齿轮传动墙式铅合金减震装置性能试验研究与应用
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1摇 齿轮传动墙式铅合金减震装置
1郾 1摇 工作机理 齿轮传动墙式铅合金减震装置主要利用铅合金
良好的延展性并通过齿轮与齿条的配合有效解决行 程不足问题,其在消能子结构中的布置形式如图 1 所示. 图中 Fd为齿轮传动墙式铅合金减震装置所提 供的阻尼力,装置上下连接具有足够刚度的剪力墙. 在风荷载或小震作用下,减震装置处在弹性状态不 发生剪切变形;在中震或大震作用下,上部结构产生 水平位移,减震装置上下连接板发生相对错动,齿条 驱动齿轮转动,进而核心耗能部件齿轮腔体内的铅
关键词: 墙式减震装置; 齿轮传动; 疲劳损伤; 大行程; 铅合金; 滞回性能
中图分类号: TU 352
文献标志码: A
文章编号: 0254 - 0037(2021)07 - 0782 - 10
doi: 10. 11936 / bjutxb2021010008
Experimental Study and Application of Wall Type Lead Alloy Damper With Gear Transmission
合金产生环向剪切变形,达到耗能的目的,避免或减 小了主体结构的地震响应.
图 1摇 布置形式 Fig. 1摇 Damper layout
摇
1郾 2摇 齿轮传动墙式铅合金减震装置构造 本装置核心耗能部件主要由齿轮、铅合金、剪
切轴和法兰盘 4 个部分组成( 如图 2 所示),M 为 核心耗能部件所提供的剪切铅屈服扭矩. 其中齿 轮采用内开花键形式,可以更好地嵌固铅合金. 剪 切轴穿过齿轮和 2 个法兰盘,通过螺栓连接法兰 盘与齿 轮 的 同 时 将 剪 切 轴 固 定 在 齿 轮 与 法 兰 盘 间,在剪切轴与齿轮花键间形成一个封闭空腔,可 有效防止铅体泄露. 为保证铅合金的密实度和与 剪切轴的贴合度,将熔融状态的铅合金由图 2 剖 面 B-B 中箭头方向灌入,在封闭空腔内形成密实 良好的铅合金.
工况 位移 / mm 加载速率 / ( mm·s - 1 ) 加载圈数
1
35
2
30
2
50
2
30
3
100
2
30
图 3摇 齿轮传动墙式铅合金减震装置 Fig. 3摇 Wall type lead alloy damping device
with gear transmission
摇
2摇 试验概况
2郾 1摇 试件设计 设计并制作了 2 个核心耗能部件及 1 套齿轮传
摇 第7期
彭凌云, 等: 齿轮传动墙式铅合金减震装置性能试验研究与应用
783
点. 常用的墙式金属阻尼器为剪切钢板阻尼器[2] , 主要通过腹板软钢的剪切屈服变形消耗地震能量. Nakashima 等[3] 设计并研究了低屈服点剪切钢板阻 尼器,试验结果表明,其滞回性能稳定,耗能效果较 好,但试验过程中钢板出现累计损伤导致破坏. 李 钢[4] 对多种形式的软钢阻尼器进行了拟静力加载 试验,试验结果表明,阻尼器具有较好的滞回性能, 但试验结束后阻尼器存在累计疲劳损伤,不利于震 后修复且稳定性较差. Zhang 等[5] 采用腹板削弱的 方法克服剪切钢板阻尼器四角应力集中问题,提高 延性,但也有可能导致腹板刚度不足而产生拉裂或 平面外失稳.
摇 摇 墙式金属阻尼器是一种位移相关型阻尼器[1] , 具有安装方便、层间位移利用率高且造价低廉等特
收稿日期: 2021鄄01鄄04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51738001) 作者简介: 彭凌云(1976—) , 男, 教授, 主要从事工程结构减隔震理论、方法与技术方面的研究, E鄄mail: ply@ bjut. edu. cn
1—剪切轴; 2—法兰盘; 3—铅合金; 4—齿轮. 图 2摇 核心耗能部件
Fig. 2摇 Core energy dissipation unit
784
北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报
2021 年
试件整体装配形式如图 3 所示,由侧板、底板、 带槽口顶板、顶部连接件、宽齿条和 2 个核心耗能部 件组成. 为实现该减震装置的传动机理,使用高强 螺栓依次穿过顶部连接件、带槽口顶板与宽齿条相 连,当上部结构发生水平位移时顶部连接件带动宽 齿条沿顶板的槽口滑动,进而驱动齿轮发生转动,通 过剪切核心耗能部件封闭腔体内的铅合金达到耗能 目的.
由于铅 阻 尼 器 对 位 移 的 敏 感 性, 本 试 验 加 载 过程全程采用位移控制加载[11] . 《 建筑消能减震 技术规程》 ( JGJ 297—2013) [12] 规定了金属屈服型
3摇 试验结果与分析
3郾 1摇 试验现象与破坏特征 在各级位移循环加载下,试件各部件均未出现
累计损伤效应,试件在各级位移加载到最大值时的 试验状态如图 6 所示. 试件内部最终的状态如图 7 所示,除齿轮与齿条啮合过程中有轻微磨损外,其余 各部件均未发生破坏,试件整体性良好. 3郾 2摇 滞回性能
针对剪切钢板阻尼器目前存在的问题,结合铅 合金性能优点,提出一种基于铅合金制作的齿轮传 动墙式铅合金减震装置. 利用铅合金常温动态重结 晶的优良特性,并通过合理的齿轮传动构造设计,有 效解决地震作用后累计损伤以及大行程不足的问 题. 设计并制作齿轮传动墙式铅合金减震装置,通 过静力往复加载试验研究该减震装置的滞回性能和 疲劳性能,并通过算例分析验证安装该减震装置的 典型框架结构抗震性能.
Abstract: A kind of wall type lead alloy damping device with gear transmission was proposed in this paper, to solve the problem that the shear type steel plate damper cannot meet the requirement of large travel, and the accumulated damage needs to be replaced after the earthquake. The working principle was explained and the construction scheme was suggested. Mechanical test and numerical simulation analysis were used for studying on the seismic performance of the wall type lead alloy damping device with gear transmission. Results indicate that the damping device can meet the demand of large stroke by using the recrystallization property of leade construction form of gear transmission. The damper has stable hysteretic performance and high energy dissipation capacity, whereas has no obvious fatigue damage effect and no need to be replaced. The numerical simulation of a practical thermal power plant shows that the gear transmission wall鄄type lead alloy damping device can effectively improve the seismic performance of the whole structure and reduce the seismic response. Key words: wall type damper; gear transmission; fatigue damage; long stroke; lead alloy; hysteretic behavior
(1. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室, 北京摇 100124; 2. 清华大学土木工程系, 北京摇 100084)
摘摇 要: 为解决剪切型钢板阻尼器不能满足大行程需求且经历地震后存在累计损伤需要更换的问题,提出一种齿 轮传动墙式铅合金减震装置,阐释其工作原理并给出构造方案,通过力学性能试验和数值模拟分析的方法,对齿轮 传动墙式铅合金减震装置的减震性能进行研究. 试验结果表明:该减震装置利用铅合金常温重结晶性能并通过齿 轮传动的构造形式满足了大行程的需求;滞回性能稳定,耗能能力强,无明显疲劳损伤效应且无须更换. 数值模拟 表明齿轮传动墙式铅合金减震装置应用于某实际火电厂中可有效提高整体结构的抗震性能,减小地震响应.
图 5(a) 为加载设备示意图,图 5 ( b) 为试验照 片. 试件顶部连接件与执行器相连,在执行器往复推 拉过程中保持与底部反力架平行,较真实地模拟减震 装置在建筑结构中的受力行为. 执行器为 IST 电液伺 服器,最大力为 2 000 kN,最大位移为 依 200 mm.
减震装置的力由相应 执 行 器 的 力 传 感 器 测 得,位移为宽齿条与反力架的相对位移,采用拉线 位移计进行测量,拉线位移计安装形式如图 5( b) 所示. 2郾 3摇 加载制度
阻尼器力学性能试验方法. 加载的位移幅值分 3 次逐级加载至设计位移,每级位移幅值循环加载 30 圈. 加载制度见表 1. 为排除试验中其他因素 的影响,每 组 工 况 加 载 完 毕 后 将 试 件 静 置 至 室 温 状态[9] .
表 1摇 位移加载制度 Table 1摇 Scheme for displacement loading
第 47 卷 第 7 期 2021 年 7 月
北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol. 47 No. 7 Jul. 2021
齿轮传动墙式铅合金减震装置性能试验研究与应用
彭凌云1 , 尹祎文1 , 石路炜1 , 孙天威1 , 康迎杰2
PENG Lingyun1 , YIN Yiwen1 , SHI Luwei1 , SUN Tianwei1 , KANG Yingjie2
(1. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
与金属材料钢材相比,铅合金的延展性更为突 出,常温下能够动态回复再结晶[6鄄7] ,可在不同位移 幅值下循环几千次不发生断裂,阻尼力稳定,无须维 护. 李冀龙等[8] 推导了铅剪切阻尼器的 2 个阻尼力 滞回模型,给出不同极限阻尼力条件下的铅剪切阻 尼器的设计方案. 彭凌云等[9] 提出一种板式剪切型 铅阻尼器,试验结果表明,该阻尼器滞回性能稳定, 阻尼器的屈服力由剪切铅块的剪切面积决定. 王宝 顺等[10] 对传统板式铅剪切阻尼器进行改进,设计并 研究了大行程板式铅剪切阻尼器,耗能能力和耗能 稳定性更优.
动外壳,2 个核心耗能部件并联,并由宽齿条同时驱 动耗能. 试件的主要部件几何尺寸如图 4 所示. 核 心耗能 部 件 中, 齿 轮 基 本 参 数 为 4 模 33 齿, 齿 宽 80 mm,齿轮内开花键用以固定铅合金. 试件总高 336 mm,设计行程 依 100 mm,极限行程 依 135 mm. 试 件底板通过高强度螺栓与反力架固定,试件侧板与 底板焊接连接,核心耗能部件六边形剪切轴与侧板 焊接,顶板与侧板通过螺栓连接. 2郾 2摇 加载设备与量测方案
1郾 1摇 工作机理 齿轮传动墙式铅合金减震装置主要利用铅合金
良好的延展性并通过齿轮与齿条的配合有效解决行 程不足问题,其在消能子结构中的布置形式如图 1 所示. 图中 Fd为齿轮传动墙式铅合金减震装置所提 供的阻尼力,装置上下连接具有足够刚度的剪力墙. 在风荷载或小震作用下,减震装置处在弹性状态不 发生剪切变形;在中震或大震作用下,上部结构产生 水平位移,减震装置上下连接板发生相对错动,齿条 驱动齿轮转动,进而核心耗能部件齿轮腔体内的铅
关键词: 墙式减震装置; 齿轮传动; 疲劳损伤; 大行程; 铅合金; 滞回性能
中图分类号: TU 352
文献标志码: A
文章编号: 0254 - 0037(2021)07 - 0782 - 10
doi: 10. 11936 / bjutxb2021010008
Experimental Study and Application of Wall Type Lead Alloy Damper With Gear Transmission
合金产生环向剪切变形,达到耗能的目的,避免或减 小了主体结构的地震响应.
图 1摇 布置形式 Fig. 1摇 Damper layout
摇
1郾 2摇 齿轮传动墙式铅合金减震装置构造 本装置核心耗能部件主要由齿轮、铅合金、剪
切轴和法兰盘 4 个部分组成( 如图 2 所示),M 为 核心耗能部件所提供的剪切铅屈服扭矩. 其中齿 轮采用内开花键形式,可以更好地嵌固铅合金. 剪 切轴穿过齿轮和 2 个法兰盘,通过螺栓连接法兰 盘与齿 轮 的 同 时 将 剪 切 轴 固 定 在 齿 轮 与 法 兰 盘 间,在剪切轴与齿轮花键间形成一个封闭空腔,可 有效防止铅体泄露. 为保证铅合金的密实度和与 剪切轴的贴合度,将熔融状态的铅合金由图 2 剖 面 B-B 中箭头方向灌入,在封闭空腔内形成密实 良好的铅合金.
工况 位移 / mm 加载速率 / ( mm·s - 1 ) 加载圈数
1
35
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30
2
50
2
30
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100
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图 3摇 齿轮传动墙式铅合金减震装置 Fig. 3摇 Wall type lead alloy damping device
with gear transmission
摇
2摇 试验概况
2郾 1摇 试件设计 设计并制作了 2 个核心耗能部件及 1 套齿轮传
摇 第7期
彭凌云, 等: 齿轮传动墙式铅合金减震装置性能试验研究与应用
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点. 常用的墙式金属阻尼器为剪切钢板阻尼器[2] , 主要通过腹板软钢的剪切屈服变形消耗地震能量. Nakashima 等[3] 设计并研究了低屈服点剪切钢板阻 尼器,试验结果表明,其滞回性能稳定,耗能效果较 好,但试验过程中钢板出现累计损伤导致破坏. 李 钢[4] 对多种形式的软钢阻尼器进行了拟静力加载 试验,试验结果表明,阻尼器具有较好的滞回性能, 但试验结束后阻尼器存在累计疲劳损伤,不利于震 后修复且稳定性较差. Zhang 等[5] 采用腹板削弱的 方法克服剪切钢板阻尼器四角应力集中问题,提高 延性,但也有可能导致腹板刚度不足而产生拉裂或 平面外失稳.
摇 摇 墙式金属阻尼器是一种位移相关型阻尼器[1] , 具有安装方便、层间位移利用率高且造价低廉等特
收稿日期: 2021鄄01鄄04 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51738001) 作者简介: 彭凌云(1976—) , 男, 教授, 主要从事工程结构减隔震理论、方法与技术方面的研究, E鄄mail: ply@ bjut. edu. cn
1—剪切轴; 2—法兰盘; 3—铅合金; 4—齿轮. 图 2摇 核心耗能部件
Fig. 2摇 Core energy dissipation unit
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北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报
2021 年
试件整体装配形式如图 3 所示,由侧板、底板、 带槽口顶板、顶部连接件、宽齿条和 2 个核心耗能部 件组成. 为实现该减震装置的传动机理,使用高强 螺栓依次穿过顶部连接件、带槽口顶板与宽齿条相 连,当上部结构发生水平位移时顶部连接件带动宽 齿条沿顶板的槽口滑动,进而驱动齿轮发生转动,通 过剪切核心耗能部件封闭腔体内的铅合金达到耗能 目的.
由于铅 阻 尼 器 对 位 移 的 敏 感 性, 本 试 验 加 载 过程全程采用位移控制加载[11] . 《 建筑消能减震 技术规程》 ( JGJ 297—2013) [12] 规定了金属屈服型
3摇 试验结果与分析
3郾 1摇 试验现象与破坏特征 在各级位移循环加载下,试件各部件均未出现
累计损伤效应,试件在各级位移加载到最大值时的 试验状态如图 6 所示. 试件内部最终的状态如图 7 所示,除齿轮与齿条啮合过程中有轻微磨损外,其余 各部件均未发生破坏,试件整体性良好. 3郾 2摇 滞回性能
针对剪切钢板阻尼器目前存在的问题,结合铅 合金性能优点,提出一种基于铅合金制作的齿轮传 动墙式铅合金减震装置. 利用铅合金常温动态重结 晶的优良特性,并通过合理的齿轮传动构造设计,有 效解决地震作用后累计损伤以及大行程不足的问 题. 设计并制作齿轮传动墙式铅合金减震装置,通 过静力往复加载试验研究该减震装置的滞回性能和 疲劳性能,并通过算例分析验证安装该减震装置的 典型框架结构抗震性能.
Abstract: A kind of wall type lead alloy damping device with gear transmission was proposed in this paper, to solve the problem that the shear type steel plate damper cannot meet the requirement of large travel, and the accumulated damage needs to be replaced after the earthquake. The working principle was explained and the construction scheme was suggested. Mechanical test and numerical simulation analysis were used for studying on the seismic performance of the wall type lead alloy damping device with gear transmission. Results indicate that the damping device can meet the demand of large stroke by using the recrystallization property of leade construction form of gear transmission. The damper has stable hysteretic performance and high energy dissipation capacity, whereas has no obvious fatigue damage effect and no need to be replaced. The numerical simulation of a practical thermal power plant shows that the gear transmission wall鄄type lead alloy damping device can effectively improve the seismic performance of the whole structure and reduce the seismic response. Key words: wall type damper; gear transmission; fatigue damage; long stroke; lead alloy; hysteretic behavior
(1. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点试验室, 北京摇 100124; 2. 清华大学土木工程系, 北京摇 100084)
摘摇 要: 为解决剪切型钢板阻尼器不能满足大行程需求且经历地震后存在累计损伤需要更换的问题,提出一种齿 轮传动墙式铅合金减震装置,阐释其工作原理并给出构造方案,通过力学性能试验和数值模拟分析的方法,对齿轮 传动墙式铅合金减震装置的减震性能进行研究. 试验结果表明:该减震装置利用铅合金常温重结晶性能并通过齿 轮传动的构造形式满足了大行程的需求;滞回性能稳定,耗能能力强,无明显疲劳损伤效应且无须更换. 数值模拟 表明齿轮传动墙式铅合金减震装置应用于某实际火电厂中可有效提高整体结构的抗震性能,减小地震响应.
图 5(a) 为加载设备示意图,图 5 ( b) 为试验照 片. 试件顶部连接件与执行器相连,在执行器往复推 拉过程中保持与底部反力架平行,较真实地模拟减震 装置在建筑结构中的受力行为. 执行器为 IST 电液伺 服器,最大力为 2 000 kN,最大位移为 依 200 mm.
减震装置的力由相应 执 行 器 的 力 传 感 器 测 得,位移为宽齿条与反力架的相对位移,采用拉线 位移计进行测量,拉线位移计安装形式如图 5( b) 所示. 2郾 3摇 加载制度
阻尼器力学性能试验方法. 加载的位移幅值分 3 次逐级加载至设计位移,每级位移幅值循环加载 30 圈. 加载制度见表 1. 为排除试验中其他因素 的影响,每 组 工 况 加 载 完 毕 后 将 试 件 静 置 至 室 温 状态[9] .
表 1摇 位移加载制度 Table 1摇 Scheme for displacement loading
第 47 卷 第 7 期 2021 年 7 月
北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol. 47 No. 7 Jul. 2021
齿轮传动墙式铅合金减震装置性能试验研究与应用
彭凌云1 , 尹祎文1 , 石路炜1 , 孙天威1 , 康迎杰2
PENG Lingyun1 , YIN Yiwen1 , SHI Luwei1 , SUN Tianwei1 , KANG Yingjie2
(1. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
与金属材料钢材相比,铅合金的延展性更为突 出,常温下能够动态回复再结晶[6鄄7] ,可在不同位移 幅值下循环几千次不发生断裂,阻尼力稳定,无须维 护. 李冀龙等[8] 推导了铅剪切阻尼器的 2 个阻尼力 滞回模型,给出不同极限阻尼力条件下的铅剪切阻 尼器的设计方案. 彭凌云等[9] 提出一种板式剪切型 铅阻尼器,试验结果表明,该阻尼器滞回性能稳定, 阻尼器的屈服力由剪切铅块的剪切面积决定. 王宝 顺等[10] 对传统板式铅剪切阻尼器进行改进,设计并 研究了大行程板式铅剪切阻尼器,耗能能力和耗能 稳定性更优.
动外壳,2 个核心耗能部件并联,并由宽齿条同时驱 动耗能. 试件的主要部件几何尺寸如图 4 所示. 核 心耗能 部 件 中, 齿 轮 基 本 参 数 为 4 模 33 齿, 齿 宽 80 mm,齿轮内开花键用以固定铅合金. 试件总高 336 mm,设计行程 依 100 mm,极限行程 依 135 mm. 试 件底板通过高强度螺栓与反力架固定,试件侧板与 底板焊接连接,核心耗能部件六边形剪切轴与侧板 焊接,顶板与侧板通过螺栓连接. 2郾 2摇 加载设备与量测方案