SMA-滾珠碟簧隔震裝置的試驗(yàn)研究
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隋杰英，孫曉東，章 蓉，劉文鋒
(青島理工大學(xué)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全山東省協(xié)同創(chuàng)新中心，山東青島266033)
[摘要]本文提出了一種SMA-滾珠碟簧隔震裝置，該裝置將滾珠隔離水平地震，SMA絲增大裝置的復(fù)位、消能能力及碟簧隔離豎向地震相結(jié)合，形成一種新型三維隔震裝置。完成了該裝置的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：SMA數(shù)量增加可以增大隔震裝置的水平剛度及阻尼比，裝置具有更好的隔震性能，凹形板間的摩擦系數(shù)對(duì)隔震性能有一定的影響，碟簧的設(shè)置可提
供較好的豎向隔震效果。
[關(guān)鍵詞]SMA-滾珠碟簧隔震裝置；性能試驗(yàn)；摩擦系數(shù)；剛度；阻尼比
在世界范圍內(nèi)隔震設(shè)計(jì)施工的理論相對(duì)比較成熟，而研究隔震效果好的新型隔震裝置仍是當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)將一些新型材料如SMA（形狀記憶合金）用于隔震裝置形成復(fù)合隔震裝置是提高結(jié)構(gòu)抗震效果的趨勢(shì)。任文杰、劉海卿、王社良等研究了SMA與疊層橡膠復(fù)合的隔震支座，表明加了SMA的隔震裝置有更好的隔震性能。由于常規(guī)的橡膠隔震墊性能的限制，使得隔震技術(shù)仍存在一些較難克服的缺點(diǎn)。滾動(dòng)摩擦系統(tǒng)具有很好的隔震效果，滾動(dòng)摩擦隔震理論正作為一種新的隔震理論而逐漸受到關(guān)注，將SMA用于滾動(dòng)支座國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了一些研究工作。吳冬梅等結(jié)合了SMA絲，設(shè)計(jì)了一種滾動(dòng)支座類(lèi)似于直線(xiàn)式滑動(dòng)支座。蔡錦榮研究了SMA彈簧一軸承滾動(dòng)支座。將SMA與滾動(dòng)裝置相結(jié)合還處于初始研究階段，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到SMA與疊層橡膠復(fù)合隔震支座相結(jié)合的研究深度。
本文提出了一種新型SMA -滾珠碟簧隔震裝置，將SMA與滾珠支座相結(jié)合提高結(jié)構(gòu)抗震效果及自復(fù)位能力，再結(jié)合碟形彈簧考慮豎向隔震問(wèn)題，成為新型三維隔震體系，可充分發(fā)揮滾動(dòng)隔震的優(yōu)點(diǎn)并克服了過(guò)去滾動(dòng)隔震裝置復(fù)位能力差的缺點(diǎn)，必能大大提高隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能。
1 SMA-滾珠碟簧隔震裝置的構(gòu)造
SMA-滾珠碟簧隔震裝置如圖1所示。該裝置分為上下兩部分，下部滾球隔震支座四周交叉設(shè)置SMA記憶合金絲，用于隔離水平地震，上部為碟簧隔震器用于隔離豎向地震。由于SMA合金的高阻尼和超彈性，可以為滾珠隔震支座提供較大的阻尼力及回復(fù)力，在地震時(shí)耗散大量能量，同時(shí)具有很好的限位能力。新型SMA-滾珠碟簧隔震裝置可以隔離來(lái)自任意水平方向的地震作用，同時(shí)能隔離豎向地震，自復(fù)位能力好。該隔震裝置將擁有很好的應(yīng)用前景。
2 隔震支座的試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)方案
試件為SMA-滾珠碟簧隔震裝置，下部滾珠隔震支座，上下底板為厚度4mm的鋼板，中部設(shè)4個(gè)弦徑300mm凹形圓弧面，上板長(zhǎng)、寬均為Im，下板寬Im，為與試驗(yàn)室槽道固定下板長(zhǎng)為1.7m，中間滾珠為4個(gè)直徑200mm的軸承鋼珠，與作動(dòng)器加載平行的鋼板對(duì)邊方向設(shè)置四組斜拉NiTi SMA合金絲，直徑Imm，上部的碟簧采用的規(guī)格為180mm×92mm×lOmm×14mm，采用20組對(duì)合。
試驗(yàn)采用lOOkN MTS液壓伺服作動(dòng)器對(duì)隔震支座上板施加水平力，使用500 kN的液壓千斤頂對(duì)碟簧頂部施加豎向荷載。為保證試件受水平力時(shí)千斤頂能夠隨試件整體移動(dòng)，將千斤頂安裝于滑動(dòng)裝置底部。
先進(jìn)行下部SMA-滾珠隔震裝置試驗(yàn)，再將碟簧安裝后進(jìn)行水平豎向共同作用下的試驗(yàn)。
改變SMA數(shù)量，研究SMA記憶合金對(duì)隔震性能的影響；改變凹形復(fù)位板間的摩擦材料研究不同摩擦材料對(duì)耗能性能的影響，分別采用無(wú)摩擦材料、細(xì)沙、聚四氟乙烯和橡膠材料等幾種情況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工況主要改變水平位移幅值、加載頻率和豎向荷載。試驗(yàn)中采用位移控制加載制度，位移控制幅值分別為lOmm、20mm、30mm、50mm、80mm、lOOmm，在每個(gè)位移控制幅值內(nèi)分別采用0.1Hz、0. 2Hz、0.SHz、1Hz等四種頻率加載，豎向荷載由液壓千斤頂施加，分為30kN、60kN、90kN、120kN等四種情況。
2.2試件的安裝固定
將SMA-滾珠隔震裝置試件安裝在鋼框架上，安裝示意如圖2所示，圖3為試驗(yàn)室實(shí)際安裝圖。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 SMA絲對(duì)隔震性能的影響
在隔震支座對(duì)邊設(shè)置四組SMA絲，試驗(yàn)進(jìn)行了不加SMA絲、每組1根不預(yù)拉合金絲、每組1根預(yù)拉3%合金絲、每組2根預(yù)拉3%合金絲、每組3根預(yù)拉3%合金絲的幾種情況，測(cè)試了不同豎向荷載、不同加載頻率、不同最大加載幅值下的試驗(yàn)隔震裝置性能變化。由試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)看出，加載頻率的變化對(duì)隔震效果影響不大，因文章篇幅所限，此處只列出豎向加載為90kN，加載頻率0.1Hz，最大位移幅值為30mm時(shí)的結(jié)果，如圖4所示。
從圖4可以看出，不加絲的隔震裝置滯回環(huán)呈較窄的橢圓型，加不預(yù)拉的SMA絲隔震裝置滯回環(huán)呈中部較窄，兩端較飽滿(mǎn)的雙旗型，加預(yù)拉SMA絲的隔震裝置滯回環(huán)呈較飽滿(mǎn)的橢圓型。
加了SMA合金絲隔震支座的恢復(fù)力明顯增大，對(duì)SMA合金絲預(yù)拉和不預(yù)拉的最大恢復(fù)力幾乎相同，但預(yù)拉合金絲的滯回曲線(xiàn)的面積明顯增大。不設(shè)SMA合金絲、每組設(shè)1根、2根、3根預(yù)拉SMA合金絲時(shí)，隔震裝置的水平最大恢復(fù)力分別約為1783N、2702N、3529 N、4364N，每組設(shè)置1根、2根、3根SMA合金絲與未設(shè)置SMA合金絲時(shí)相比，水平恢復(fù)力增大約151%、200%、245%。隨著SMA合金絲數(shù)量增加，滯回曲線(xiàn)明顯飽滿(mǎn)，面積增大，從而得出，增加SMA合金絲的數(shù)量，可以提高隔震支座的恢復(fù)力，起到限位作用，同時(shí)極大地增加了支座的耗能能力。
3.2 隔震支座的水平等效剛度
水平等效剛度計(jì)算公式：
式中：Fmax、Fmin分別為試驗(yàn)裝置的最大和最小恢復(fù)力；△為相對(duì)位移幅值。
研究不同載重、加載頻率、位移幅值下，SMA合金絲對(duì)水平剛度的影響，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出加載頻率、位移幅值對(duì)水平等效剛度影響不大，此處僅列出加載頻率0. 1Hz，位移幅值50mm時(shí)的情況。結(jié)果如圖5所示。
可以看出隨著SMA數(shù)量的增加，隔震支座的水平剛度增大，同時(shí)隔震支座的水平剛度也隨載重的增大而增大。
3.3 隔震支座的水平等效阻尼比
等效阻尼比的計(jì)算公式：
式中：w。為單位循環(huán)滯回環(huán)面積；后為隔震支座水平等效剛度；△為相對(duì)位移幅值。
當(dāng)豎向加載為90kN，加載頻率0.1Hz，最大位移幅值為30mm時(shí)，利用圖4的滯回曲線(xiàn)，計(jì)算得到等效阻尼比如圖6所示。
由圖6可知，每組加3根預(yù)拉SMA絲的等效阻尼比為14%，每組加2根預(yù)拉SMA絲的等效阻尼比為9. 6%，每組加1根預(yù)拉SMA絲的等效阻尼比為7. 0%，每組加1根不預(yù)拉SMA絲的等效阻尼比為5.7 010，不加絲的等效阻尼比為2.6%�？梢�(jiàn)加SMA絲后隔震支座的阻尼比大幅增加。
3.4摩擦系數(shù)對(duì)隔震性能的影響
在滾球與凹形鋼板間采用不同摩擦材料，研究摩擦系數(shù)變化對(duì)隔震支座性能的影響，進(jìn)行了多種工況下的試驗(yàn)，其中豎向荷載90kN，加載頻率0. 1Hz，位移幅值lOmm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。
通過(guò)滾珠在凹槽最低點(diǎn)處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，橡膠滾動(dòng)摩擦系數(shù)約為0. 0063，細(xì)沙0.0042，聚四氟乙烯0. 0036，無(wú)摩擦材料時(shí)0.0031。橡膠材料的摩擦系數(shù)最大。由圖7可以看出，它的滯回曲線(xiàn)最為飽滿(mǎn)，說(shuō)明增大摩擦系數(shù)能夠增加隔震裝置的耗能能力。由于細(xì)沙和聚四氟乙烯材料的摩擦系數(shù)并不大，所以與未設(shè)摩擦材料相比，它們的滯回曲線(xiàn)變化不太大，滯回曲線(xiàn)面積略有增加。合理設(shè)置摩擦材料可以使隔震裝置更好地消耗地震能量。
3.5碟簧的豎向隔震性能
3.5.1 碟形彈簧豎向剛度
隔震裝置的豎向剛度主要由碟簧的豎向剛度體現(xiàn)。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出不同加載頻率下碟簧的豎向剛度，見(jiàn)表1，其中理論值根據(jù)《碟形彈簧》( GB/T 1972-2005)計(jì)算。
由表1可以看出，隨加載頻率的增加，碟簧的剛度略有增大，但不明顯。與國(guó)標(biāo)中的理論計(jì)算值最大相差在5%以?xún)?nèi)，可以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)使用理論計(jì)算值。
3.5.2 碟形彈簧的隔震效果
試驗(yàn)時(shí)，作動(dòng)器施加水平力模擬隔震支座承受的水平荷載，千斤頂施加豎向力模擬隔震支座承受的豎向荷載。根據(jù)SMA -滾珠碟簧隔震裝置及安裝固定的特點(diǎn)，當(dāng)滾球在凹形復(fù)位板內(nèi)做水平移動(dòng)時(shí)，由于滾動(dòng)面是凹面，必然會(huì)產(chǎn)生豎向的位移分量，而試件的固定方式不允許有豎向位移的空間，因此隔震支座水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)給千斤頂施加一定的豎向反力，水平推動(dòng)隔震支座，必然導(dǎo)致千斤頂?shù)淖x數(shù)變化�？梢酝ㄟ^(guò)比較試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置碟簧前后千斤頂讀數(shù)的變化來(lái)分析碟簧的豎向隔震效果。豎向載重120kN，加載頻率0.1Hz時(shí)千斤頂?shù)暮奢d變化見(jiàn)圖8。
由圖8可知，當(dāng)水平位移30mm時(shí)，未設(shè)碟簧與設(shè)置碟簧隔震的千斤頂荷載變化量分別為13kN、7kN，水平位移達(dá)到lOOmm時(shí)，未設(shè)碟簧與設(shè)置碟簧隔震的千斤頂荷載變化量分別為50kN、26kN�？梢�(jiàn)設(shè)置碟簧隔震之后，作用于千斤頂?shù)暮奢d明顯減小。由此可以得出，設(shè)置碟簧隔震后，上部結(jié)構(gòu)受到豎向作用可以明顯得到減小，碟形彈簧具有很好的隔震效果。
4 結(jié)論
1)本文提出的SMA-滾珠碟簧隔震裝置，具有合理的構(gòu)造和很好的隔震性能，是能隔離水平及豎向地震的三維隔震裝置，具有較好的應(yīng)用前景。
2) SMA-滾珠碟簧隔震裝置的水平剛度、阻尼比隨著SMA合金絲數(shù)量增加都有大幅增大，隔震裝置的水平恢復(fù)力變大，滯回耗能能力增強(qiáng)。在實(shí)際工程中可以根據(jù)需要調(diào)整SMA絲的數(shù)量。
3)凹形復(fù)位板的摩擦系數(shù)對(duì)隔震支座的隔震性能有一定的影響，適當(dāng)采用較高摩擦系數(shù)的摩擦材料，可以提升隔震支座的滯回耗能能力。
4)隔震裝置的豎向剛度主要由碟簧剛度控制，受加載頻率、載重等因素影響不大，可以采用國(guó)標(biāo)公式計(jì)算，通過(guò)對(duì)比設(shè)置碟簧組合前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出此隔震裝置具有較好的豎向隔震效果。
