缩量, 分析试验数据比较最佳弹簧压缩量下2种隔震装置的减震效果。

钢筋沥青隔震墩是一种适用于农村低矮房屋的隔震装置, 其构造简单、施工简便、造价低廉。该隔震装置主要由上下钢筋混凝土块、竖向隔震钢筋、沥青油膏组成, 如图1所示。钢筋沥青隔震墩主要依靠竖向隔震钢筋来承受上部结构竖向荷载和水平地震作用。由于隔震钢筋的水平刚度较小, 能够使得结构的自振周期远离场地卓越周期, 从而使得上部结构加速度减小达到减震效果。同时, 沥青油膏能够保护竖向钢筋不锈蚀, 且能提供一定的阻尼力, 提高减震能力。隔震墩主要组成部分包括:上下钢筋混凝土墩块, 两侧墩臂以及锚固于上、下墩块的竖向隔震钢筋和混凝土中的构造钢筋 (非隔震钢筋) , 其模型如图2所示, 隔震钢筋按下文理论设计。在施工时将两侧墩臂之间以及墩臂与上墩块的缝隙间充满沥青油膏。沥青油膏是由PVC (poly vinyl chloride) 油膏和粉料 (各种无机粉末) 配制而成, 主要功能是防止钢筋生锈, 基本要求是夏季不流淌、冬季不结硬、抗老化性能好^[5]。

在钢筋沥青隔震墩设计中主要是对竖向隔震钢筋的强度和稳定性进行计算, 计算时忽略沥青油膏的阻尼作用, 假定隔震钢筋两端固定。为满足要求按下式设计^[6]。

强度计算公式:

稳定计算公式:

式中:M为竖向钢筋端部弯矩;W为钢筋截面的抗弯截面模量;P为考虑地震作用时上部结构重力荷载设计值;A_s为竖向钢筋截面面积;γ_Eh为水平地震作用分项系数;f_y为竖向钢筋的抗压强度设计值;γ_RE为承载力抗震调节系数;n_min为钢筋最小根数;N为上部重力荷载设计值;P_cr为竖向钢筋临界力。

摩擦阻尼器主要包括挤压弹簧和上、下部高强混凝土块, 其工作原理是通过调节弹簧压缩量使得上、下混凝土块之间产生挤压力, 地震作用时上、下混凝土块相互错动产生摩擦阻尼来损耗地震产生的能量, 从而达到耗能减震作用。当阻尼器所受外力小于两混凝土块间的静摩擦力时相当于提高了隔震层的水平刚度, 也有利于结构的稳定性, 当所受外力大于两混凝土块间的静摩擦力时, 此时上、下混凝土块发生错动, 通过摩擦耗能作用起到耗能减震效果。摩擦阻尼器构造如图3所示。

为了研究钢筋混凝土摩擦阻尼器和钢筋沥青隔震墩并联使用的实际效果和可行性, 本文进行了地震模拟振动台试验, 在湖南大学结构实验室利用2层钢框架模型试验结果进行分析和研究。

试验时钢筋沥青隔震墩尺寸为200mm×240mm×500mm, 采用C30混凝土。为保证良好的隔震性能同时满足承载力和稳定性要求隔震钢筋采用自由高度为200mm、8的HRB400级钢筋。采用C30混凝土, 两混凝土块之间的静摩擦系数为0.38, 动摩擦系数为0.26, 弹簧的竖向刚度为456N/mm。

在隔震装置中隔震墩满足上部结构的承载力要求时, 设计试验应达到以下要求^[7]。

1) 第1阶段7度多遇地震作用下, 在台面输入加速度为0.1g时, 隔震墩的隔震钢筋处于弹性范围内, 具有很好的复位功能。

2) 第2阶段7度基本地震作用下, 在台面输入加速度为0.2g时, 隔震墩产生较大的位移以削弱地震作用对上部结构的影响。

3) 第3阶段7度罕遇地震作用下, 在台面输入加速度为0.3g时, 隔震层的相对位移较大, 但是隔震墩两侧墩臂很好地限制了水平变形。

试验在湖南大学土木工程学院的低频激振器二次开发制作的振动台上完成。此次振动台试验采用2层钢框架模型。钢框架模型平面尺寸为1.5m×1.5m, 层高1m, 总高2m。每层4个斜撑, 上部模型总质量为6.4t。试验模型立面和试验装置如图4所示。

试验过程中利用中国工程力学研究所研制的941B拾振器, 以及北京东方振动和噪声技术研究所研制的941B放大器、采集仪和DASP信号分析系统采集台面加速度、加阻尼器时钢框架底部加速度和顶部位移以及未加阻尼器时钢框架的底部加速度和顶部位移。通过测得的加速度时程曲线得到加速度折减系数, 用于研究不同加速度输入下有阻尼器和无阻尼器的隔震效果。试验采用2种地震波作为地震模拟试验振动台台面输入波, 分别是1940年EL-Centro波 (S-N) 和1952年Taft波。EL-Centro波和Taft波的时程曲线如图5所示。

本次振动台试验为了研究摩擦阻尼器的隔震效果, 故而将试验分为2组。

1) 试验1组 (S1) 无摩擦阻尼器隔震:隔震层有4个隔震墩。

2) 试验2组 (S2) 有摩擦阻尼器隔震:隔震层有4个隔震墩和2个摩擦阻尼器。

试验分组及工况如表1所示。

试验过程中通过调节摩擦阻尼器中挤压弹簧的压缩量来改变隔震装置中的阻尼力 (摩擦力) , 并且研究弹簧压缩量为何值时隔震效果最佳。故而在S2组试验时调节挤压弹簧的压缩量为5, 10, 15, 20, 25, 30mm。研究上部结构的动力响应, 从而来判断带摩擦阻尼器复合隔震装置的减震效果。

1) 第1阶段7度多遇地震作用下, 振动台台面输入加速度峰值<0.1g时, 带摩擦阻尼器钢筋沥青隔震墩复合隔震层之间产生微小错动。隔震墩上、下墩块之间有较小的相对位移, 同时摩擦阻尼器的上、下混凝土块之间也产生很小的相对位移。振后能够复位, 上部结构的位移较小。此时带摩擦阻尼器的钢筋沥青隔震墩复合隔震装置处于弹性范围内。

2) 第2阶段7度基本地震作用下, 振动台台面输入加速度峰值<0.2g时, 带摩擦阻尼器的钢筋沥青隔震墩复合隔震层之间出现较为明显的错动。摩擦阻尼器上、下混凝土块之间也有明显的相对滑动。随着台面输入加速度的增大, 上部结构出现了明显晃动。

3) 第3阶段7度罕遇地震作用下, 当振动台台面输入加速度峰值>0.3g时, 隔震墩的隔震钢筋与侧墩块接触, 此时会导致隔震钢筋受力较复杂, 该项内容将在以后的研究中体现。带摩擦阻尼器钢筋沥青隔震墩复合隔震层之间有较为强烈的错动, 摩擦阻尼器上、下混凝土块之间来回错动幅度较大。对比S1和S2组试验可发现, 带摩擦阻尼器隔震装置上部结构明显晃动较小, 振后也能复位。

4) 第4阶段当振动台台面输入加速度峰值>0.6g时, 带摩擦阻尼器的钢筋沥青复合隔震层之间发生强烈的错动, 隔震墩上、下墩块相对位移很大, 隔震钢筋已经屈服难以恢复。摩擦阻尼器上、下混凝土块之间发生明显滑移。隔震墩的隔震钢筋与侧墩块发生碰撞, 钢筋出现明显弯曲, 且上部结构出现扭转, 振动后难以复位。

为了分析带摩擦阻尼器时复合隔震层的隔震效果, 定义加速度折减系数为:

式中:α₁为振动台台面输入最大加速度;α₂为复合隔震层输出最大加速度。

限于篇幅, 仅列出台面输入加速度为0.3g时EL-Centro波在弹簧压缩量为5, 10, 15, 20, 25, 30mm时各工况下的加速度折减系数, 如表2和图6所示。根据图6可得当弹簧压缩量为20mm时, 加速度折减效果最好。当弹簧压缩量过大相当于提高了隔震层的刚度, 对上部结构的加速度不利, 减震效果削弱。

1) 数据分析

当弹簧压缩量为20mm时, 输入地震波为EL-Centro波和Taft波时不同工况代号下台面输入最大加速度和隔震层输出最大加速度以及顶层最大位移如表3所示。

根据表3所示数据对比S1和S2两组试验下, 分析在有阻尼和无阻尼时, 加速度折减系数和钢框架顶层位移的变化。为更清晰地了解这种变化, 将结果绘于图7和图8中。

2) 试验结果分析与讨论

根据表中数据和图形, 可知当弹簧压缩量为20mm时加速度折减系数明显增大, 且随着振动台面输入加速度的增大, 减震效果明显, 当加速度峰值为0.6g时, 未加阻尼器时加速度折减系数为0.5左右, 加阻尼器时加速度折减系数则达到0.7左右。同时, 钢框架顶层位移也明显削弱, 尤其当加速度峰值达到0.6g时位移减小了一半左右。

本文为研究摩擦阻尼器与钢筋沥青隔震墩复合隔震时的减震效果, 进行了振动台模拟试验, 可得出以下结论。

1) 对试验结果分析可知, 在试验1组和2组情况下, 有阻尼器较无阻尼器的隔震装置下减震效果有了明显改善。

2) 依据振动台试验, 可得出当弹簧压缩量为20mm时减震效果最佳, 当弹簧压缩量继续增大时使得隔震层的刚度显著增大, 减震效果下降。

3) 由于隔震层刚度较小, 隔震层的位移较大, 但采用摩擦阻尼器时上部结构的位移得到大幅度降低。

4) 这种新型摩擦阻尼器和钢筋沥青隔震墩的复合隔震装置, 是一种性能稳定的减震、隔震技术, 且两种结构施工简便、价格低廉, 适合在农村多层房屋结构和工业建筑中广泛推广。同时, 可在电力工程中应用, 降低地震对电力设备的影响, 降低建筑物造价。