黃研昕,錢向東

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098)

強震作用下渡槽TLD效應(yīng)模型試驗研究

黃研昕,錢向東

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098)

通過對矩形截面渡槽的單跨模型進行動力試驗研究,探討了渡槽在剛性地基強震條件下的調(diào)諧液體阻尼器(TLD)效應(yīng);通過調(diào)節(jié)槽內(nèi)水位,研究了水體橫向減震作用與深寬比的關(guān)系。試驗結(jié)果表明,水體的晃動及水波破碎對渡槽的橫向動力響應(yīng)起到了TLD減震作用。渡槽內(nèi)水位增加會改變結(jié)構(gòu)的動力特性,使渡槽結(jié)構(gòu)自振頻率下降。在強震作用下,TLD橫向減震效果隨水位變化發(fā)生波動,當槽內(nèi)水體晃動頻率與渡槽結(jié)構(gòu)自振頻率接近時,減震作用最為顯著。

強震;渡槽結(jié)構(gòu);模型試驗;TLD效應(yīng)

渡槽又稱輸水橋,是跨越山川、河谷、道路的架空輸水建筑。渡槽運行時,槽內(nèi)水體的質(zhì)量往往大于槽身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,將顯著影響渡槽結(jié)構(gòu)的動力特性和動力響應(yīng)。因此,在渡槽結(jié)構(gòu)的抗震分析和設(shè)計時必須考慮水體的影響。

目前,渡槽的抗震分析常采用2種簡化模型方法考慮水體的動力影響:一種是忽略水體與結(jié)構(gòu)的動力相互作用,只考慮水體的質(zhì)量效應(yīng);另一種則以彈簧連接的方式簡化水體與結(jié)構(gòu)的動力相互作用。大部分研究者認為[1],強震作用下,水體的大幅度晃動將加劇渡槽結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng),忽略水體與結(jié)構(gòu)的動力相互作用不利于渡槽的安全。近年來,隨著調(diào)諧液體阻尼器(TLD)理論的研究發(fā)展[2-6],有學(xué)者將TLD概念引入渡槽結(jié)構(gòu)體系中,認為渡槽中的水體對排架支撐渡槽結(jié)構(gòu)起到了TLD減震效應(yīng),水體的晃動越強,水體對渡槽結(jié)構(gòu)的TLD減震作用越強[7-8]。蔡丹繹等[9]認為水體晃動作用隨水位深寬比的增加而減少;吳軼等[10]提出渡槽內(nèi)既存在激勵水位也存在減震水位,并通過計算驗證了減震效果隨著水位的增加而變得顯著。目前,渡槽中水體是否能像高聳結(jié)構(gòu)中的TLD阻尼器一樣起到減震作用仍充滿爭議[11]。張多新等[12-14]認為渡槽存在TLD效應(yīng),且減震效應(yīng)隨水位變化;李遇春等[15]則認為水體會較大地改變渡槽結(jié)構(gòu)的基頻,TLD理論不適用于渡槽結(jié)構(gòu)。

由于TLD理論認為液體晃動作用與水體深寬比緊密相關(guān),因此水體深寬比對渡槽槽墩地震響應(yīng)的影響也十分重要。季日臣等[16-17]通過Housner模型數(shù)值模擬,提出深寬比分別在0.7和0.5時渡槽槽墩的地震響應(yīng)達到最大值和最小值;段秋華等[18]提出水體在頻率共振區(qū)有最佳減震效果;樓夢麟等[19-20]通過排架支撐渡槽試驗分析了不同地基下水體對渡槽結(jié)構(gòu)橫向、豎向的動力性能影響。

然而,現(xiàn)有試驗所選工況還不夠詳盡,不能很好地描述結(jié)構(gòu)動力特性隨水體深寬比變化的詳細過程,且試驗往往采用過水工況與空槽比較,缺少相同條件下盛水渡槽與等效質(zhì)量模型的對比分析。本文通過控制橫向地震激勵的峰值加速度,利用掃頻法分析渡槽結(jié)構(gòu)在不同工況下的反應(yīng),并通過設(shè)計對比試驗,研究了強震作用下水體的減震效果,明確了水體對渡槽槽墩結(jié)構(gòu)橫向響應(yīng)的影響。

1 試驗?zāi)Ｐ图肮r

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

本文設(shè)計了一套比對模型振動臺試驗方案。試驗系統(tǒng)由一個水平振動臺、控制系統(tǒng)、傳感器、2個比對渡槽結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集器、振動分析軟件組成。兩個比對渡槽結(jié)構(gòu)中一個盛水,另一個在跨中加載等效質(zhì)量塊,兩個結(jié)構(gòu)幾何特性完全相同,且固定在同一水平振動臺上。

渡槽結(jié)構(gòu)采用矩形截面排架支撐渡槽結(jié)構(gòu),槽墩高度和單槽跨度均為600 mm。為使模型更接近單自由度系統(tǒng)(盡量減小槽墩的質(zhì)量),槽墩采用輕質(zhì)高強的碳纖維管制作,尺寸為?5mm×1mm,一跨共4根槽墩,單跨的抗側(cè)剛度k=800 N/m。蓋梁和槽身采用有機玻璃制作,蓋梁尺寸為20 mm×20 mm×120 mm,質(zhì)量為250 g,槽身尺寸為90 mm×180 mm×600 mm,水槽內(nèi)室尺寸為80 mm×175 mm×590 mm,槽身質(zhì)量4.3 kg。試驗將渡槽結(jié)構(gòu)直接與振動臺固結(jié),模型結(jié)構(gòu)可簡化采用單自由度體系。簡化模型質(zhì)量考慮單跨槽身、蓋梁質(zhì)量和,用m表示,其自振頻率f為

式中:k——單跨抗側(cè)剛度。

1.2 傳感器布置

試驗采用應(yīng)變式MEMS傳感器。在振動臺表面布置一個加速度傳感器觀測渡槽結(jié)構(gòu)底部輸入信息;在2個渡槽結(jié)構(gòu)的槽底及槽頂分別布置位移傳感器和加速度傳感器,獲取結(jié)構(gòu)輸出信息。試驗裝置及傳感器布置如圖1所示。

圖1 模型立面Fig.1 Vertical view of model

1.3 試驗工況

實際工程中矩形渡槽滿槽時深寬比通常在0.6～0.8之間,最大不超過1.2;其1/2槽甚至1/4槽過水工況時,實際深寬比可能小于0.2。試驗將最高水位設(shè)計為深寬比1.589,并將0.05深寬比設(shè)為初始工況。考慮到淺水區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)較復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象,試驗在淺水位區(qū)域設(shè)置較多工況。

為便于等效質(zhì)量砝碼的加載,試驗將加載等級設(shè)為0.2 kg,盛水渡槽結(jié)構(gòu)每級加載對應(yīng)質(zhì)量水體,考慮到試驗設(shè)備條件,讀取水深時精確到0.1mm。在等效質(zhì)量達到2kg后,試驗將加載等級調(diào)整為1kg。具體工況見表1,對每個工況進行10次振動。

1.4 輸入信號

采用正弦穩(wěn)態(tài)掃頻法分析渡槽結(jié)構(gòu)模態(tài),通過振動臺輸入幅值穩(wěn)定、頻率為0～10 Hz變化的正弦信號,獲得渡槽結(jié)構(gòu)的時域信息,然后對掃頻時域信息進行傅里葉變換,獲得功率譜輸出信息以對渡槽結(jié)構(gòu)進行評估。由于計算得到渡槽結(jié)構(gòu)基頻信息在2 Hz附近,為避免掃頻時高頻噪聲對結(jié)構(gòu)的影響,在信號篩選時采用濾波器濾去3 Hz以上的信號,以降低干擾。

在測量渡槽結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時采用調(diào)頻調(diào)幅的輸入信號,信號的加速度幅峰值介于0.25～0.35g之間,頻率在0～10 Hz之間。每次采樣時間設(shè)為200 s,其中前100 s為激振時間,后100 s為自由衰減過程。

為盡量完整地獲得渡槽結(jié)構(gòu)的輸入及響應(yīng)信號,使繪制波形時更光滑平整,設(shè)計數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率為1000 Hz。通過Labview語言編制分析模塊軟件讀取數(shù)據(jù)并實時計算所需參數(shù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 減震系數(shù)

借鑒已有的地震動強度指標[21-23],選取2類共4種結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)作為減震系數(shù)評價指標:加速度減震系數(shù),包括加速度峰值比,加速度均方根比;位移減震系數(shù),包括位移峰值比,位移均方根比。采用2種均方根指標評價結(jié)構(gòu)的能量差異以判斷水體是否存在消能作用,利用2種峰值相關(guān)信息進一步評價水體對渡槽結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力響應(yīng)的影響。

試驗選取渡槽槽底為監(jiān)測點,觀察各工況下減震系數(shù)的變化。加速度峰值比、加速度均方根比、位移峰值比、位移均方根比表達式分別為

式中:aw(t)、am(t)——盛水渡槽結(jié)構(gòu)和等效質(zhì)量渡槽結(jié)構(gòu)的加速度時程;T——激振時間;dw(t)、dm(t)——盛水渡槽結(jié)構(gòu)和等效質(zhì)量渡槽結(jié)構(gòu)的位移時程。

2 種渡槽結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)隨水體深寬比的變化如表1所示,位移減震系數(shù)及加速度減震系數(shù)與水體深寬比的變化關(guān)系見圖2。

表1 各工況減震系數(shù)Table1 Damping coefficients in various conditions

結(jié)合圖2和表1可以看出,利用位移均方根比或位移峰值比作為減震系數(shù)其變化趨勢一致,由空槽開始都隨著水位的增加逐步降低,在水體深寬比0.2附近時位移減震系數(shù)達到最小值,在0.4深寬比之后逐步平穩(wěn),位移均方根比和位移峰值比分別在0.837～0.871、0.844～0.852間小幅波動。隨著水體深寬比的增加,加速度均方根比和加速度峰值比分別從0.743、0.878迅速下降,分別在水體深寬比為0.212和0.265時達到最低值,之后加速度均方根比隨水體深寬比略有上升,最終穩(wěn)定在0.85左右,變化趨勢與位移均方根比一致。而加速度峰值比在0.529的深寬比處經(jīng)歷較大的波動,最后穩(wěn)定在0.6左右。

試驗表明,在輸入加速度達0.25～0.35g的強震作用下,剛性地基上水體對渡槽槽墩的影響始終表現(xiàn)為減震作用,并且試驗設(shè)計的各種減震系數(shù)均在水體深寬比0.2附近達到最小值,減震效果表現(xiàn)得最為明顯。隨后減震系數(shù)隨水體深寬比的增加逐漸增大,在水體深寬比超過0.5后,不再大幅度變化。減震效果趨于減弱。

圖2 減震系數(shù)-水體深寬比實測曲線Fig.2 Observed relationship between damping coefficients and ratio of depth to width

2.2 水體晃動頻率

在試驗過程中發(fā)現(xiàn),低水位振動過程中渡槽槽內(nèi)液體大幅度晃動,劇烈撞擊槽壁后產(chǎn)生水波碰撞甚至破碎的情況。而水位增加之后,水體在試驗過程中趨于穩(wěn)定,震蕩作用十分微弱。另外,在停止激勵的衰減過程中,淺水位時盛水渡槽結(jié)構(gòu)可以迅速返回平衡狀態(tài),衰減速率明顯快于等效質(zhì)量渡槽結(jié)構(gòu)。而深水位情況下盛水渡槽結(jié)構(gòu)的衰減速度雖然始終大于等效質(zhì)量渡槽結(jié)構(gòu),但是兩者間隔時間較低水位時大幅度減少。根據(jù)水體表面的波動情況對水體晃動頻率進行監(jiān)測,并將試驗值與理論值比較。水體晃動頻率根據(jù)深水理論計算:

式中:g——重力加速度;a——渡槽內(nèi)壁寬度;h——渡槽中的水深。試驗結(jié)果與比較如圖3所示。

從圖3可發(fā)現(xiàn),水體晃動頻率隨著深寬比的增加而上升,而渡槽結(jié)構(gòu)振動頻率則下降,水體晃動頻率的理論值與試驗值趨勢大體一致,但是在水體深寬比小于0.2的淺水區(qū)域試驗值存在明顯的波動,這可能與淺水時渡槽結(jié)構(gòu)的能量傳遞有關(guān)。在水位很淺時振動能量迅速傳遞給水體而導(dǎo)致晃動,而水位略微加深后,振動需要首先帶動底部水體才能導(dǎo)致上層水體的晃動。而理論值則隨著深寬比的增加單調(diào)增長,并沒有體現(xiàn)這一區(qū)域的變化。

圖3 水體晃動頻率、渡槽結(jié)構(gòu)振動頻率與水體深寬比關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between water sloshing frequency,aqueduct vibration frequency,and ratio of depth to width

試驗測得的水體晃動頻率及渡槽結(jié)構(gòu)振動頻率在0.2深寬比附近發(fā)生重疊,之后水體晃動頻率進一步增加,與渡槽結(jié)構(gòu)振動頻率相差逐漸增大,在深寬比達到0.8后逐漸趨于穩(wěn)定,最后穩(wěn)定在2.7 Hz左右,而水體晃動頻率的理論值最終穩(wěn)定在3.1 Hz。在這一過程中,當水體晃動頻率與渡槽結(jié)構(gòu)自振頻率接近時,振動臺的激勵頻率又覆蓋了渡槽結(jié)構(gòu)的基頻,即此時激勵頻率、水體晃動頻率、渡槽結(jié)構(gòu)振動頻率十分接近,從而使渡槽內(nèi)水體發(fā)揮了接近阻尼減震器的作用。容器中的水體大幅度激蕩,破碎的水波可以形成液體的慣性和黏性耗能。而當水體頻率與渡槽結(jié)構(gòu)基頻逐漸遠離時,水體的減震效果也隨之減弱。

3 結(jié) 論

a.在剛性地基強震作用下渡槽存在TLD減震效應(yīng)。

b.水體對槽墩橫向位移的位移減震系數(shù)和加速度減震系數(shù)變化趨勢相近,都在水體深寬比為0.209時減震效果最明顯,最大減振幅度可達40%。當水體深寬比大于0.45后,減震效果趨于穩(wěn)定。

c.渡槽結(jié)構(gòu)基頻計算值與實測值趨勢一致,數(shù)值誤差穩(wěn)定在10%以內(nèi),基本吻合。

d.水體晃動頻率的試驗值與理論值分布趨勢大體一致,理論計算沒考慮淺水位的數(shù)據(jù)波動。當振動頻率覆蓋渡槽結(jié)構(gòu)基頻且水體自振頻率與渡槽結(jié)構(gòu)基頻率接近的時候,減震作用尤其明顯。

上述結(jié)論還需計算各工況下結(jié)構(gòu)的阻尼比和動力放大系數(shù)來判斷。

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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

國家自然科學(xué)基金(11132003)

黃研昕(1988—),男,安徽徽州人,碩士研究生,主要從事工程抗震與振動控制研究。E-mail:hyx593522035@126.com

錢向東,教授。E-mail:xdqian@hhu.edu.cn