强震作用下渡槽TLD效应模型试验研究

黄研昕,钱向东

(河海大学力学与材料学院,江苏南京 210098)

强震作用下渡槽TLD效应模型试验研究

黄研昕,钱向东

(河海大学力学与材料学院,江苏南京 210098)

通过对矩形截面渡槽的单跨模型进行动力试验研究,探讨了渡槽在刚性地基强震条件下的调谐液体阻尼器(TLD)效应;通过调节槽内水位,研究了水体横向减震作用与深宽比的关系。试验结果表明,水体的晃动及水波破碎对渡槽的横向动力响应起到了TLD减震作用。渡槽内水位增加会改变结构的动力特性,使渡槽结构自振频率下降。在强震作用下,TLD横向减震效果随水位变化发生波动,当槽内水体晃动频率与渡槽结构自振频率接近时,减震作用最为显著。

强震;渡槽结构;模型试验;TLD效应

渡槽又称输水桥,是跨越山川、河谷、道路的架空输水建筑。渡槽运行时,槽内水体的质量往往大于槽身结构的质量,将显著影响渡槽结构的动力特性和动力响应。因此,在渡槽结构的抗震分析和设计时必须考虑水体的影响。

目前,渡槽的抗震分析常采用2种简化模型方法考虑水体的动力影响:一种是忽略水体与结构的动力相互作用,只考虑水体的质量效应;另一种则以弹簧连接的方式简化水体与结构的动力相互作用。大部分研究者认为[1],强震作用下,水体的大幅度晃动将加剧渡槽结构的动力反应,忽略水体与结构的动力相互作用不利于渡槽的安全。近年来,随着调谐液体阻尼器(TLD)理论的研究发展[2-6],有学者将TLD概念引入渡槽结构体系中,认为渡槽中的水体对排架支撑渡槽结构起到了TLD减震效应,水体的晃动越强,水体对渡槽结构的TLD减震作用越强[7-8]。蔡丹绎等[9]认为水体晃动作用随水位深宽比的增加而减少;吴轶等[10]提出渡槽内既存在激励水位也存在减震水位,并通过计算验证了减震效果随着水位的增加而变得显著。目前,渡槽中水体是否能像高耸结构中的TLD阻尼器一样起到减震作用仍充满争议[11]。张多新等[12-14]认为渡槽存在TLD效应,且减震效应随水位变化;李遇春等[15]则认为水体会较大地改变渡槽结构的基频,TLD理论不适用于渡槽结构。

由于TLD理论认为液体晃动作用与水体深宽比紧密相关,因此水体深宽比对渡槽槽墩地震响应的影响也十分重要。季日臣等[16-17]通过Housner模型数值模拟,提出深宽比分别在0.7和0.5时渡槽槽墩的地震响应达到最大值和最小值;段秋华等[18]提出水体在频率共振区有最佳减震效果;楼梦麟等[19-20]通过排架支撑渡槽试验分析了不同地基下水体对渡槽结构横向、竖向的动力性能影响。

然而,现有试验所选工况还不够详尽,不能很好地描述结构动力特性随水体深宽比变化的详细过程,且试验往往采用过水工况与空槽比较,缺少相同条件下盛水渡槽与等效质量模型的对比分析。本文通过控制横向地震激励的峰值加速度,利用扫频法分析渡槽结构在不同工况下的反应,并通过设计对比试验,研究了强震作用下水体的减震效果,明确了水体对渡槽槽墩结构横向响应的影响。

1 试验模型及工况

1.1 试验模型

本文设计了一套比对模型振动台试验方案。试验系统由一个水平振动台、控制系统、传感器、2个比对渡槽结构以及数据采集器、振动分析软件组成。两个比对渡槽结构中一个盛水,另一个在跨中加载等效质量块,两个结构几何特性完全相同,且固定在同一水平振动台上。

渡槽结构采用矩形截面排架支撑渡槽结构,槽墩高度和单槽跨度均为600 mm。为使模型更接近单自由度系统(尽量减小槽墩的质量),槽墩采用轻质高强的碳纤维管制作,尺寸为Ø5mm×1mm,一跨共4根槽墩,单跨的抗侧刚度k=800 N/m。盖梁和槽身采用有机玻璃制作,盖梁尺寸为20 mm×20 mm×120 mm,质量为250 g,槽身尺寸为90 mm×180 mm×600 mm,水槽内室尺寸为80 mm×175 mm×590 mm,槽身质量4.3 kg。试验将渡槽结构直接与振动台固结,模型结构可简化采用单自由度体系。简化模型质量考虑单跨槽身、盖梁质量和,用m表示,其自振频率f为

式中:k——单跨抗侧刚度。

1.2 传感器布置

试验采用应变式MEMS传感器。在振动台表面布置一个加速度传感器观测渡槽结构底部输入信息;在2个渡槽结构的槽底及槽顶分别布置位移传感器和加速度传感器,获取结构输出信息。试验装置及传感器布置如图1所示。

图1 模型立面Fig.1 Vertical view of model

1.3 试验工况

实际工程中矩形渡槽满槽时深宽比通常在0.6～0.8之间,最大不超过1.2;其1/2槽甚至1/4槽过水工况时,实际深宽比可能小于0.2。试验将最高水位设计为深宽比1.589,并将0.05深宽比设为初始工况。考虑到浅水区域内可能出现较复杂的流固耦合现象,试验在浅水位区域设置较多工况。

为便于等效质量砝码的加载,试验将加载等级设为0.2 kg,盛水渡槽结构每级加载对应质量水体,考虑到试验设备条件,读取水深时精确到0.1mm。在等效质量达到2kg后,试验将加载等级调整为1kg。具体工况见表1,对每个工况进行10次振动。

1.4 输入信号

采用正弦稳态扫频法分析渡槽结构模态,通过振动台输入幅值稳定、频率为0～10 Hz变化的正弦信号,获得渡槽结构的时域信息,然后对扫频时域信息进行傅里叶变换,获得功率谱输出信息以对渡槽结构进行评估。由于计算得到渡槽结构基频信息在2 Hz附近,为避免扫频时高频噪声对结构的影响,在信号筛选时采用滤波器滤去3 Hz以上的信号,以降低干扰。

在测量渡槽结构动力响应时采用调频调幅的输入信号,信号的加速度幅峰值介于0.25～0.35g之间,频率在0～10 Hz之间。每次采样时间设为200 s,其中前100 s为激振时间,后100 s为自由衰减过程。

为尽量完整地获得渡槽结构的输入及响应信号,使绘制波形时更光滑平整,设计数据采集器的采样频率为1000 Hz。通过Labview语言编制分析模块软件读取数据并实时计算所需参数。

2 试验结果分析

2.1 减震系数

借鉴已有的地震动强度指标[21-23],选取2类共4种结构动力响应数据作为减震系数评价指标:加速度减震系数,包括加速度峰值比,加速度均方根比;位移减震系数,包括位移峰值比,位移均方根比。采用2种均方根指标评价结构的能量差异以判断水体是否存在消能作用,利用2种峰值相关信息进一步评价水体对渡槽结构瞬态动力响应的影响。

试验选取渡槽槽底为监测点,观察各工况下减震系数的变化。加速度峰值比、加速度均方根比、位移峰值比、位移均方根比表达式分别为

式中:aw(t)、am(t)——盛水渡槽结构和等效质量渡槽结构的加速度时程;T——激振时间;dw(t)、dm(t)——盛水渡槽结构和等效质量渡槽结构的位移时程。

2 种渡槽结构的减震系数随水体深宽比的变化如表1所示,位移减震系数及加速度减震系数与水体深宽比的变化关系见图2。

表1 各工况减震系数Table1 Damping coefficients in various conditions

结合图2和表1可以看出,利用位移均方根比或位移峰值比作为减震系数其变化趋势一致,由空槽开始都随着水位的增加逐步降低,在水体深宽比0.2附近时位移减震系数达到最小值,在0.4深宽比之后逐步平稳,位移均方根比和位移峰值比分别在0.837～0.871、0.844～0.852间小幅波动。随着水体深宽比的增加,加速度均方根比和加速度峰值比分别从0.743、0.878迅速下降,分别在水体深宽比为0.212和0.265时达到最低值,之后加速度均方根比随水体深宽比略有上升,最终稳定在0.85左右,变化趋势与位移均方根比一致。而加速度峰值比在0.529的深宽比处经历较大的波动,最后稳定在0.6左右。

试验表明,在输入加速度达0.25～0.35g的强震作用下,刚性地基上水体对渡槽槽墩的影响始终表现为减震作用,并且试验设计的各种减震系数均在水体深宽比0.2附近达到最小值,减震效果表现得最为明显。随后减震系数随水体深宽比的增加逐渐增大,在水体深宽比超过0.5后,不再大幅度变化。减震效果趋于减弱。

图2 减震系数-水体深宽比实测曲线Fig.2 Observed relationship between damping coefficients and ratio of depth to width

2.2 水体晃动频率

在试验过程中发现,低水位振动过程中渡槽槽内液体大幅度晃动,剧烈撞击槽壁后产生水波碰撞甚至破碎的情况。而水位增加之后,水体在试验过程中趋于稳定,震荡作用十分微弱。另外,在停止激励的衰减过程中,浅水位时盛水渡槽结构可以迅速返回平衡状态,衰减速率明显快于等效质量渡槽结构。而深水位情况下盛水渡槽结构的衰减速度虽然始终大于等效质量渡槽结构,但是两者间隔时间较低水位时大幅度减少。根据水体表面的波动情况对水体晃动频率进行监测,并将试验值与理论值比较。水体晃动频率根据深水理论计算:

式中:g——重力加速度;a——渡槽内壁宽度;h——渡槽中的水深。试验结果与比较如图3所示。

从图3可发现,水体晃动频率随着深宽比的增加而上升,而渡槽结构振动频率则下降,水体晃动频率的理论值与试验值趋势大体一致,但是在水体深宽比小于0.2的浅水区域试验值存在明显的波动,这可能与浅水时渡槽结构的能量传递有关。在水位很浅时振动能量迅速传递给水体而导致晃动,而水位略微加深后,振动需要首先带动底部水体才能导致上层水体的晃动。而理论值则随着深宽比的增加单调增长,并没有体现这一区域的变化。

图3 水体晃动频率、渡槽结构振动频率与水体深宽比关系曲线Fig.3 Relationships between water sloshing frequency,aqueduct vibration frequency,and ratio of depth to width

试验测得的水体晃动频率及渡槽结构振动频率在0.2深宽比附近发生重叠,之后水体晃动频率进一步增加,与渡槽结构振动频率相差逐渐增大,在深宽比达到0.8后逐渐趋于稳定,最后稳定在2.7 Hz左右,而水体晃动频率的理论值最终稳定在3.1 Hz。在这一过程中,当水体晃动频率与渡槽结构自振频率接近时,振动台的激励频率又覆盖了渡槽结构的基频,即此时激励频率、水体晃动频率、渡槽结构振动频率十分接近,从而使渡槽内水体发挥了接近阻尼减震器的作用。容器中的水体大幅度激荡,破碎的水波可以形成液体的惯性和黏性耗能。而当水体频率与渡槽结构基频逐渐远离时,水体的减震效果也随之减弱。

3 结 论

a.在刚性地基强震作用下渡槽存在TLD减震效应。

b.水体对槽墩横向位移的位移减震系数和加速度减震系数变化趋势相近,都在水体深宽比为0.209时减震效果最明显,最大减振幅度可达40%。当水体深宽比大于0.45后,减震效果趋于稳定。

c.渡槽结构基频计算值与实测值趋势一致,数值误差稳定在10%以内,基本吻合。

d.水体晃动频率的试验值与理论值分布趋势大体一致,理论计算没考虑浅水位的数据波动。当振动频率覆盖渡槽结构基频且水体自振频率与渡槽结构基频率接近的时候,减震作用尤其明显。

上述结论还需计算各工况下结构的阻尼比和动力放大系数来判断。

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Model test of TLD effect on aqueduct structure subjected to strong vibration

HUANG Yanxin,QIAN Xiangdong
(College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on tests of a rectangular one-span simply supported aqueduct,the tuned liquid damper(TLD) effect on the aqueduct under the condition of a rigid foundation subjected to strong vibration was analyzed.The relationship between the transverse damping effect and the ratio of depth to width were studied by adjusting the water level.The test results demonstrated that water sloshing and wave breaking had a TLD effect on the aqueduct structure;the increase of the water level in the aqueduct changed the dynamic properties of the structure,causing the self-vibration frequency of the structure to decrease;during strong vibration,the TLD effect fluctuated with the change of water level;and the most significant TLD effect occurred when the water sloshing frequency was close to the self-vibration frequency of the structure.

strong vibration;aqueduct structure;model test;TLD effect

TV672.3

:A

:1000-1980(2014)06-0547-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.06.015

2014-01 15

国家自然科学基金(11132003)

黄研昕(1988—),男,安徽徽州人,硕士研究生,主要从事工程抗震与振动控制研究。E-mail:hyx593522035@126.com

钱向东,教授。E-mail:xdqian@hhu.edu.cn