混凝土重力壩砂土液化阻尼器減震裝置的試驗研究
振動臺試驗驗證了砂土液化阻尼器具有期望的阻尼特性，下面是小編搜集整理的一篇探究混凝土重力壩砂土液化阻尼器減震裝置的論文范文，供大家閱讀參考。
中國水電開發(fā)修建的大壩數(shù)量和規(guī)模均居世界之首，其中不少已建、在建和擬建的高壩大庫都位于峰值加速度0.2~0.3g的強(qiáng)震區(qū)，特別是大渡河上的大崗山拱壩，設(shè)計峰值加速度達(dá)到0.557g.如何解決大壩抗震安全問題一直是工程與科研面對的難題[1].
土木建筑的抗震理論與應(yīng)用得到了長足發(fā)展，從開始通過加大結(jié)構(gòu)的剛度和延性來提高建筑物的抗震能力到近年來采用隔震、消能減震等技術(shù)措施[2].
特別是汶川地震中采用減震措施的建筑物都經(jīng)受了強(qiáng)震的檢驗。與之相比，水工建筑物由于體積巨大，尤其是承受高水頭壓力，土木建筑成功的抗震減震技術(shù)措施并不適用水工大體積建筑物[3].
多年來，國內(nèi)外一直探索大壩抗震措施與減震方法[4~6].目前大壩設(shè)計除采用常規(guī)抗震構(gòu)造外，也采用了壩體配筋、設(shè)置阻尼器等減震措施。配置鋼筋可明顯改善裂縫開度，提高大壩整體性，是一種常規(guī)的加強(qiáng)壩體剛度的抗震措施，但不能消耗地震輸入的能量;壩體橫縫間設(shè)置黏滯或摩擦阻尼器裝置也得到了較多關(guān)注。增設(shè)阻尼器能限制縫張開，也能消耗地震輸入能量，但模型計算結(jié)果不理想，減震效果有待實踐檢驗[7~10].
不同于黏滯、摩擦、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器[11~13],調(diào)諧液體阻尼器(TLD)利用水波動原理，通過調(diào)整液體自振頻率等于建筑物頻率來降低建筑物的振動。為了使TLD具有較高的阻尼效果，可增加孔網(wǎng)措施。TLD技術(shù)在建筑物抗風(fēng)防災(zāi)中得到廣泛應(yīng)用，但在建筑物抗震中應(yīng)用較少，原因之一是強(qiáng)震導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率發(fā)生改變。為了克服TLD不足，飽水海綿阻尼器利用孔隙流體流動原理，消耗建筑物振動能量。這種孔隙介質(zhì)阻尼器不需要調(diào)諧頻率，已應(yīng)用于建筑物環(huán)境減振。但到目前為止還未見類似的液體阻尼器應(yīng)用于水工建筑物減震的報道。
針對大壩抗震安全需要，本文改進(jìn)飽水海綿阻尼器，提出了一種砂土液化阻尼器減震裝置。這種新型阻尼器利用不排水飽和砂土振動液化原理，通過液化砂土耗能、降低大壩強(qiáng)震響應(yīng)。振動臺試驗驗證了砂土液化阻尼器具有期望的阻尼特性;有限元模擬安裝砂土液化阻尼器的重力壩也表明壩頂位移幅值減震達(dá)1/3.砂土液化阻尼器減震裝置不但構(gòu)造簡單，使用方便，是大體積建筑物減震的一種新措施。
1砂土液化阻尼器振動臺試驗
試驗用的砂土液化阻尼器模型為內(nèi)置飽和砂土的鋼質(zhì)箱體，長×寬×高分別為0.8m×0.6m×0.4m;試驗在清華大學(xué)水利系MTS振動臺進(jìn)行(圖1)。模型阻尼器安裝在有導(dǎo)向滑軌的振動臺上，并通過20kN測力傳感器與振動臺連接，應(yīng)用壓電傳感器采集加速度信號。試驗用砂土為一般河砂，裝料高度0.3m并錘擊密實;飽和水由砂土頂面緩慢滲入。振動臺試驗采用加速度控制，頻率5Hz,幅值0.3g.圖2和3為砂土液化阻尼器液化前后砂土狀況。
砂土液化阻尼器振動臺試驗結(jié)果示于圖4,其中加速度為模型阻尼器加速度測量值，力為測力傳感器結(jié)果。圖5為阻尼器速度與受力關(guān)系圖，速度為測量加速度積分結(jié)果。
從圖4可知，砂土液化過程外力與加速度不同步：加速度最大時，外力最小;相反加速度最小時，外力最大。因此，由振動力學(xué)可知阻尼器外力不是慣性力，也不會是恢復(fù)力。將測量加速度時程積分得到速度時程，并與阻尼器外力對比發(fā)現(xiàn)：外力與速度二者同步但反方向(圖5)。因此，砂土液化阻尼器的外力為阻尼力，并沒有體現(xiàn)慣性力和彈性力效應(yīng)。特別由圖5可知，液化的砂土動力粘黏度系數(shù)可達(dá)0.5~1.0MPas,與以往砂土液化試驗結(jié)果一致[14,15].
2重力壩砂土液化阻尼器減震效果模擬
考慮一座高150m的混凝土重力壩，應(yīng)用二維動力有限元分析砂土液化阻尼器的減震效果。
2.1計算模型幾何模型范圍取壩基深度500m(大于3倍壩高)，上游、下游方向長度均大于1.5倍壩高(圖6);采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元離散形成有限元計算模型，模型材料參數(shù)如表1所示，地基簡化為無質(zhì)量地基。
2.2砂土液化阻尼器模型針對砂土液化阻尼器安裝在重力壩頂，有限元模型采用壩頂每個節(jié)點(diǎn)都有水平、豎向阻尼器單元，阻尼器單元采用黏彈性模型，但彈簧剛度系數(shù)均為0,節(jié)點(diǎn)阻尼力按下式計算：
f=d×v,(1)其中，v為壩頂節(jié)點(diǎn)速度，d為阻尼力系數(shù)，按下式確定：
d=ρ×c×A,(2)其中，ρ為阻尼器液化砂土的密度，取為2000kg/m3;c為引入的'砂土液化特征波速：
c=μ(ρh),(3)其中，μ為液化砂土動力黏性系數(shù)，h為阻尼器液化砂土層有效高度，A為計算模型的節(jié)點(diǎn)控制面積，取為節(jié)點(diǎn)相關(guān)單元的有效面積。
2.3計算方案
有限元計算時水平向地震動輸入El-centro加速度，豎向加速度幅值取為2/3水平向幅值，地震動時程為40s,采用Newmark平均加速度法進(jìn)行壩體動力時程分析。計算采用以下4種方案：方案A,無阻尼器;方案B,施加特征波速300m/s的阻尼器;方案C,施加特征波速100m/s的阻尼器;方案D,施加特征波速30m/s的阻尼器。
2.4結(jié)果分析與討論
表2為重力壩前5階自振頻率和周期。
4種計算方案選擇壩頂上游節(jié)點(diǎn)為特征節(jié)點(diǎn)，圖7~9分別對應(yīng)3種特征波速的特征點(diǎn)水平位移響應(yīng)時程，同時圖中也提供了無阻尼器方案特征點(diǎn)位移時程。很明顯，特征波速高的阻尼器減震效果明顯。為了清晰表示減震，圖10對比了3種安裝阻尼器減震方案效果對比，圖中縱坐標(biāo)為相應(yīng)方案位移響應(yīng)與方案A的位移響應(yīng)差。由此可見砂土液化阻尼器地震響應(yīng)消峰效果十分明顯。圖11為方案A壩下游折線處主拉應(yīng)力時程，圖12為方案A與方案D相應(yīng)位置拉應(yīng)力降幅時程。應(yīng)力降幅達(dá)60%.圖13為壩頂設(shè)置砂土液化阻尼器產(chǎn)生的特征點(diǎn)內(nèi)力時程，也就是阻尼器對壩頂施加的阻尼力。重力壩安裝砂土液化阻尼器具有以下特點(diǎn)：
1)當(dāng)阻尼器液化波速為300m/s時，壩頂位移減振效果達(dá)到32%;當(dāng)阻尼器液化特征波速降至1/3時，壩頂位移減振效果達(dá)10%,也相應(yīng)降低為1/3;當(dāng)阻尼器液化波速降到1/10時，壩頂位移減振效果約降至1/10.因此，砂土液化特征波速是影響阻尼器減震效果的關(guān)鍵因素。
2)當(dāng)阻尼器液化波速為300m/s時，下游壩面折線處拉應(yīng)力減少達(dá)到60%,能有效降低混凝土開裂風(fēng)險;當(dāng)阻尼器液化特征波速分別降至1/3與1/10時，壩體相應(yīng)位置應(yīng)力的減震效果也相應(yīng)降低。
3)砂土液化阻尼器施加在壩頂節(jié)點(diǎn)的阻尼力幅值約為30kN,相當(dāng)應(yīng)力0.3MPa,遠(yuǎn)小于混凝土強(qiáng)度。
3結(jié)論
1)振動臺試驗表明砂土液化阻尼器具有理想的阻尼特性，可近似用線性阻尼模型表示，液化黏度系數(shù)是阻尼器關(guān)鍵因素。
2)重力壩有限元分析表明安裝砂土液化阻尼器的壩頂位移降幅近1/3,應(yīng)力降幅更為明顯。
3)砂土液化阻尼器工作原理簡單，安裝方便，且不需要日常維護(hù)。
4)為了更好發(fā)揮水箱阻尼器的性能，需要進(jìn)一步加強(qiáng)砂土液化阻尼器布置優(yōu)化方案以及現(xiàn)場振動監(jiān)測研究，同時進(jìn)一步開展水箱阻尼器振動臺不同尺度模型試驗也是需要的。
參考文獻(xiàn)：
陳厚群.混凝土高壩抗震研究。北京：高等教育出版社，2011.
中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011-2010)。北京：中國建筑出版社，2010.
中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).水工建筑抗震設(shè)計規(guī)范(SL203-97)。北京：中國水利水電出版社，1997.
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