变刚度钢管混凝土

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1、第17卷第6期工程力学Vol.17No.62000年12月ENGINEERINGMECHANICSDec.2000文章编号1000-4750(2000)06-041-06变刚度钢管混凝土短柱隔震装置的试验研究王焕定赵桂峰(哈尔滨建筑大学,建筑工程学院黑龙江哈尔滨150090)摘要本文提出了变刚度钢管混凝土短柱隔震装置的设想进行了足尺隔震装置滑动摩擦滚动摩擦两种方案的伪静力试验结果表明本文装置具有较好的耗能能力延性及变刚度特性能够在中小震时起到较好的隔震效果在大震时避免隔震层产生过大位移及隔震元件失稳现象的

2、发生关键词变刚度隔震钢管混凝土短柱恢复力中图分类号TU375文献标识码A1引言目前各种基础隔震技术如叠层橡胶垫摩擦滚珠和短柱隔震技术等都取得了较[1]大的进展且大多在实际工程中得到了应用其中钢管混凝土短柱隔震技术具有造价低廉施工方便性能可靠等优点在实际工程中有较好的发展前景钢管混凝土短柱隔震的机理是利用钢筋混凝土支墩来承受上部结构的竖向荷载分离式钢筋混凝土支墩之间产生摩擦滑移来隔离水平地震作用同时采用钢管混凝土纯弯短柱来增强装置的耗能能力减小隔震层的位移是一种综合利用摩擦耗能与钢管混凝土柱弹塑性耗能两种耗

3、能机制的滞变摩擦复合隔震技术基础隔震体系在设计时的关键问题是需要在隔震层位移与结构的控制效果之间进行折衷选择即在保证结构控制效果的同时尽量减小隔震层的位移对于钢管混凝土短柱隔震体系为使其在中小震时就具有较好的控制效果隔震装置中钢管混凝土短柱的设计初[2]始刚度应较小理论分析表明其只能在中小地震时起限位保护作用而不能避免强震时隔震层产生过大的位移及隔震元件失稳现象的发生[1][3]另外我们在前期进行的短柱隔震房屋振动台模型试验和模型性能实验中发现滑动摩擦系数较大使隔震层在小震和中震时将因克服不了摩擦力而起不

4、到预期的隔震作收稿日期2000-03-14修改日期2000-04-30作者简介王焕定(1942)男教授博士生导师42工程力学用即使在大震时结构振动过程中相对于地面也将不时出现滑动停止滑动的状态影响隔震效果为此本文提出了变刚度钢管混凝土短柱隔震装置并分别进行了滑动摩擦和滚动摩擦两种方案的足尺试件伪静力试验研究从而进一步掌握了钢管混凝土短柱隔震装置的力学性能掌握这种非线性隔震系统的机理和隔震效果为其工程应用提供了依据2变刚度隔震装置设计思想简介变刚度钢管混凝土短柱隔震支座如图1所示其变刚度效果是通过内部设置的

5、限位挠度曲面来实现的文献[4]采用短柱的变形曲线来制作上座和下座中的限位挠度曲面使装置制作较困难制作的成本也较高理论分析表明悬臂式钢管混凝土短柱的挠度曲线可近似为直线因此本文将上座与下座中的限位挠度曲面均设置为截圆锥面每一截圆锥面的剖面设计为直线且上座中的斜率大于下座中的斜率图1第一梯队隔震装置图2限位挠度曲面的作用机理限位挠度曲面的作用机理如图2所示1)在中小地震作用下当试件上座与下座之间产生相对位移时钢管混凝土柱开始发生弯曲变形如图2(a)所示2)在大震作用下当短柱下段与下座中的挠度曲面完全贴紧接触时

6、如图2(b)所示短柱上段将以下段为固定端继续发生弯曲变形(若短柱下端与下座挠度曲线并非完全贴紧接触而只是局部接触则短柱的力学模型可近似为下端为固定端而接触点为铰支座的超静定梁模型而继续发生弯曲变形)从而提供更大的弹塑性耗能能力产生变刚度效果3)当短柱上端变形至与上座中的挠度曲线相接触时如图2(c)所示短柱已不能继续发生弯曲变形此时短柱处于纯剪切状态因为钢管混凝土柱的剪切刚度很大所以试件上座与下座将不再发生相对位移即钢筋混凝土支座起到了硬限位的作用强制隔震层不再产生位移从而避免了失稳现象的发生上述措施综合实

7、现了基础隔震技术中隔震软碰撞与硬限位的功能且隔震装置始终具有摩擦耗能能力当隔震体系遭遇多次强震作用时即使第一梯队钢管混凝土短柱根部产生了疲劳折断限位挠度曲面仍能发挥较好的变刚度和硬限位的作用变刚度钢管混凝土短柱隔震装置的试验研究433第一梯队变刚度短柱隔震装置的伪静力试验研究为验证上述设计思想文献[4]在低周反复荷载作用下进行了1/5模型的滞回性能实验研究但由于模型太小接触面未能很好处理摩擦系数太大以及竖向加载设备加力误差过大等原因虽也得到了一些固有规律但结果不够理想为了深入分析隔震装置在往复荷载作用下的

8、滞回特性构件的延性及变刚度效果等性能因素并具体分析摩擦耗能与钢管混凝土滞回耗能的能力为隔震支座的设计提供依据本文进行了变刚度钢管混凝土短柱隔震装置足尺试件的伪静力实验研究3.1试件设计隔震装置上座与下座均为钢筋混凝土支墩采用构造配筋设计混凝土标号为C30设计轴压承载力为336kN完全满足试验中轴力的要求试件上座与下座之间采用1.8mm的薄钢板相接触两层薄钢板之间填充石墨与润滑脂作为摩擦滑移层限位挠度曲面设计3为试件上座与下座间