冷成型钢仓储结构复合式隔震支座选型及试验研究

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钢货架结构以其轻质、高强的力学性能优势被广泛运用在仓储物流行业,其中框桁式钢货架结构应用较为广泛。框桁式钢货架结构在垂直于巷道向与沿巷道向表现出力学性能各向异性的力学特点,垂直于巷道向刚度较大,地震作用时货物容易发生脱落,冲击其他货架造成连续倒塌,因此垂直于巷道向的隔震问题至关重要。针对该问题结合课题组前期研究成果,提出了以隔震为主的复合式隔震支座系统,采用隔震技术实现垂直于巷道向的抗震目标,防止结构的损伤和货物的脱落。本文针对复合式隔震支座系统开展了相关的选型工作以及力学性能试验研究,完善了复合式隔震支座系统的构造,评估了复合式隔震支座系统的力学性能以及隔震效果。本文首先进行了复合式隔震支座系统各部件的选型及力学性能分析,通过对隔震货架的全过程讨论,分析了带复合式隔震支座系统隔震货架的力学行为;然后针对高硬度阻尼橡胶缓冲块以及复合式隔震支座系统实施了力学性能试验,得到高硬度阻尼橡胶缓冲块以及复合式隔震支座系统的力学性能指标;随后,基于复合式隔震支座系统的实际构造尺寸和试验加载情况,建立三维实体有限元模型并开展参数化分析,研究各因素对复合式隔震支座系统力学性能的影响规律;最后,对采用复合式隔震支座系统的整体钢货架结构进行动力弹塑性分析,评估复合式隔震支座系统的隔震效果。通过上述研究,得到主要结论如下:(1)复合式隔震支座系统具有较小的水平刚度,可延长钢货架结构垂直巷道向的自振周期,从而阻隔地震能量向上传递;同时,高硬度阻尼橡胶缓冲块的阻尼特性可耗散部分地震能量,实现减震耗能的目标。另外,在竖向地震或者较大的水平倾覆力矩作用下,立柱柱脚抬起,柱脚底板和化学锚栓螺母共同挤压碟簧组,在碟簧组变形和碟簧片发生挤压摩擦过程中耗散一定能量,同时带动上部结构及货物发生轻微上抬,实现重力做功进而达到耗能目的。(2)设置复合式隔震支座系统的隔震货架表现出多阶段、多状态力学特点,其在地震作用下的结构响应模式受到货架结构、复合式隔震支座系统、荷载配置情况以及地震作用的影响。在小震、荷载配置合理情况下,隔震货架发生轻微滑动;在中震及大震作用下,隔震货架发生滑动-摆动响应,该响应模式合理且符合设计需求;而未隔震货架或者荷载配置极不合理时,结构将发生纯摆动,即货架受到地震作用立即进入摆动状态,未出现水平滑动,不符合隔震设计预期。(3)本文所研制的高硬度阻尼橡胶缓冲块在发生300%剪应变幅值时仍能保持较好的完整性,橡胶材料弹性性能良好;另外,在0.05Hz的加载频率下,发生100%剪应变时,其等效阻尼比达到13.3%,有较高的阻尼性能,且采用双线性模型能够较好的模拟高硬度阻尼橡胶缓冲块在100%剪应变幅值时的力学性能。(4)复合式隔震支座系统滞回环呈Z形,表现出滑移特性,系统最终以立柱翼缘开孔处出现贯通缝而失效破坏。复合式隔震支座系统的耗能能力随水平位移的增大而增大,在加载初期,高硬度阻尼橡胶缓冲块随着加载次数的增加以及剪应变幅值的加大,等效粘滞阻尼系数有所降低,但复合式隔震支座系统的累积耗能稳步提升。第二工作阶段,立柱从“避让”转变为“抵抗”状态,复合式隔震支座系统的累积耗能持续增大;当位移增加到56mm时,累积耗能曲线斜率进一步增大,此时复合式隔震支座系统已经进入塑性阶段,立柱出现塑性变形,耗能能力增强。(5)采用复合式隔震支座系统时,钢货架结构的加速度峰值、最大层间位移角、层间剪力以及柱脚拉力等力学指标均显著降低,在7度罕遇地震作用下,结构仍保持在弹性范围内,无塑性变形;与文献[18]模型相比,复合式隔震支座系统表现出更高的阻尼特性,时程响应进一步降低,隔震效果更加明显。
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