CN109580152A - 一种抗震时程分析选波验证装置 - Google Patents

一种抗震时程分析选波验证装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗震时程分析选波验证装置。该验证装置包括：振动台、固定在振动台上的单跨单榀框架模型；单跨单榀框架模型包括两个支柱和架设在两个支柱之间的多个第一横梁；每个第一横梁的两端均与支柱通过铰接件铰接；每个第一横梁的两端的上下两侧均通过形状记忆合金螺杆与支柱连接。本发明的验证装置使得每次试验后，单跨单榀框架模型可很快恢复原始状态，不产生试验损坏，可方便开展重复试验，多次试验后能够保持装置的受力与形变关系依然稳定，保证试验结果的准确可靠度。

Description

一种抗震时程分析选波验证装置
技术领域
本发明涉及抗震时程分析技术领域，特别是涉及一种抗震时程分析选波验证装置。
背景技术
抗震时程分析选波研究往往需要对结构输入较大数量的地震波，进行结构非线性反应的统计分析。采用试验方法(如振动台)意味着要完成数量至百的同样结构模型在不同地震波输入下的反应量测，考虑试验时结构要进入破坏状态，则如此大量的模型制作，经济成本无法承受，以致无法利用试验方法进行抗震时程分析选波的研究。
美国学者O’Donnell等人(2017)在选波研究中采用了振动台试验方法，利用扭转摩擦阻尼原理，设计了一种利用压紧螺栓通过摩擦具有非线性弯矩-转动功能的梁柱节点，待振动台试验结束后，通过放松螺栓使摩擦力消失，钢框架结构试验模型重新进行装配。
在720次重复的小型振动台试验(台面尺寸1.2×1.2m2)中，梁柱构件保持弹性，结构的非线性变形仅在节点处产生，节点转动角度与所受弯矩之间具有明确的定量关系，这使得节点受力可控、可测。试验结束后，通过调整摩擦阻尼节点的旋转角度及预紧力即可实现模型的复原。该结构模型依靠的是节点处预制件中钢板间的摩擦变形来模拟梁柱节点处的塑性铰转动变形，但摩擦方式的力传递可靠性不足，多次试验后有可能摩擦板间转角与节点弯矩间的定量关系会发生一定变化，使得试验结果不够准确可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗震时程分析选波验证装置，使得多次试验后能够保持装置的受力与形变关系依然稳定，保证试验结果的准确可靠度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种抗震时程分析选波验证装置，包括：
振动台、固定在所述振动台上的单跨单榀框架模型；所述单跨单榀框架模型包括两个支柱和架设在两个所述支柱之间的多个第一横梁；
每个第一横梁的两端均与所述支柱通过铰接件铰接；每个所述第一横梁的两端的上下两侧均通过形状记忆合金螺杆与所述支柱连接。
可选的，在每个所述第一横梁的中部固定一个配重块。
可选的，所述验证装置还包括模型支撑框架；所述模型支撑框架位于所述振动台的一侧并固定于地面；所述模型支撑框架包括第一立柱、第二立柱和架设在所述第一立柱与所述第二立柱之间的至少两个第二横梁；所述第一立柱与所述第二立柱所形成的平面与所述单跨单榀框架模型所在平面平行；其中两个所述第二横梁中的每个第二横梁均向所述单跨单榀框架模型方向延伸出两个悬挑梁，在两个悬挑梁的端部焊接有封口梁；两个所述封口梁分布在所述单跨单榀框架模型的两侧。
可选的，所述验证装置还包括位移计支撑框架；位移计支撑框架位于所述振动台的一侧并固定于地面；所述位移计支撑框架包括第三立柱和架设在所述第二立柱与所述第三立柱之间的多个第三横梁；所述第三立柱与所述第二立柱所形成的的平面与所述单跨单榀框架模型所在平面垂直；所述第三横梁与所述第一横梁的数量相同，且每个第三横梁均与对应的第一横梁具有相同的标高；每个所述第三横梁上均设置有一个水平位移计；每个所述水平位移计的测量方向与对应的所述第一横梁的轴线方向相同。
可选的，所述铰接件包括与所述第一横梁的端部固定连接的第一预制件和与所述支柱的节点固定连接的第二预制件，所述第一预制件与所述第二预制件通过铰轴转动连接。
可选的，所述第一横梁的端部的上表面和下表面均固定有一个固定件，所述形状记忆合金螺杆的一端与所述固定件固定连接，另一端与所述第二预制件固定连接。
可选的，所述配重块固定在所述第一横梁的上表面。
可选的，所述第一横梁为冷弯薄壁矩形钢管。
可选的，所述支柱为6.5型热轧轻型槽钢。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开抗震时程分析选波验证装置，采用形状记忆合金螺杆作为自复位节点从而连接支柱和横梁，在实验时形状记忆合金螺杆发生形变，根据自复位节点的形状记忆合金螺杆的轴力及轴向变形间接计算节点所受弯矩，在实验后通过加热使形状记忆合金螺杆恢复原始状态，实现了实验后的自复位。同时由于采用的是形状记忆合金作为自复位节点，使得自复位节点在每次试验结束后都可以快速恢复原始状态，避免试验破坏，并且多次实验后的性能的稳定性保持不变，从而使得多次实验后能够保持装置的受力与形变关系依然稳定，保证实验结果准确、可靠和可重复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明抗震时程分析选波验证装置实施例的整体结构图；
图2为本发明抗震时程分析选波验证装置实施例的自复位节点的结构图；
图3为本发明抗震时程分析选波验证装置实施例的施加作动力时，获得力-位移关系的测试试验结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种抗震时程分析选波验证装置，使得多次试验后能够保持装置的受力与形变关系依然稳定，保证试验结果的准确可靠度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明抗震时程分析选波验证装置实施例的整体结构图。
图2为本发明抗震时程分析选波验证装置实施例的自复位节点的结构图。
参见图1和图2，该抗震时程分析选波验证装置，包括：
一种抗震时程分析选波验证装置，包括：
振动台1、固定在所述振动台1上的单跨单榀框架模型；所述单跨单榀框架模型包括两个支柱2和架设在两个所述支柱2之间的多个第一横梁3。
两个所述支柱2相互平行且竖直固定在所述振动台1上；多个所述第一横梁3均沿水平方向，每两个相邻的第一横梁3之间的间距相等。
每个第一横梁3的两端均与所述支柱2通过铰接件铰接；每个所述第一横梁3的两端的上下两侧均通过形状记忆合金螺杆4与所述支柱2连接。所述铰接件与所述形状记忆合金螺杆4构成单跨单榀框架模型的自复位节点。所述铰接件包括与所述第一横梁3的端部固定连接的第一预制件14和与所述支柱2的节点固定连接的第二预制件15，所述第一预制件14与所述第二预制件15通过铰轴16转动连接。所述第一横梁3的端部的上表面和下表面均固定有一个固定件17，所述形状记忆合金螺杆4的一端与所述固定件17固定连接，另一端与所述第二预制件15固定连接。所述第一预制件14和所述第二预制件15均为预制钢构件。
在每个所述第一横梁3的中部固定一个配重块5。所述配重块5固定在所述第一横梁3的上表面。
所述验证装置还包括模型支撑框架；所述模型支撑框架位于所述振动台1的一侧并固定于地面；所述模型支撑框架包括第一立柱6、第二立柱7和架设在所述第一立柱6与所述第二立柱7之间的至少两个第二横梁8；所述第一立柱6与所述第二立柱7所形成的平面与所述单跨单榀框架模型所在平面平行；其中两个所述第二横梁8中的每个第二横梁8均向所述单跨单榀框架模型方向延伸出两个悬挑梁9，在两个悬挑梁9的端部焊接有封口梁10；两个所述封口梁10分布在所述单跨单榀框架模型的两侧。
所述验证装置还包括位移计支撑框架；位移计支撑框架位于所述振动台1的一侧并固定于地面；所述位移计支撑框架包括第三立柱11和架设在所述第二立柱7与所述第三立柱11之间的多个第三横梁12；所述第三立柱11与所述第二立柱7所形成的的平面与所述单跨单榀框架模型所在平面垂直；所述第三横梁12与所述第一横梁3的数量相同，且每个第三横梁12均与对应的第一横梁3具有相同的标高；每个所述第三横梁12上均设置有一个水平位移计13；每个所述水平位移计13的测量方向与对应的所述第一横梁3的轴线方向相同。
所述第一横梁3为冷弯薄壁矩形钢管。
所述支柱2为6.5型热轧轻型槽钢。
单跨单榀框架模型为钢框架。
模型支撑框架用于提供单跨单榀框架模型的保护，如面外失稳。当发生面外失稳时，分布在所述单跨单榀框架模型的两侧的封口梁维持单跨单榀框架模型的竖直状态。
实验过程中，模型支撑框架由于固定于地面，因此不跟随振动台1的振动产生位移。同时模型支撑框架与单跨单榀框架模型不发生直接接触。
本发明提出具自复位功能的抗震时程分析选波验证装置，因能实现自复位功能及恢复至初始的弹性状态，使时程分析选波的试验研究成为可能，如利用(中小型)振动台试验开展。
本装置可根据(中小型)振动台的承载能力，以及试验的经济性能确定合理的构件尺寸。单跨单榀框架模型可采用二维平面结构形式，也可扩展为三维空间形式。
基于形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)螺杆的自复位单跨单榀框架模型和细部节点构造的一个具体实施方式如下：
单跨单榀框架模型：
单跨单榀框架模型为一榀单跨形式，第一横梁的数量为9个。底层第一横梁高54.9cm，2-9层第一横梁相对于下面一层的第一横梁的高度均为39.6cm，9层第一横梁的跨度均为91.5cm，第一横梁选用60mm×40mm×2mm的冷弯薄壁矩形钢管(Iy＝9.83cm4，A＝3.74cm2)，支柱选用6.5型热轧轻型槽钢(Iy＝8.7cm4，A＝7.51cm2)，将槽钢弱轴(即y轴)与梁连接。
每层第一横梁设配重块，与第一横梁铆接在一起，通过调整配重块质量可改变单跨单榀框架模型的结构周期。若每层第一横梁设200kg的配重块，单跨单榀框架模型的基本周期约为0.6秒。
梁柱节点构造：
本单跨单榀框架模型之所以能够实现自复位性能，主要是通过自复位节点(具有自复位能力的梁柱节点)来实现。该自复位节点采用一个铰轴接钢材质的预制件将矩形钢管横梁(第一横梁)与槽钢支柱连接在一起，可抵抗水平地震荷载作用下梁端剪力及实现自由转动。第一横梁两端上下翼缘各布置2根螺杆，通过第一横梁上下翼缘处的固定件锚固螺杆并与柱连接，每根螺杆长10厘米，直径6毫米。
螺杆采用形状记忆合金SMA，该种材料具有形状记忆效应和超弹性，SMA螺杆采用NiTi材料，记忆性能较稳定。试验中，当结构产生非线性变形时，第一横梁两端上下翼缘处所受弯矩最大，此弯矩主要由上下螺杆的轴力承担。由于未经使用的SMA，超弹性行为将经历较大的性能退化，因此对SMA施加预应变以获取更优的性能。
自复位功能实现：
试验中单跨单榀框架模型的第一横梁和支柱总是保持弹性；由于SMA具有随温度变化自复位的特性，因此在SMA螺杆上缠绕电阻线，当试验结束后，通过电阻丝加热SMA螺杆，可使SMA螺杆恢复原状，结构完全回到最初状态。
节点力-位移关系：
图3为本发明抗震时程分析选波验证装置实施例的施加作动力时，获得力-位移关系的测试试验结构图。
参见图3，在最下层的第一横梁的下表面通过销轴18连接一个作动器，在作动器与销轴之间固定一个力传感器19。销轴18、作动器和力传感器19的安装可以用于实现自复位节点力-位移关系的量化以及SMA螺杆预应力的设定。实验时，作动器往复运动加载。
对于SMA螺杆预应力的设定值，需通过SMA螺杆循环拉伸试验确定。为保证自复位节点构造的可行性及获得力-位移关系的量化数据，须进行节点拟静力试验，节点拟静力试验结果可与SMA螺杆循环拉伸试验结果进行相互验证。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
利用SAM变形可恢复特性和自复位节点的理念制作自复位钢框架试验模型试验装置，可实现模型结构非线性反应(中小型)振动台试验的多次可重复，对于需要通过大量试验了解选波方法有效性研究，可避免由于加载使结构损伤及破坏，带来的巨大试验模型消耗而不可行的问题。快速方便的自恢复特性也可大大缩减两次试验的间隔期，提高试验效率。利用自复位钢框架试验模型试验装置，进行振动台试验对选波方法的有效性验证，突破了抗震时程分析选波研究仅限于数值分析的瓶颈，为选波研究工作提供了试验研究新思路。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，包括：
振动台、固定在所述振动台上的单跨单榀框架模型；所述单跨单榀框架模型包括两个支柱和架设在两个所述支柱之间的多个第一横梁；
每个第一横梁的两端均与所述支柱通过铰接件铰接；每个所述第一横梁的两端的上下两侧均通过形状记忆合金螺杆与所述支柱连接。
2.根据权利要求1所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，在每个所述第一横梁的中部固定一个配重块。
3.根据权利要求1所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述验证装置还包括模型支撑框架；所述模型支撑框架位于所述振动台的一侧并固定于地面；所述模型支撑框架包括第一立柱、第二立柱和架设在所述第一立柱与所述第二立柱之间的至少两个第二横梁；所述第一立柱与所述第二立柱所形成的平面与所述单跨单榀框架模型所在平面平行；其中两个所述第二横梁中的每个第二横梁均向所述单跨单榀框架模型方向延伸出两个悬挑梁，在两个悬挑梁的端部焊接有封口梁；两个所述封口梁分布在所述单跨单榀框架模型的两侧。
4.根据权利要求3所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述验证装置还包括位移计支撑框架；位移计支撑框架位于所述振动台的一侧并固定于地面；所述位移计支撑框架包括第三立柱和架设在所述第二立柱与所述第三立柱之间的多个第三横梁；所述第三立柱与所述第二立柱所形成的的平面与所述单跨单榀框架模型所在平面垂直；所述第三横梁与所述第一横梁的数量相同，且每个第三横梁均与对应的第一横梁具有相同的标高；每个所述第三横梁上均设置有一个水平位移计；每个所述水平位移计的测量方向与对应的所述第一横梁的轴线方向相同。
5.根据权利要求1所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述铰接件包括与所述第一横梁的端部固定连接的第一预制件和与所述支柱的节点固定连接的第二预制件，所述第一预制件与所述第二预制件通过铰轴转动连接。
6.根据权利要求5所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述第一横梁的端部的上表面和下表面均固定有一个固定件，所述形状记忆合金螺杆的一端与所述固定件固定连接，另一端与所述第二预制件固定连接。
7.根据权利要求2所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述配重块固定在所述第一横梁的上表面。
8.根据权利要求1所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述第一横梁为冷弯薄壁矩形钢管。
9.根据权利要求1所述的一种抗震时程分析选波验证装置，其特征在于，所述支柱为6.5型热轧轻型槽钢。
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