大高宽比橡胶垫隔震结构振动台试验研究_1_

第 38卷 第 12期 2 0 0 6年 12月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY V ol138 N o112 Dec. 2006 大高宽比橡胶垫隔震结构振动台试验研究 ( 1) 王铁英1,王焕定 1,刘文光 2,张永山 2 ( 1. 哈尔滨工业大学 土木工程学院, 哈尔滨 150090, E-ma i:l w ty- jg lx@ sina. com; 2.广州大学 土木工程系 广州 510405) 摘 要: 介绍了相似比为 5、高宽比为 31 1的模型结构振动台试验结果及初步. 首先介绍了铅芯橡胶垫 的隔震设计及橡胶垫静力研究结果,橡胶垫隔震模型结构振动台试验的试验计划, 给出了 8度多个地震波作 用下的试验结果. 试验结果的分析明, 模型结构在 8度 E l- Centro波罕遇地震作用下, 位移和加速度反应 都很大. 橡胶垫在垂直方向的刚度已经进入到非线性阶段,橡胶垫存在承载力失效的危险, 且模型竖向颠动 和水平晃动现象都很严重,被迫停止试验, 说明隔震结构在高烈度地震作用下是存在倾覆危险的. 关键词: 高烈度区;橡胶垫隔震结构;振动台试验; 倾覆 中图分类号: TU3521 1 文献标识码: A 文章编号: 0367- 6234( 2006) 12- 2060- 05 On large height-w idth ratio rubber bearings isolation structure WANG T ie-y ing 1 , WANG Huan-d ing 1 , L IUW en-guang 2 , ZHANG Yong-shan 2 ( 1. Schoo l o f C iv il Eng ineer ing, H a rbin Institute o f Techno logy, H arbin 150090, Ch ina, E-m a i:l w ty- jg lx@ s ina. com; 2. Schoo l of C iv il Eng ineer ing, Guangzhou Un ive rs ity, Guang zhou 510405, Ch ina) Abstract: The shak ing table test and analysis on a model structure are done. The resemble ratio of mode l structure is 5, and its height- w idth ratio is 311. A t firs,t the design process and the static test result of the designed lead- plug rubber bearings are introduced. Second ly, the load p lan of the shaking table test on the rubber bearing iso lationmode l structure is put ou.t Then the test result of intensity o f fortif ication leve l 8 in many earthquakew aves is introducedmost ly. The analysis on test result indicates that the accelerat ion and dis- placement ofmodel structure are very large in intensity o f se ldom occurred earthquake of fort ification level 8 in E l- Centro w ave. The vert ica l st iffness of rubber bearings is non linear. The rubber bearings have po tent ia l danger of de fault bearing capac ity. And themode lbumps in vert ica l and shakes in horizon. The test has to be stopped. So the resu lt show s that isolat ion structure has overturning danger in zone o f h igh fort ification leve.l Key words: zone of h igh fortificat ion leve;l rubber bearing iso la tion structure; shak ing table tes;t overturning 收稿日期: 2004- 04- 07. 基金项目: 广州大学抗震中心重点实验室基金资助项目. 作者简介: 王铁英 ( 1976) ) ,女,博士; 王焕定 ( 1942- ) ,男,教授,博士生导师. 隔震耗能技术已经从研究领域进入到实际应 用阶段.在实际应用中,叠层橡胶垫隔震技术充分 体现了其耗能减震的优越性, 经受了多次地震考 验.由于在高层建筑中应用橡胶垫隔震可获得更 好的经济性,因此高层橡胶垫隔震已经成为必然 的发展趋势.但目前对高层隔震结构的研究还没 有统一的认识, 为此本文对高宽比 311的隔震模 型结构进行了振动台试验研究, 从而研究大高宽 比橡胶垫隔震结构的地震反应特点,以验证在高 烈度区是否存在倾覆问题. 1 试验模型 本模型为一幢三榀二跨的六层框架结构, 其 原形是用 PKPM程序设计完成的 [ 1] .框架模型取 1B 5缩尺比例,主振方向为不等长两跨, 次振方 向为等长两跨,其立面图如图 1所示.为了提高结 构的高宽比,将隔震支座布置在主振方向的不等 跨的中柱下,如图 1主振方向立面图所示,则结构 的高宽比变为 3172 /112= 311. 图 1 框架模型立面图 /m 图 2 橡胶垫布置位置 各层柱子截面尺寸 90mm @ 9 0mm, 主振方 向的梁截面尺寸为120mm @ 60mm,次振方向的梁截 面尺寸为 80mm @60mm,各层楼板厚度为 30mm.模 型有两块底板:第 1块为与振动台台面连接的底板,厚 度为 200mm,平面尺寸为 216m @ 216m;第 2块为隔 震支座上面的承托层,厚度为 180mm,平面尺寸为 216 m @118m.各层质量分别为: 11185、11305、11305、11305、 11305、110025 .t 2 原结构的试验结果 为了避免原结构 (不隔震的模型 )在 8度地 震作用下产生构件破坏, 所以没有对原结构做 8 度地震的试验.只列出以前试验时 E l- C entro波 7度地震作用下的振动台试验结果, 以便对比隔 震效果.加速度相似比 Ca为 118, 结果见表 1. 从 试验结果可以看出,结构刚度比较大,水平方向顶 层加速度与振动台台面相比,加速度是放大的,且 放大倍数是 2~ 4倍.模型结构周期为 0125 s. 3 隔震层设计 311 橡胶垫基本参数 结构总质量 714 ,t 4个支座,布置位置见图 2. 表 1 原结构加速度和位移反应 加速度 m / s2、位移 mm 每个支座承载力 > 1185 .t选用汕头和泰隔震 器材有限公司最小的现有模具 GZP100V5A,并在 模具的基础上改为铅芯橡胶垫设计新的参数:总 高度 8715 mm; 中孔直径 18mm; 联结板厚度 12 mm; 设计承载力 75 kN; 夹层薄钢板层厚 115mm; 保护层 5 mm; 封钢板层厚 10 mm; 有效直径 100 mm; 橡胶总厚 2215mm;夹层薄钢板层数 14;高度 (不含联结板 ) 6315 mm;橡胶层数 15; 最大位移 55 mm;外径 110mm; 橡胶层厚 115 mm;设计面压 15M pa;位移 ( dmax ) 23 mm. 312 力学性能理论计算 [ 2] 隔震支座的有效直径 D = 100mm,截面面积 7 600mm 2 .橡胶的剪切模量 G = 0155N /mm2橡胶 的体积弹性模量 E b = 1 960 N /mm2, 竖向弹性模 量 E 0 = 1180 N /mm2,硬度修正系数 J为 0177. 第 1形状系数: S1 = D - D 0 4tr = 100- 18 4 @ 115 = 13167 第 2形状系数: S2 = D - D0 T r = 100- 18 2215 = 3164. 橡胶 的水平刚度: K h0 = GA /ntr = 01186 kN /mm,屈服 后刚度: K y, 50 = K h0 ( 1 + (01588A q ) /A ) = 01190 kN /mm ,屈服前刚度取为屈服后刚度的 13倍: Ky, 5 = 2147 kN /mm, 铅芯的屈服力: Q d = SA = 21163 kN, 水平剪切变形为 50% 的等效刚度: K eq, 50 = (Kh 0D50 + Qd ) /D50 = 01378 kN /mm,水平剪 #2061#第 12期 王铁英,等: 大高宽比橡胶垫隔震结构振动台试验研究 ( 1) 切变形为 50% 的等效阻尼比 ( B = 13): Neq = 2Qd ( r @ T r - Qd / (B - 1)K d ) /PK eq ( r @ Tr ) 2 = 01296,水平剪切变形为 100%的等效刚度: K eq, 100 = (K h0D100 + Q d ) /D100 = 01282 kN /mm, 水平剪切 变形为 100% 的等效阻尼比 ( B = 13): Neq = 2Qd r @ T r - Q d (B- 1)Kd PK eq ( r @ Tr ) 2 = 01208 313 橡胶垫静力试验性能 为确定橡胶垫的基本性能, 在广州大学抗震 试验中心对定制的 5个带铅芯的橡胶垫进行了水 平剪切应变为 50%和 100% 的压剪试验. 力和位 移曲线如图 3所示.每个试件采用应变为 100%的 第 3圈滞回环计算结果如表 2. 表 2 铅芯橡胶垫应变 100%的力学性能 试件 屈服刚度 kN /mm 屈服力 /kN 阻尼比等效刚度 kN /mm 1 01277 5 01240 6 01186 5 01379 9 2 01306 0 01319 3 01216 5 01407 9 3 01315 9 01288 8 01190 7 01434 3 4 01321 7 01290 3 01204 2 01408 8 5 01257 2 01311 2 01222 3 01381 6 图 3 铅芯橡胶垫水平剪切应变 50% 和 100%的力和位移曲线 取其中的 1、2、3、5安装在模型隔震层上, 取此 4个橡胶垫的各项试验力学性能的平均值 进行时程分析计算 , 减震系数约为 0160, 满足 规范要求. 4 试验 本次试验方案为: ( 1)白噪声 x向,总持时60 s, 幅值 0109 g; ( 2) E l- Centro EW波 y向试验; ( 3) E l - Centro EW波 y + z向试验 z向幅值 01126 g; ( 4) Griffith波 y向试验; ( 5) Griffith波 y + z向试验 z向 幅值 01110 g; ( 6)Taft波 y向试验; ( 7)Taft波 y + z 向试验 z向幅值 01085 g; ( 17)白噪声 x向,总持时 60 s,幅值 0109 g(加速度相似比 Ca为 118,时间相 似比 C t为 1/3,包含多遇烈度峰值 01126 g;基本烈 度 峰值 0136 g和罕遇烈度峰值 0172 g总计 17次 试验 ).原设计方案中罕遇地震也是 7种工况,但是 进行第 16号 E l- Centro波试验时地震反应过大,试 验终止. 5 隔震结构在 8度地震动下的加速 度反应分析 振动台试验是在广州大学抗震试验中心 3m @ 3m三向六自由度地震模拟振动台上完成.在水平 和垂直方向各设置了 10个测点. 每个测点同时设 有加速度计和位移计. 10个测点的位置为振动台底 板中心位置,隔震层 A、B、C测点,位置见图 2. 1~ 6 层楼板中心处各一个测点.结构模型的加速度相似 比为 118.其试验结果见表 3~ 5.由于 Taft波的实 验台面加速度异常,现只列出 E l- Centro波和 G ri-f fith波的反应结果. 表 3 隔震结构在 8度小震下的加速度反应峰值 m / s2 隔震层 A简记为 A ;隔震层 B简记为 B ;隔震层 C简记为 C ; F 表示放大倍数.下面不再逐一说明. #2062# 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 38卷 表 4 隔震结构在 8度中震的加速度反应峰值 m / s2 表 5 结构在 El- Centro波水平单向 8度大震的 水平加速度反应 m /s2 台面 A B C 1 7127 - 7138 - 7138 - 7142 - 5196 2 3 4 5 6 - 5135 6144 - 5119 - 6162 - 8160 6 结构在 8度地震动下的位移反应 位移是利用丹麦 B&K公司的位移计测量的, 该位移计给出的是相对位移结果. 表 6~ 9列出的 是处理后的结果. 此外,试验结构设置了 4个 LVDT位移传感器. 具体位置分别为隔震层点南侧 280mm处和 C点北 侧 100mm的垂直方向,隔震 A 点的水平方向, 顶层 层间水平方向.试验结果见表 9. 表 6 隔震结构在 8度小震下的层间位移反应峰值 mm 表 7 隔震结构在 8度中震的层间位移反应峰值 mm 表 8 结构在 E l- Centro波水平单向 8度大震 水平层间位移反应峰值 mm 台面 A B C 1 - 41061 231953 241157 231672 - 61407 2 3 4 5 6 - 41298 - 31850 31585 - 31403 31670 表 9 隔震结构在 8度下的层间位移反应峰值 ( y向 ) mm 模型 多遇地震 E l- C entro Griff ith 单 双 单 双 设计地震 E l- C entro Griff ith 单 双 单 双 罕遇 E l- C en tro 单 隔 A 垂直 01374 01460 01315 01399 11259 11249 01769 01996 21485 隔 A 水平 21286 21313 11152 11144 81379 71382 41174 31421 191590 顶层水平 - 01193 - 01216 - 01179 - 01167 - 01506 - 01481 - 01369 - 01336 - 01809 隔 C垂直 01680 01832 01489 01493 31092 21948 11449 11450 101423 7 试验结果分析 前已述及,为了保护结构安全,对无控结构没有做 8度地震作用.但是从图 4~ 6可以看出,隔震后的结构 在 8度小震下的水平加速度反应比无控结构 7度小震 下的加速度反应明显降低,说明橡胶垫在水平方向起 到了隔震效果.同时,从水平加速度顶层与台面输入加 速度比来看,隔震后,水平方向的加速度放大倍数明显 降低,在 1~ 2倍,无控时,大概为 2~ 4.从位移反应分 析,隔震层水平位移明显较上部结构的层间位移大.在 8度罕遇地震作用下,隔震层的水平位移约为橡胶垫水 平应变的 100%. #2063#第 12期 王铁英,等: 大高宽比橡胶垫隔震结构振动台试验研究 ( 1) 注: 图 4~ 5中无控结构 0层指振动台台面, 隔震结构 0层指隔震层, - 1层为振动台台面. 地震波的输入方式采用两种, 一种为水平主 振方向单向输入,另一种是水平主振方向和竖向 同时输入,水平峰值按设计加速度调整,垂直峰值 按原地震波水平和垂直的比例调整,见试验方案 (但实际台面控制不一定能实现预期结果, taft波 更是异常 ). 从试验对比分析, 单向输入和双向输 入的水平加速度反应十分接近, 说明垂直方向的 地震动对水平地震反应几乎没有影响.但是,结构 在中震和大震作用下垂直方向的隔震位移反应比 较大, 中震即达到 1 mm多, 大震时反应更大, 而 根据橡胶垫的垂直刚度计算, 隔震层提离位移超 过 01136mm,橡胶垫即进入受拉状态, 当竖向拉 伸变形超过 01675 mm的时候, 橡胶垫的拉伸刚 度进入非线性变化,因而从位移反应分析,橡胶垫 在中震的时候,由于拉压反复作用下,竖向刚度已 经进入非线性.但是, 橡胶垫是结构在垂直方向的 主要支撑构件, 而垂直方向刚度进入非线性就意 味着橡胶垫有受压或受拉失效的危险,直接可能 导致橡胶垫承载力下降,整个结构存在倾覆危险. 同时,从竖向位移上看,在 8度 E l- Centro波罕遇 地震作用下,隔震层实测的竖向变形峰值达到了 101423 mm,说明其确实出现了倾覆危险.从试验 现象观察和试验录像分析可见,隔震层出现颠动, 上部结构晃动很厉害,试验被迫停止. 本次试验共采用了两种最不利地震波 [ 3] , Griff ith波是指 1994年, LosAngeles Griffith Obser- va tion Northridge, I类场地波; E l- Centro波为 1940年, E l Centro- lmp Va ll lrr D is,t E l Centro测 得的地震记录, III类场地波. 原结构按 II场地设 计.从试验结果分析, 结构在 E l- C entro波的振动 下,水平地震反应较大, G riffith波较小. 8 结 论 1)橡胶垫在水平方向已经起到了显著的隔 震效果. 2)垂直方向的地震动对水平地震反应几 乎没有影响.但橡胶垫隔震对竖向地震没明显隔 震效果. 3)在 8度罕遇地震时竖向刚度已经进入 非线性,整个结构产生明显的颠簸和晃动,存在着 倾覆的危险. 4)在两种最不利地震波作用下, 结 构反应都很大,结构在 E l- Centro波的振动下, 水 平地震反应较大, Griffith波较小. 无论从试验现 象和试验反应分析, 都验证了预期的分析结 论 [ 4] :在高烈度地震作用下, 橡胶垫隔震结构是 可能存在倾覆危险的.在本文续篇中,将介绍装有 抗倾覆装置的隔震结构试验结果及详细的定量分 析内容. 参考文献: [ 1] 张建国. 滞变 - 摩擦基底隔震系统研究 [ D ]. 哈尔 滨: 哈尔滨建筑大学, 2000. [ 2] 刘文光. 橡胶隔震支座力学性能及隔震结构地震反 应分析 [ D ]. 北京:北京工业大学, 2003. [ 3] 谢礼立, 翟长海.最不利设计地震动研究 [ J]. 地震学 报. 2003, 25( 3) : 250- 261. [ 4] 王铁英. 橡胶垫隔震结构的抗倾覆研究 [ D ]. 哈尔 滨: 哈尔滨工业大学, 2004. (编辑 姚向红 ) #2064# 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 38卷