地震波輸入情況下的鋼絲繩隔震器試驗研究

在這項工作的整體形式中，采用了一種具有縮短剛性結構的國家發明鼓彈簧隔震器，并對兩部分總體模型進行了分析。在自然地震波和爆炸地震波的入口進行了地震勘探，并在兩種情況下觀察到了地震的隔震效果，并確定了相關譜、畸變和位移的情況。研究表明,針對爆炸震動研制的該型隔震器對兩者的震動隔離效果存在較大區別,這一方面反映了兩種輸入震動波形在持時、頻譜、幅值、能量方面存在著較大不同,另一方面也反映了該型隔震器本身固有的力學特性對不同輸入震動波形響應存在的差別。1單自由度結構模型的安裝原型結構為兩層全鋼框架結構形式,每層凈高3.9m,總高度7.92m,水平方向幅員為6m×4m;結構頂板、樓板、底板厚度分別為3cm、4.5cm、4.5cm,側墻厚度3cm。模型的縮尺比例為6∶1,縮尺后模型每層凈高0.65m,總高度為1.32m,水平方向幅員為1m×0.666m,結構頂板、樓板、底板厚度分別為0.5cm、0.8cm、0.8cm,側墻厚度0.5cm。結構設計上采用鋼板與槽鋼組合形式,鋼板模擬結構底板、樓板、頂板及側墻等,槽鋼則模擬結構承重柱。由于模型對應的原型結構幅員不大,沒有對梁進行模擬。另外,為了簡化設計以及照顧模型的構件剛度,鋼板厚度比實際可能采用的厚度加大,這樣做一方面可以適當模擬工程使用過程中的實際荷載,另一方面就是不至于使模型的構件(主要是鋼板)太薄,以免使模型組裝(尤其是構件連接上)發生困難。考慮到該三維模型使用了非常多的不同尺寸構件,構件連接之處特別多,對連接精度要求很高,為避免焊接產生熱變形使構件組裝發生困難,構件之間全部采用螺栓連接。由于整體隔震的需要,除了模型底部布置有隔震器外,模型周邊側向也布置有隔震器,這些側向隔震器收稿日期:2008-04-02修改稿收到日期:2008-07-01第一作者謝清糧男,博士生,副研,1969年2月生必須由具有一定剛度的支架進行固定,包括與結構本身和連接鋼板之間的固定(連接鋼板通過螺栓與震動臺臺面或地面連接)。設計這些固定鋼支架的主要要求是保證其在結構震動過程中不產生變形(主要是彎曲變形),因此必須具有足夠的整體抗彎剛度。該固定鋼支架也是由鋼板和槽鋼、角鋼等各種型材組合形成,各型材之間通過螺栓連接。多自由度非線性系統如果設計合理,可以近似以單自由度線性系統考慮,即非如此,表征線性系統特性的最低階主模態(對應系統基頻)也是溝通線性振動和非線性振動的橋梁,在各種共振狀態下出現的大振幅非線性現象,將以很少的線性主模態呈現出來,其他很多文獻也有類似結論。本文試驗基于上述論述,也初步按單自由度系統來考慮。由于“非耦合體系”要求系統“質量中心”和“剛度中心”重合,經計算,當側向隔震器在模型高度方向的支承位置位于模型樓板處以上約20cm時,滿足以上條件。試驗中側向隔震器的實際支承位置選擇在模型樓板處,因為此處結構的抗彎剛度較大,同時也使側向隔震器的安裝更便利。與模型高度方向的幅員相比,這個位置偏差很小,不影響整體模型按非耦合體系進行考慮。在本試驗的后續試驗中按“兩心重合”原則進行了側向隔震器安裝位置的調整,試驗結果沒有發現位置變化存在任何明顯的影響。兩層整體鋼結構模型正、側視簡圖及在比例坑道內安裝示意見圖1。整體模型天然地震波試驗是在大連理工大學“工程抗震研究中心”的地震臺上進行的。該地震臺最大負載10t;臺面由一1m×3m的長方形與兩個半徑為1.5m的半圓組成一橢圓形狀;垂直滿載加速度0.7g(g為重力加速度),水平滿載加速度1.0g;垂直最大位移±50mm,水平最大位移±75mm:水平最大速度±50cm/s;工作頻率范圍0.1Hz～50Hz:激振方向為水平+垂直+同平面內搖擺;控制方式為計算機數控;驅動方式為電液伺服。整體模型爆炸地震波試驗是在我所試驗場自行開挖的比例坑道內進行的(兩個模型均放置于北側坑道)。坑道所處地質環境圍巖為節理較發育的層狀沉積變質凝灰巖,傾角約為45°,走向大體為南北向。裝藥位于坑道軸向頂部及坑道側向不同斷面的圍巖中,預先打好藥孔。比例坑道有尺寸及模型布置示意見圖2。模型在震動臺上和坑道中組裝完畢和底部及側向隔震器安裝照片如圖3所示。整體模型天然地震波試驗測試系統采用震動臺配套的“聯合時頻測試分析系統-DSPS”和“BJQN-4系列光電圖象式撓度檢測儀”,前者用來測量加速度和應變,后者用來測量位移。試驗共布置加速度測點4個(8路),分別布置在震動臺臺面中心、模型結構的底板、樓板、頂板中心,每個測點測量水平(沿地震臺臺面橢圓長軸方向)及垂直兩個方向的加速度信號;布置應變測點27個(54路),分別布置在模型結構的底板、樓板、頂板庳側墻上,采用的各種傳感器均為地震臺配套設備;布置位移測點一個,用來測量模型頂板角上與震動臺臺面之間的相對位移。整體模型爆炸地震波試驗測試系統采用我所新近配置的野外量測試驗車的車載測試系統,主要裝備為“四川實時信號研究所”生產的瞬態信號采集儀(配套軟件為泰斯特信號采集系統DAP3.14)和日本產磁帶機,以及相應配套的電荷放大器、加速度傳感器、應變放大器、橋盒、應變片等。布置加速度測點4個(12路,每個測點3路),分別布置在地面連接鋼板中心、模型結構的底板、樓板、頂板中心,每個測點測量水平向(X向沿坑道軸線、Y向與X向垂直)及垂直向(鉛垂向)三個方向的加速度信號;布置應變測點7個(14路,每個測點2路),分別布置在模型結構的底板、樓板、頂板和側墻上,采用的加速度傳感器為秦皇島市北戴河蘭德科技有限公司所產BZ系列及丹麥B&K公司4320系列,電荷、應變放大器為我所自行研制;相對位移測量采用人工加工的簡易鋼支架(固定于側向隔震器固定鋼支架上)進行,用來測量模型頂板角上與地面連接鋼板之間的相對位移,具體可參見圖3。兩次試驗測試系統照片見圖4。試驗采用隔震器的有關參數為:繩徑6mm,每股長度70mm,共8股:自由高度約70mm:每個隔震器負載約55kg。隔震器在徑向和側向具有不同的剛度特性,由于是鼓形設計,側向所有方向的剛度基本相等,圖5為隔震器實測徑向和側向靜力剛度曲線。天然地震波試驗輸入波形有關參數:選取Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類場地土上實測的四條地震波作為震動臺輸入,其中Ⅰ類場地一條-CPM波,為水平分量地震波;Ⅱ類場地兩條-EL波和QIAN波,其中EL波為南北水平分量地震波,QIAN波為水平+垂直分量復合地震波;Ⅲ類場地一條-TJ波,為水平+垂直分量復合地震波。前三條地震波持時均為60s,第四條地震波持時為57s;地震波水平分量峰值均為2g,垂直分量峰值均為1.333g;前兩條波采樣率為50Hz,后兩條為100Hz。試驗輸入時,按模型試驗的相似原則對原波形進行縮尺再輸入震動臺,即試驗時輸入波形持時為原波形的1/6,采樣點數與原波形一致,波形幅值同樣根據相似原則擴大6倍。現階段實測最大天然地震約為2g左右,但限于震動臺的負載能力,無法模擬最大量值的天然地震,實際加載的地震波幅值最大約為2g,即模擬了約0.33g的天然地震。另外,為了確保作用效果,有些波形進行了人為重復。四條輸入波形如圖6所示。加載方式為每條波形幅值從小到大逐級加載,四條波形依次加載完為一級,共加載6級,直到隔震器出現嚴重變形或有鋼絲繩被拔出為止。爆炸地震波試驗是通過TNT集團裝藥在巖土中爆炸產生的地震動對整體結構進行震動加載。試驗共進行23炮次。其中頂爆5炮,側爆18炮,頂爆最小藥量2.4kg,最大藥量4kg,側爆最小藥量0.8kg,最大藥量16kg,爆心距每炮均有變化。結構所處基礎地面連接鋼板表面X方向的實測地震動加速度輸入量值從3.2m/s2到610.36m/s2,Y方向從5.37m/s2到718.76m/s2,Z方向從8.69m/s2到1196.3m/s2(X方向為結構長軸方向,Y方向為結構短軸方向,Z方向為鉛垂方向)圖7為典型實測輸入加速度波形。2模型試驗結果2.1全球模型的振動率2.1.1無隔震器支撐下的震動試驗就我們主要關心的整體模型的隔震率而言,對天然地震波試驗,平均隔震率見表1。為了對比結構在有隔震器支撐和無隔震器支撐情況下的震動,也對該模型進行了無隔震器支撐情況下的震動試驗。從表1可以看山,該型隔震器對天然地震波的隔離效果不理想,但相比無隔震器試驗,情況還是有所改善。2.1.2震率與震率分析對爆炸地震波試驗,整體模型的平均隔震率見表2。從表2可見,該型號隔震器對爆炸地震波的隔離效果很好,與對天然地震波的隔離效果形成了鮮明對比。2.2輸入和響應速度的波形及其譜特性2.2.1響應波形密度圖8為結構底板對四條輸入地震波的響應波形,與前面的輸入波形對比可以看出,兩者在形態上極其相似,另外,結構樓板、頂板的響應波形與底板響應波形也很相似,這里不再給出。圖9為輸入及結構底板響應波形的頻譜對比,從圖中可以看出,輸入波形的頻譜集中在50Hz以內,結構底板響應波形的頻譜具有很突出的主頻,即該型號隔震器對天然地震波具有很強的頻率篩選作用。這些異常突出的主頻即可認為是整體模型的基頻,經統計得到模型水平向的自振頻率約為8.97Hz:垂直向的自振頻率約為10.77Hz。另外,結構樓板、頂板響應波形的頻譜與底板存在同樣的規律,這里不再給出。2.2.2衰減作用特征圖10為結構底板對爆炸地震波的響應波形,與前面的輸入波形對比可以看出,除了在波形幅值上有大幅度減小外,在響應時間上明顯延長,這正反映了該型隔震器對爆炸地震波的衰減作用特征。與天然地震波的響應對比,兩者存在巨大差別。雖然天然地震波也是一種隨機性很強的波動,但與強瞬態特征明顯的爆炸地震波相比,由于作用持時很長,基本可以近似看成是一種穩態震動,因此,該型隔震器對兩者的響應存在巨大差別就不足為奇了。圖11為輸入及結構底板響應波形的頻譜對比,從圖中可以看出,輸入波形的頻譜絕大部分集中在500Hz以內,結構底板響應波形的頻譜沒有特別突出的主頻,與該型號隔震器對天然地震波具有強烈的頻率篩選作用存在很大差別。2.3變形波形及其光譜特性2.3.1結構應變分析圖12為結構底板、樓板、頂板中心對CPM波的應變響應波形及頻譜,從圖中可以看出,底板、樓板和頂板的應變信號其頻譜存在較大區別,底板應變信號的頻譜分量非常集中地分布在50Hz以下,而樓板的應變信號其頻譜分量雖然絕大部分也分布在50Hz以內,但超過50Hz的頻率范圍已經可以看到也存在一定的分布量值,而頂板應變信號其頻譜分量在所分析的頻帶范圍內基本呈均勻分布。其原因可以認為在地震波剛傳入結構時,結構響應(應變波)包含的頻率成分主要為輸入地震波的頻率成分,而輸入地震波的主要頻帶正處于50Hz以下。在地震波通過結構的傳播過程中,逐漸耦合了結構本身各構件豐富的自振頻率特性,因此將相對較為集中的頻帶基本均勻延展到分析的整個頻帶范圍。結構對其他三條波的應變響應情況與CPM波具有基本一致的特點,這里不再給出。實測結構不同部位應變量值均在100με以下,遠小于鋼的應變極限,為一次要參量。從應變峰值在模型結構不同部位上的變化來看,有一個比較明顯的趨勢,那就是相對模型第1層而言,模型第2層的應變要大一些,尤其是第2層的短側墻,而第2層的長側墻與第1層的長側墻相比其應變變化不明顯。這說明了兩點,第一,相對模型第1層,模型第2層的穩定性要差一些,響應要大一些,這與結構的支撐方式是吻合的;第二,震動臺水平向地震波輸入的方向是平行于模型結構的長軸方向的,因此結構在輸入震動作用下,存在繞短軸方向的轉動趨勢,而這正好會比較明顯地反應在結構第2層短側墻的應變響應上,因為這個方向的側墻正好垂直于震動臺的水平震動方向,其抗彎剛度比平行于震動臺水平震動方向的模型側墻的抗壓、抗拉剛度要小很多,而第2層長側墻與第1層長側墻的應變變化不明顯說明,長側墻抗壓、抗拉剛度較抗彎剛度大的影響超過了模型第1層與第2層支撐穩定性差別的影響。2.3.2天然地震波作用下的頻率篩選及混疊效應圖13為典型結構底板、樓板、頂板中心對爆炸地震波的應變響應波形及頻譜,從圖中看不出什么特別有價值的規律,只能發現高頻分量較多且離散,不存在天然地震波作用下結構應變響應較強的頻率篩選及結構構件自身頻率的混疊效應。實測結構不同部位應變量值也均在100με以下,同樣遠小于鋼的應變極限,為一次要參量。2.4天然地震波作用的位移如前所述,為了了解整體隔震結構在不同輸入情況下的位移情況,測試了模型頂部與基礎之間的相對位移。結果表明,模型在天然地震波作用下所有輸入量級下位移均較明顯,最大水平向位移達到2cm左右,最大垂直向位移達到1.8cm左右,圖14為模型在天然地震波作用下典型的位移曲線。模型在最大量級加載時,隔震器基本上都出現了鋼絲繩被拔出的現象。整體模型在爆炸地震波作用下,絕大部分炮次無宏觀可見位移,僅有6炮次出現宏觀可見位移,通過簡易測量裝置測到的最大位移約0.4cm。隔震器鋼絲繩均沒有出現被拔出的現象。3結構的剛度特性由上述模型試驗的結果,作以下簡要分析。該型號隔震器是針對只有高幅值、短脈寬、短持時、高頻豐富、強瞬態特征明顯的爆炸地震波研制的,對其引起的震動具有明顯的隔離能力。在一定范圍內,外界輸入震動加速度幅值越大,其震動幅值隔離百分比越高,這與該型隔震器所采用的材料及結構型式有直接的關系。隔震器每股鋼絲繩均由經特殊加工的不銹細鋼絲集束繞制而成,細鋼絲本身雖然具有很大的彈性模量,但由于其巨大的長細比,在受外界荷載作用時,整根鋼絲彎曲剛度很小,利于消耗震動沖擊能量;另一方面,由多束細鋼絲繞制的鋼絲繩則具有較大的抗彎剛度,滿足了工程平時使用上對大剛度的要求。震動時細鋼絲本身的彎曲變形以及相互之間的滑動摩擦則可以大量耗散外界震動能量,正是這種軟硬兼顧的結構形式很好地協調了平時使用和戰時隔震耗能的雙重功能需要。反映在其徑向剛度曲線上,就是其初始剛度較大,但是隨著外界震動荷載的輸入,一旦突破其初始靜摩擦力,其剛度就很快減小,屬于明顯的非線性軟剛度特性,這一點從前面給出的剛度曲線就可以看得非常清楚。該型隔震器對具有低幅值、長持時、低頻集中、能量大、強瞬態特征不明顯的天然地震波引起的震動隔離效果不明顯,主要原因在于試驗輸入的天然地震波其幅值、頻譜、持時、能量等特性均與隔震器設計的主要隔沖吸能工作范圍存在較大區別。具體來說,地震波由于其持時很長,雖然加速度峰值不大,但總能量相對該種結構來說很大(與爆炸波能量相比),從上面給出的輸入及響應波形的形態對比也可以看出,在時間長達幾十秒的地震波作用下,結構基本按輸入波形的相似形態響應,與爆炸地震波作用下結溝的強瞬態響應存在明顯的區別。另外,天然地震