新型内置挤压铅消能件竖向隔震墩的设计原理与减震性能分析

发布时间：2020-10-23 04:25

　　 提出一种内置挤压铅消能件竖向隔震墩(VIPL),阐明其构造、特点及核心部件的设计理论;采用数值仿真分析方法分析VIPL的减震性能及其相关参数的影响,结果表明,VIPL的构造和原理可行,其通过弹性层适当延长结构的竖向自振周期,减小共振效应,通过内置挤压铅消能件提供竖向阻尼,具有明确的减震机理;VIPL的竖向刚度较普通钢筋混凝土支墩降低,其挤压铅消能件在极小的竖向位移下就能发挥耗能作用,具有良好的滞回耗能性能;适当增大挤压杆突轴尺寸和增加内置挤压铅体的数量,可有效增大消能件的阻尼力,显著提高VIPL的耗能能力。
【部分图文】：

有挤压杆-铅体组件，利用钢筋混凝土约束挤压杆仅能竖向运动，并为铅体变形提供侧限，构成挤压铅消能系统，增大竖向阻尼。与采用黏滞阻尼器或黏弹性材料等现有常见的方案相比，VIPL挤压铅消能系统的建造成本明显降低，而且避免了油阻尼器服役过程中漏油、黏弹性材料老化等问题所导致的维修或置换费用。(4)构造简单，便于施工。VIPL无需金属线缆空气弹簧支座、液压气缸支座等气压承载式或液压承载式支座所涉及的复杂而苛刻的防渗漏构造。建造VIPL只需部件定位、锚件预埋和混凝土浇筑等常规工艺，在施工上没有难度。图1VIPL构造示意图Fig．1ConstructionschematicdiagramofVIPL2VIPL核心部件的设计理论弹性层和挤压铅消能件是VIPL的两个核心部件。根据工程实际，合理设计这两个部件的参数，是保证VIPL满足竖向承载要求、实现预期减震目标之关键。其中，弹性层作为VIPL的隔震部件，在实际应用中一般采用叠层厚橡胶或聚氨酯弹性体，其竖向极限承载力不应低于支墩的轴力设计值，根据文献［7］，叠层厚橡胶的极限面压应力σvmax可按下式(1)设计。同时，弹性层的竖向刚度应较上部结构降低，以延长结构的竖向振动周期，减小共振效应。根据文献［8］的分析结果，竖向隔震装置一般可控制在上部结构竖向刚度1/10～1/50。当弹性层为叠层厚橡胶时，其竖向压缩刚度Kv按下式(2)进行设计［7］。σvmax=σy0．3tst()r3－0．69tst()r2+0．83tst[()]r3S1槡15(1)

为橡胶的修正压缩弹性模量;A为橡胶层平面面积;TR为橡胶层总厚度;Eb为橡胶的体积弹性模量;Ec为橡胶承压时的表观弹性模量，对于圆形截面橡胶层，可取Ec=E0(1+2kS21)|3GY1+2kS21Y，其中，E0为橡胶材料的弹性模量;G为橡胶的剪切模量;k为与橡胶硬度相关的弹性模量修正系数。挤压杆-铅体作为VIPL的消能组件，其设计主要是指该组件挤压屈服力的设计。根据挤压固体力学理论，铅体在受挤压过程中不同部分的应力和变形是不同的，可分为四个区:①镦粗区;②挤压变形区;③流动区;④未变形区，如图2所示。铅体的塑性变形主要发生在前两区，即镦粗区和挤压变形区。根据Betzalel的研究成果，挤压杆凸部沿挤压方向的单位挤压力p可按下式(3)计算［9］。同时，Muthumani和Gopalkrishnan的研究表明，单位挤压力p与速度v有关，对于地震类速度，挤压力可近似取静载挤压力的1．5倍［10］。挤压铅消能件的挤压屈服力可根据式(3)和式(4)，通过调整挤压杆凸部和铅体的尺寸或数量进行设计。p=σ0(1+μcotα)lnA1A2+μσ0()Ld(3)Fy=A2p(4)式(3):σ0为铅的挤压屈服应力;μ为凸轴与铅的摩擦系数;α为挤压杆凸出部分的倾斜线与凸轴轴线的夹角;A1为非凸轴处铅体的横截面面积;A2为凸轴部铅体的最小横截面面积;d1为凸轴直径;L为挤压长度，如图2所示。图2挤压铅消能件受力分析简图Fig．2Mechanicalanalysisdiagramofleadextrusiondampingcomponent3VIPL的数值模拟及减震性能分析为考察VIPL构造方案的可行性和有效性，本节分别设计VIPL隔震墩模型和普通钢筋混凝土墩模型，采用ANSYS软件分别对其进行有限元建模，并进行竖向荷载作用下的非线性分析，基于分析结果，

、13mm和18mm。第Ⅲ组为挤压杆凸出部对比组，3榀模型，分别编号为VIPL-6～VIPL-8，该组模型的区别在于挤压杆的突轴直径RT不同，分别为48mm、58mm和68mm。第Ⅳ组为铅体尺寸对比组，该组模型分成①、②两个小组:第①小组，3个模型，分别编号为VIPL-9～VIPL-11，其区别在于铅体高度hL不同，分别为60mm、120mm和180mm;第②小组，3个模型，分别编号为VIPL-12～VIPL-14，其区别在于铅体直径RL不同，分别为80mm、110mm和140mm。第Ⅱ～Ⅳ组模型的部件参数，在上文未述及的，与VIPL-2相同。(a)VIPL-1(b)VIPL-2图3VIPL-1与VIPL-2模型尺寸示意图Fig．3SchematicdiagramofVIPL-1andVIPL-2’ssize
【参考文献】

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本文编号：2852548