多层简单框架结构振动台模型设计.pdf
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振动与冲击第32卷第15期JOUNALOFVIBATIONANDSHOCKVol32No152013基金项目:
陕西省自然科学基础研究基金(2007E205);陕西省重点实验室项目(08JZ35)收稿日期:
20120618修改稿收到日期:
20120913第一作者何志坚男,硕士生,1986年生通讯作者王社良男,博士,教授,博士生导师,1957年生多层简单框架结构振动台模型设计何志坚1,王社良2(西安建筑科技大学土木工程学院,西安710055)摘要:
考虑振动台的性能参数和振动台试验的可操作性,运用一致相似率,进行一基础滑移隔震五层钢筋混凝土框架结构和屋面附加层的模型设计。
采用双层底盘设计,制作模型配筋面积等效,添置尽量多的人工质量。
分别采用人工质量模型、忽略重力模型、欠人工质量模型三种方式计算。
研究结果表明:
配重块的设置是合理的,欠人工质量模型的设计是适当可行的,能降低模型的重力失真效应,把加速度放大系数控制到合理的范围之内,减小噪声影响和试验误差。
关键词:
隔震;模型设计;振动台试验;框架结构;欠人工质量模型中图分类号:
TU3521+2文献标识码:
AModeldesignofmultilayersimpleframestructureinshakingtabletestHEZhi-jian1,WANGShe-liang2(CollegeofCivilEngineering,XianUniversityofArchitectureandTechnology,Xian710055,China)Abstract:
Consideringtheperformanceparametersoftheshakingtableandtheoperabilityoftheshakingtabletest,thegeneralsimilitudelawwasappliedtodesignthetestmodelofaslidingbaseisolatedfive-storyreinforcedconcreteframestructureandtheroofoftheadditionallayerThemodelwasdesignedasadoubledeckchassisWithequivalentreinforcementareaandattachedwithasmanyaspossibleartificiallumpedmassesThreekindsofsimplificationswereusedindesigncalculation,namely,themodelwithartificialmasses,themodelneglectinggravityforcesandthemodelwithnotenoughartificialmassesTheresultsshowthat:
theweightsetisreasonableandthemodelofnotenoughartificialmassesisappropriateandfeasibleItcanreducethegravitationaldistortioneffectofthemodelandcontroltheaccelerationamplificationfactorwithinreasonablelimitItcanalsoreducethenoiseinfluenceandexperimentalerrorKeywords:
isolation;modeldesign;shakingtabletest;framestructure;modelofnotenoughartificialmasses基础滑移隔震和调液阻尼减震同属工程结构振动控制中的被动控制1。
许多学者都对基础隔震体系、阻尼减震体系做了振动台模型的试验研究及理论分析。
姚谦峰等2于1993年对四层砖房采用石墨加聚四氟乙烯涂层滑板进行了1/4比例的基础隔震振动台试验,于1999年对三层砖房采用基底滚球隔震系统进行了振动台试验。
江宜城等3对单层框架模型采用叠层橡胶支座进行了基础隔震振动台试验。
吕西林等4对三层钢框架进行了1/12的振动台试验,采用铅芯叠层橡胶支座。
也采用过叠层橡胶支座和滑板摩擦隔震支座形成组合基础隔震系统5。
张文芳等6对九层砖房住宅采用基础滑移隔震体系进行了1/15的振动台试验。
黄襄云等7对八层钢筋混凝土框架剪力墙结构采用铅芯叠层橡胶支座进行了1/25的基础隔震振动台试验。
杨林等89对六层单跨钢框架进行了摩擦摆基础隔震体系的振动台试验。
霍林生等10在二层的单向偏心钢结构模型的顶层放置调液阻尼器进行了振动台试验研究。
大量针对不同结构体系、不同耗能装置、不同缩尺比例的振动台试验研究和理论分析,表明基础隔震体系具有良好的隔震效果,而阻尼减震体系也有良好的减震效果。
但是,对多层钢筋混凝土框架结构采用基础摩擦滑移隔震或调液阻尼消能减震的试验较少。
框架结构的基础摩擦滑移隔震和附加楼层调液阻尼(TunedLiquidDamper,TLD)消能减震协同工作是本课题创新点。
振动台试验模型的理论设计与实际制作存在一定区别,本文立足于振动台的性能参数(台面尺寸、台面承载力等)和试验的可操作性11去阐述一基础滑移隔震五层框架结构和屋面附加层的模型设计及实际制作。
1工程实例及振动台简介一座首层高42m,其余各层高均为36m的5层现浇钢筋混凝土框架结构,X方向2跨,轴间距均为3m;Y方向2跨,轴间距为3m;抗震设防烈度为7度,地震加速度为01g,地震分组为第一组,框架等级为二级,地面粗糙度为B类。
结构阻尼比为005,混凝土强度为C30。
底层柱截面为750mm750mm,其余各层柱截面为600mm600mm,主梁截面为300mm600mm,次梁截面为200mm400mm。
屋面板厚度为120mm,楼板厚度为100mm。
楼面恒荷载为5kN/m2,活荷载为2kN/m2;屋面恒荷载为7kN/m2,不上人屋面活荷载为05kN/m2;外围梁上作用填充墙荷载10kN/m,屋面外围梁上作用女儿墙荷载4kN/m。
试验采用的振动台位于西安建筑科技大学草堂校区。
三维六自由度地震模拟振动台系统台面尺寸为:
41m41m。
最大负荷:
30t。
最大加速度:
水平(X)方向15g(1g=981m/s2),水平(Y)方向10g,竖向(Z)方向10g。
频率:
0150Hz。
2模型的相似关系2.1一致相似率用PKPM计算出原型结构的配筋,并根据建筑抗震设计规范GB500112010和混凝土结构设计规范GB500102002的构造要求进行构造配筋,得到原型结构。
考虑到振动台的实际承载能力,采用国家地震局工程力学研究所研究员张敏政推导的一致相似率12进行模型设计。
根据长度相似比和模型构件材料密度计算得出的模型(结构构件)质量为:
mm=mpl3rr
(1)式中:
mp为原型结构构件的质量,lr为长度相似比;r为材料密度,当使用人工质量模型及原型材料时,r=1。
模型中设置的人工质量为:
ma=Erl2rmpmm
(2)式中:
Er为弹性模量,当使用原型材料时,Er=1。
模型中活载和非结构构件的模拟质量为:
m0m=Erl2rm0p(3)式中:
m0p为原型中活载和非结构构件的质量。
2.2等效的模型配筋设计钢筋混凝土结构试验模型时,很难同时模拟钢筋和混凝土两者,此时依据抗弯能力等效来控制正截面的承载能力,依据抗剪能力等效来控制斜截面承载能力1314。
本文符号上角标“p”表示原型结构符号,上角标“m”表示模型结构符号,“S”表示相似常数。
对原型结构,有:
Mp=fpyApshp0,Vp=fpyvApsvsphp0(4)对模型结构,有:
Mm=fmyAmshm0,Vm=fmyvAmsvsmhm0(5)弯矩相似常数为:
SM=MmMp=fmyAmshm0fpyApshp0=SfySlAmsAps(6)Ams=SMSfySlAps=SSfyS2lAps(7)剪力相似常数为:
SV=VmVp=fmyvAmsvsmhm0fpyvApsvsphp0=SfyvSlSsAmsvApsv(8)AmSv=SVSsSfyvSlApSv=SSfyvSlSsApsv(9)式中:
M为弯矩;fy为纵向钢筋设计强度;As为纵向钢筋面积;h0为截面有效高度;fyv为箍筋设计强度;Asv为箍筋面积;s为箍筋间距。
通过式(7)和(9)可以根据原型结构的配筋面积计算出模型结构的配筋面积,并在其中考虑了钢筋强度和混凝土强度之间采用了不同的相似系数的影响、模型箍筋间距比与几何相似常数不同的影响。
例如,原型结构Z2柱截面为600mm600mm,混凝土强度等级为C30。
纵向钢筋为1218(As=3054mm2,fyv=300MPa),箍筋为双肢10100/150(Asv=101mm2,fyv=210MPa)。
模型几何相似常数为Sl=1/5,应力相似常数为S=1,模型采用细石微粒混凝土,钢筋方面部分采用一级钢Q235,部分采用镀锌铁丝。
配筋6钢筋为一级钢HPB235,4钢筋为镀锌铁丝。
则模型截面为120mm120mm,通过配合比控制细石混凝土强度与原设计混凝土强度比值达到1,镀锌铁丝fy=280MPa,fyv=280MPa,即Sfy=093,Sfyv=133。
由式(7),模型Z2柱配纵向钢筋面积为Ams=1/0930223054=13135mm2,选配46面积为113mm2,还需配8根镀锌铁丝,单根钢筋直径为4mm,换算成镀锌铁丝是8#15。
113+48=145mm213135mm2,可以。
选配46+84。
由公式(9),模型Z2柱配箍筋面积为Amsv=1/1330202101=3038mm2,箍筋间距相似比Ss=Sl=1/5,则单根钢筋直径是2mm,换算成镀锌铁丝是14#。
选配220/40
(2)。
同理可计算出其他构件的配筋。
模型各构件截面尺寸和配筋如表1所示。
101第15期何志坚等:
多层简单框架结构振动台模型设计表1模型各构件截面尺寸和配筋Tab1Modelcomponentssectionsizeandreinforcement构件编号尺寸(mm)配筋KL(二至五层)6012026+4;36;N44;220/40
(2)梁WKL(屋面)36;36;N44;220/40
(2)L(二至五层)408026;24;220/40
(2)WL(屋面)柱Z1(首层)150150106+84;220/40
(2)Z2(二至五层)12012046+84;220/40
(2)板B(二层至屋面)404403试验模型结构3.1模型框架主体本试验目的是测试不同烈度下模型的隔震效果,探讨原型结构在不同水准地震作用下的抗震性能,需要考虑钢筋混凝土结构的非弹性性能,故采用强度模型16,模型与原型结构材料相同。
由振动台台面尺寸、最大承载力和允许高度,首先确定长度相似常数Sl,作为可控相似常数的首选项,在高度允许的前提下,尽量采用较大比例,能使模型的失真降到最小程度。
在综合考虑振动台极限承载能力为30t的基础上,确定模型的缩尺比例为15。
平面是正方形几何规则对称布置,柱距12m,首层层高084m,二至五层层高072m,模型高度、宽度、高宽比分别为372m、24m、155。
模型实物图、构件图分别如图1、2所示。
图1模型实物图Fig1ModelphysicaldiagramL、WLKL、WKLZ2Z1图2模型构件图Fig2Modelcomponent框架主体部分是设计强度为C30的自拌混凝土,骨料为直径58mm卵石。
框架主体部分密度为2500kg/m3。
由模型材料可得弹性模量相似常数SE=1。
根据混凝土结构设计规范GB500102002中构造要求,原型结构抗震等级为二级,框架梁梁端箍筋加密区为15倍梁高和500mm的较大者,底层柱根箍筋加密区长度应取不小于该层柱净高的1/3;存在刚性地面时应另在刚性地面上、下各500mm的高度范围内加密箍筋17。
模型箍筋加密区情况如下:
主梁为两端180mm范围之内,次梁为两端120mm范围之内,底层柱根为300mm范围之内,首层柱和二层柱是变截面关系,二层楼板上、下各200mm范围之内柱箍筋加密,主梁与次梁搭接处有62附加箍筋。
模型施工过程中采用振动棒振捣并在模板上钻孔来提高混凝土的质量水平。
图3附加楼层实物图Fig3Additionalfloorphysicaldiagram3.2屋面附加楼层试验对屋面设置附加楼层进行上部结构的消能减震。
附加层是钢筋混凝土墙,密度为2500kg/m3,矩形立体中空,尺寸为12m12m08m,可作为屋面储水箱或附加楼层。
可用于TLD液体调谐阻尼器,通过改变其质量或阻尼等参数,可分析框架主体结构的动力响应变化情况。
附加楼层实物图如图3所示。
33模型底盘做法人工质量不足的模型,其底部将先于实际结构破坏,同时上部结构的破坏将趋于减缓。
为减小此试验误差,在考虑振动台承载能力的基础上,设置模型底盘并做厚做大,另外,为了使同一个结构模型能够进行滑移隔震和不隔震的对比试验,把隔震层设计为双层底盘,为混凝土底板和基础板,底板与基础板之间设置隔震装置以形成隔震层。
上部结构是通过混凝土底板座落在滑移底盘上的,而滑移底盘置于支座上,可在固定201振动与冲击2013年第32卷图4模型底盘Fig4Modelchassis底盘中滑动。
滑移隔震试验时,将滑移底盘与混凝土底板连接成整体;非隔震试验时,将混凝土底板与振动台面直接连接6。
混凝土底板考虑吊装因素,忽略其试验时对上部框架结构响应的影响,保证其具有足够的刚度,材料采用商品混凝土。
模型首层底板厚02m,基础板厚01m,底板和基础板质量之和约8t,其中底板质量为422t。
模型底盘、底盘平面图分别如图4、5所示。
图5底盘平面图Fig5Chassisplan34模型配重设计341重力失真及加速度放大振动台试验中结构的惯性力是作用在结构上的主要荷载,须考虑模型与原型结构的材料质量密度的相似,要求模型与原型结构的竖向压应变相似常数S等于1,即竖向压应力相似常数S应等于弹性模量相似常数SE16。
为此,须在模型上添加一定数量的人工质量即配重块,以满足由量纲分析规定的全部第一级相似条件。
由于振动台承载能力有限,按照相似理论计算的配重不可能全部加到模型上面,所以模型结构就常为非满配重(欠配重)结构,这时为保证地震作用的等效,要相应提高台面加速度。
由于试验在重力场中进行,重力加速度相似常数Sxg=1,而台面加速度相似系数大于1,按照相似理论的量纲分析要求所有的加速度相似系数必须相等,但目前还不能通过改变重力加速度的大小来改变重力加速度相似系数,因此,台面加速度相似系数与重力加速度相似系数不一致的现象就客观存在,称为重力失真效应18。
加速度相似常数S决定着模型设计能否反映原型结构在各种烈度下的真实地震反应。
若S1,则会存在由于重力失真引起的内力反应的不相似,这种不相似随着S的放大而变大。
在配重不足情况下,无论S如何放大,都会产生内力的不相似性,因此,在实验室条件的允许下,施加尽量多的配重,让S尽可能地接近1,降低振动台噪声前提下,尽量减小加速度放大倍数,同时保证SS1,这样能使重力失真效应的影响减到最小,保证模型动力相似的最大相似性。
加速度相似常数S的范围在2至3之间为宜13。
342欠人工质量模型处理重力失真效应的方法之一是添加人工质量,用高密度材料来增加模型材料的密度,它对结构的强度和刚度无效,但对结构受力有效,用一系列集中在楼板水平处的质量代表对地震有效的质量,从而改变模型材料的等效密度。
试验模型为房屋结构的动力模型,墙体、楼板及框架构件在质量分布上不需要准确模拟,模型设计可以简化,把结构及非结构质量集中到房屋特定位置上如楼板板面就可以19。
欠人工质量模型介于充足人工质量模型和忽略重力模型之间。
为反映建(构)筑物的质量效应,试验模型要模拟建(构)筑物中结构构件以及活载和非结构构件两者的地震效应12。
由原型结构采用二四墙可计算出mp约为800t,m0p约为250t。
由式
(1)可算出mm=64t。
考虑到振动台极限承载能力为30t,扣除底板和基础板质量、模型(结构构件)质量后,即30864=156t,可得到模型中活载、非结构构件及人工质量合计的计算值不超过156t。
实际的模型制作是通过在楼板添加混凝土配重块来实现模型中活载、非结构构件及人工质量的。
按理论公式去计算的话,配重块需要有较大高度甚至会与上面一层连上,或者须设置成密度较大的配重块如铁块。
综合考虑C30纯混凝土的密度、模型楼面面积、模型楼层层高、减小加速度放大倍数、附加楼层质量及满载时质量、施工工艺和施工方便等因素,在二至五层设置现浇混凝土配重块,每层四块,尺寸为08m08m03m,密度为2400kg/m3,可算出配重块的总质量为7373t。
以下分别采用人工质量模型、忽略重力模型、欠人工质量模型这三种方式去计算。
验证采用欠人工质量模型的设计是正确的。
(1)采用人工质量模型由式
(1)式(3)得,mm=64t,ma=256t,m0m=10t。
人工质量模型相似律公式中的加速度为ar=1,重力加速度为gr=1。
时间为tr=l05r=0447,频率为r=l05r=2236。
模型自身质量与人工质量、活载质量之和为42t,超出了振动台的极限承载能力30t,故人工质量模型不能实现。
301第15期何志坚等:
多层简单框架结构振动台模型设计
(2)采用忽略重力模型忽略重力模型中的活载和非结构构件的模拟质量为:
m0m=rl3rm0p(10)由式
(1)、(10)分别得mm=64t,得m0m=2t。
忽略重力模型相似律公式中的加速度为ar=l1r=5,时间为tr=lr=02,频率为r=l1r=5。
虽然模型自身质量与活载质量之和为84t,不超过振动台承载能力,但重力效应仅为实际应有重力效应的84/42100%=20%。
将使试验结果产生重大误差,故不宜采用。
(3)采用欠人工质量由式
(1)、(3)分别得mm=64t,得m0m=10t。
所以欠人工质量ma的取值为ma=3086410t=56t。
据振动台极限承载力,实际模型制作不能按照式
(2)、(3)去取模型中设置的人工质量及模型中活载、非结构构件的模拟质量,而是要把数值适当地取小。
混凝土配重块质量是ma=7373t。
由附加层的密度和尺寸可计算出其质量为0684t。
所以模型中活载、非结构构件及人工质量之和约为8t。
根据振动台模型的惯性力15不变,由牛顿第二定律F=ma,F不变,当模型质量m减小时,加速度相似常数a要变大。
一致相似率中等效密度为:
r=(mm+ma+m0m)/l3r(mp+m0p)(11)时间为:
tr=lr(12)频率为:
r=1/槡r/lr(13)加速度为ar=1/(lrr)(14)由式(11)(14)得r=171,tr=026,r=382,ar=292。
满足加速度相似常数S的范围在2至3之间13,合适。
因设置了部分人工质量,使模型的重力效应达应有重力效应的(64+8+8)/42100%=533%,避免了忽略重力模型的重大误差。
虽然,欠人工质量模型的质量(模型结构自身质量与人工质量之和)没达到人工质量模型总质量的75%20。
但是,由于模型底盘设置合理,能避免因人工质量不足而出现的模型底部先于实际结构破坏及上部结构的破坏趋于减缓,可减小试验误差。
因此,该欠人工质量模型的设计是适当的,也是可行的。
35模型相似参数可得到模型相似比如表2所示。
36最终的试验模型图在结构的顶层放置调液阻尼器可得附加层布置图、最终模型立面图分别如图6、7所示。
表2模型相似比Tab2Modelsimilarratio物理量相似比长度lr=02弹性模量Er=1等效密度r=(mm+ma+m0m)/l3r(mp+m0m)=171应力r=1时间tr=lr=0.26变位rr=lr=02速度r=1/槡r=0.76加速度ar=1/(lrr)=292频率r=1/槡r/lr=3.82图6附加层布置图Fig6Additionallayerarrangement图7最终模型立面图Fig7Finalmodelelevation4结论尽管模型的实际制作与理论设计存在差别:
受限于振动台的极限承载能力,按照公式计算的模型活载、非结构构件的质量不能全部施加到模型上,可能产生因活载、非结构构件的质量考虑不周全而导致的模型部分失真。
部分人工质量不能使模型的重力效应达应有重力效应的75%以上,可能会使模型底部楼层的地震反应放大,但已设置充实底盘弥补。
两者是次要方面,对试验全局影响不大,乃是试验仍需改进的地方。
但是,本试验模型充分考虑了振动台的承载能力、结构的负荷负载情况、模型可能发生的破坏形式以及实际施工过程中的施工工艺,参考一致相似率进行振动台欠人工质量模型的设计与制作是正确的。
基础摩擦滑移隔震体系适用于上部结构简单、规则、刚度小。
基础摩擦滑移隔震体系与结构的基本类型、几何尺寸、隔震层摩擦系数、结构阻尼比等因素密切相关。
课题将对附加楼层的消能减震、基础摩擦滑移隔震以及基础固定抗震这三种情况进行对比分析研究。
401振动与冲击2013年第32卷参考文献1周福霖工程结构减震控制M北京:
地震出版社,19972姚谦峰,丰定国,王清敏滚动隔震结构受力分析J西安建筑科技大学学报,1999,31(3):
249252YAOQian-feng,FENGDing-guo,WANGQing-minMechanicalanalysisofrollingballisolationsystemJJournalofXianUniversityofArchitectureTechnology,1999,31(3):
2492523江宜城,唐家祥单层框架建筑模型基础隔震实验研究J世界地震工程,1999,15(3):
7478JIANGYi-cheng,TANGJia-xiangExperimentalstudyonabase-isolatedbuildingmodelJWorldEarthquakeEngineering,1999,15(3):
74784朱玉华,吕西林,施卫星基础隔震房屋模型振动台试验研究J地震工程与工程振动,2000,20(3):
123129ZHUYu-hua,LXi-lin,SHIWei-xingesearchonshakingtabletestofbaseisolationbuildingJEarthquakeEngineeringandEngineeringVibration,2000,20(3):
1231295吕西
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