基底隔震的减振控制实验

2015-12-23董其明李宏男

实验室研究与探索 2015年9期

任亮，田宇，董其明，李宏男

(大连理工大学建设工程学部，辽宁大连116024)

0 引言

传统的抗震设计只要求主体结构在设防烈度内的安全，而对建筑物内部的设施、仪器的保护还存在很多问题，而基础隔震在保护主体结构的同时也减小了建筑物内部设施的振动。传统抗震设计的思想是“硬抗地震”，通过加大梁柱截面的方法来增强结构刚度，这种方法在地震作用下会使地震作用“增强”，还会增加结构的造价，而隔震技术不仅节省费用，而且施工简单震后易修复［1-2］。隔震技术的发展为结构的抗震找到了一个新的方向，对抗震技术的发展具有很重要的意义。

早在20 世纪三四十年代，隔震理论就已被提出，而隔震技术得到重视是从1972 年美国学者J.TP.Yao首次提出结构减震控制的概念时开始。我国学者周福霖教授创造性地提出了“结构减震控制体系”的概念，使得各种减震控制技术上升到了抗震设计理论的新阶段［3］，目前，我国已形成一系列关于隔震技术的标准和设计规范［4］。随着隔震技术与振动控制的发展，目前隔震减振技术已成为结构领域最前沿的发展方向之一，并已在世界各国的实际工程中得到应用。

本实验目的在于使学生加深对基底隔震理论的理解，掌握实验的操作方法及隔震原理，通过对比采取滚珠基底隔震措施前后仪器的振动状态及加速度时程曲线，更深刻认识到隔震重要意义，提高工程应用能力。

建筑隔震是隔离地震给建筑结构带来的冲击作用［5］，而基底隔震技术是在建筑物底部设置水平柔性的隔离装置，使结构隔震系统软化，降低刚度，延长结构的基本自振周期［6］。一般，层数较少的建筑物层间刚度较大，因此其振动周期较短，从标准的地震反应谱中可以知道，结构的加速度反应随着地震周期的增大而减小。因此如果采取措施使结构的自振周期延长，使其与场地的固有周期隔开，使得结构的基频不在地震能的频段之内，这样就会很好地降低建筑物的加速度反应［7-8］。隔震层中结构元件的水平刚度相比于上部结构的水平刚度明显较低，因此可将上部结构近似认为是一个刚体［9-10］，上部结构的相对位移大大减小，达到显著减小结构振动的目的，保证结构物及内部设施的安全以及正常使用［11］。

滚珠隔震是在上部结构与基础顶面间设置滚珠，结构受到水平方向激励时，滚珠沿沟槽滑动，地震作用向上部结构传递的能量在隔震层被阻断。因为上部结构近似是一个刚体，在小震作用下，上部结构与基础之间基本不发生相对错动，在强震作用下结构产生整体水平滑动，从而减小地震作用，使结构不至被破坏［12-13］。同时，由于弹簧作用，使装置具有复位功能，且弹簧可提供一定的阻尼耗散地震能量。与传统的抗震设计不同，隔震是一种“以柔克刚”的抗震设计方法［14］。

1 基底隔震的减振控制模型设计

基底隔震方法大致可分为弹性支承式隔震、滑动式隔震、摆动式隔震以及悬吊式隔震四大类［15］，滑动隔震又可分为滚子隔震和滑动支座隔震，本实验采取滚珠隔震方法。隔震结构体系由上部结构、隔震装置和下部结构三部分组成［16］。在上部结构与基础顶面间设置滚珠，结构受到水平方向激励时，滚珠沿沟槽滑动，使上部结构与基础向上传递的水平方向震动隔开。

整体结构设计图如图1 所示。上部结构和基础之间由滚轮连接，地震发生时，由于滚轮隔离层的存在，地震能量的传递被隔开，大部分能量不能上传到上部结构。

图1 基底隔震系统示意图

基础板设计如图2 所示，滑动槽用于约束滚珠滑动方向，固定螺栓孔可控制上部结构与底板间的固定与分离。

图2 基底隔震底板示意图

滚轮设计如图3 所示。其中4 号、5 号滚轮在滑动槽内沿水平方向滚动，其余6 个滚轮可在两侧起支撑作用。

图3 滚轮隔离层示意图

上部结构设计为一层框架，在一层框架的两侧分别设置一根弹簧。当上部结构沿水平方向滑动时，弹簧可为其提供反向作用力，使其具有自复位能力，且弹簧可提供一定的阻尼耗散地震能量。

2 基底隔震的减振控制试验

2.1 实验准备

根据设计模型加工构件，组装成单层框架结构，结构的上部框架与基础底盘之间通过滚轮连接，固定螺栓孔放置于滑动槽之间，框架两侧与基础底盘用弹簧连接，基础底盘与试验台固定连接。框架两侧的柱采用弹簧钢材料，其余材料均为钢，得到基于基底隔震的减振控制系统实物，即采取了基底隔震措施的单层框架结构。将加速度传感器连接在框架的上部，用于采集结构振动时上部结构的加速度，如图4 所示。

图4 基底隔震振动控制系统实物图

将减振控制系统固定在QUANSER 公司研发的Shake Table II 振动台上。利用基于Compact RIO 平台研发的数据采集系统解调加速度传感器采集到的数据。Compact RIO 主要由三部分组成:实时控制器、FPGA 及工业级I/O 模块(见图5)。

图5 数据采集系统示意图

2.2 采取基底隔震措施前实验

图6 简谐波加速度时程曲线对比图

通过固定螺栓孔，用螺栓将图1 中上部结构固定在底板上，使底板与上部结构固定连接，来模拟没有隔振措施的情况。将加速度传感器黏贴在一层框架的上部，通过振动台对控制系统输入水平方向简谐波振动。观察上部结构的运动情况。利用基于Compact RIO 平台研发的数据采集系统解调加速度传感器采集到的数据，得到上部结构加速度时程曲线(图6 中红色曲线);此时在上部结构中放置几个物块模拟室内家具，再对控制系统输入水平地震波振动(地震波采取的是美国在1940 年得到的EL Centro 波)，观察上部结构的运动情况和放置的小物块状况，并且得到上部结构加速度时程曲线(图7 中红色曲线)。

图7 地震波加速度时程曲线对比图

2.3 采取基底隔震后实验

撤掉固定螺栓，即上部结构与基础顶面间用滚轮连接，上部结构可在水平方向自由移动，两侧的弹簧可以提供一定的回复力。对控制系统输入同样的水平方向简谐波振动，得到上部结构加速度时程曲线(图6中蓝色曲线);此时同样在上部结构中放置几个小物块来模拟家具，再对控制系统输入同样的水平地震波振动，观察上部结构运动情况和放置的小物块状况，并且得到上部结构加速度时程曲线(图7 中蓝色曲线)。

3 实验结果与分析

将两种不同情况下输入水平简谐波振动得到的加速度时程曲线对比如图6 所示，将两种不同情况下输入水平地震波振动得到的加速度时程曲线对比如图7所示，红色曲线为无隔震作用时的加速度时程曲线，蓝色曲线为有隔震作用时的加速度时程曲线。

由加速度时程曲线对比图可以看出，在采取基底隔震措施前输入水平地震波及简谐波振动，上部结构振动剧烈。采取隔震措施后，输入水平地震波及简谐波振动，虽然基础振动不变，但是上部结构振动明显减轻，减振效果非常明显。

两组试验中振动结束后物块的对比图如图8 所示。通过对比图可以明显看出，基底隔震控制系统对减小建筑物内部设施的振动起到显著效果。

图8 室内家具模拟试验对比图

4 结语

实验教学是理论教学与具体实践相结合，巩固理论教学、培养学生综合运用所学理论知识和实际操作能力的重要环节［17］。本实验基于工程实际中常用的隔震方法，设计了一种基于滚珠隔震方法的隔震实验演示装置，通过对比在施加水平地震波和简谐波振动作用时有基底隔震措施和无基底隔震措施时的加速度时程曲线，形象直观地演示了隔震技术在结构抗震中的作用效果。通过实验帮助学生把理论和实践联系起来，能更好地理解基底隔震在实际应用中的工作原理及重要意义。通过实验激发同学们对基底隔震的兴趣和积极性，帮助同学们理解课堂所学理论知识的实际含义，提高工程应用能力。

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