隋杰英，孙晓东，章 蓉，刘文锋
(青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全山东省协同创新中心，山东青岛266033)
[摘要]本文提出了一种SMA-滚珠碟簧隔震装置，该装置将滚珠隔离水平地震，SMA丝增大装置的复位、消能能力及碟簧隔离竖向地震相结合，形成一种新型三维隔震装置。完成了该装置的性能试验，试验结果表明：SMA数量增加可以增大隔震装置的水平刚度及阻尼比，装置具有更好的隔震性能，凹形板间的摩擦系数对隔震性能有一定的影响，碟簧的设置可提
供较好的竖向隔震效果。
[关键词]SMA-滚珠碟簧隔震装置；性能试验；摩擦系数；刚度；阻尼比
在世界范围内隔震设计施工的理论相对比较成熟，而研究隔震效果好的新型隔震装置仍是当前的热点问题。近年来将一些新型材料如SMA（形状记忆合金）用于隔震装置形成复合隔震装置是提高结构抗震效果的趋势。任文杰、刘海卿、王社良等研究了SMA与叠层橡胶复合的隔震支座，表明加了SMA的隔震装置有更好的隔震性能。由于常规的橡胶隔震垫性能的限制，使得隔震技术仍存在一些较难克服的缺点。滚动摩擦系统具有很好的隔震效果，滚动摩擦隔震理论正作为一种新的隔震理论而逐渐受到关注，将SMA用于滚动支座国内学者也做了一些研究工作。吴冬梅等结合了SMA丝，设计了一种滚动支座类似于直线式滑动支座。蔡锦荣研究了SMA弹簧一轴承滚动支座。将SMA与滚动装置相结合还处于初始研究阶段，远没有达到SMA与叠层橡胶复合隔震支座相结合的研究深度。
本文提出了一种新型SMA -滚珠碟簧隔震装置，将SMA与滚珠支座相结合提高结构抗震效果及自复位能力，再结合碟形弹簧考虑竖向隔震问题，成为新型三维隔震体系，可充分发挥滚动隔震的优点并克服了过去滚动隔震装置复位能力差的缺点，必能大大提高隔震结构的抗震性能。
1 SMA-滚珠碟簧隔震装置的构造
SMA-滚珠碟簧隔震装置如图1所示。该装置分为上下两部分，下部滚球隔震支座四周交叉设置SMA记忆合金丝，用于隔离水平地震，上部为碟簧隔震器用于隔离竖向地震。由于SMA合金的高阻尼和超弹性，可以为滚珠隔震支座提供较大的阻尼力及回复力，在地震时耗散大量能量，同时具有很好的限位能力。新型SMA-滚珠碟簧隔震装置可以隔离来自任意水平方向的地震作用，同时能隔离竖向地震，自复位能力好。该隔震装置将拥有很好的应用前景。
2 隔震支座的试验
2.1 试验模型及试验方案
试件为SMA-滚珠碟簧隔震装置，下部滚珠隔震支座，上下底板为厚度4mm的钢板，中部设4个弦径300mm凹形圆弧面，上板长、宽均为Im，下板宽Im，为与试验室槽道固定下板长为1.7m，中间滚珠为4个直径200mm的轴承钢珠，与作动器加载平行的钢板对边方向设置四组斜拉NiTi SMA合金丝，直径Imm，上部的碟簧采用的规格为180mm×92mm×lOmm×14mm，采用20组对合。
试验采用lOOkN MTS液压伺服作动器对隔震支座上板施加水平力，使用500 kN的液压千斤顶对碟簧顶部施加竖向荷载。为保证试件受水平力时千斤顶能够随试件整体移动，将千斤顶安装于滑动装置底部。
先进行下部SMA-滚珠隔震装置试验，再将碟簧安装后进行水平竖向共同作用下的试验。
改变SMA数量，研究SMA记忆合金对隔震性能的影响；改变凹形复位板间的摩擦材料研究不同摩擦材料对耗能性能的影响，分别采用无摩擦材料、细沙、聚四氟乙烯和橡胶材料等几种情况进行试验。试验工况主要改变水平位移幅值、加载频率和竖向荷载。试验中采用位移控制加载制度，位移控制幅值分别为lOmm、20mm、30mm、50mm、80mm、lOOmm，在每个位移控制幅值内分别采用0.1Hz、0. 2Hz、0.SHz、1Hz等四种频率加载，竖向荷载由液压千斤顶施加，分为30kN、60kN、90kN、120kN等四种情况。
2.2试件的安装固定
将SMA-滚珠隔震装置试件安装在钢框架上，安装示意如图2所示，图3为试验室实际安装图。
3 试验结果及分析
3.1 SMA丝对隔震性能的影响
在隔震支座对边设置四组SMA丝，试验进行了不加SMA丝、每组1根不预拉合金丝、每组1根预拉3%合金丝、每组2根预拉3%合金丝、每组3根预拉3%合金丝的几种情况，测试了不同竖向荷载、不同加载频率、不同最大加载幅值下的试验隔震装置性能变化。由试验测试数据看出，加载频率的变化对隔震效果影响不大，因文章篇幅所限，此处只列出竖向加载为90kN，加载频率0.1Hz，最大位移幅值为30mm时的结果，如图4所示。
从图4可以看出，不加丝的隔震装置滞回环呈较窄的椭圆型，加不预拉的SMA丝隔震装置滞回环呈中部较窄，两端较饱满的双旗型，加预拉SMA丝的隔震装置滞回环呈较饱满的椭圆型。
加了SMA合金丝隔震支座的恢复力明显增大，对SMA合金丝预拉和不预拉的最大恢复力几乎相同，但预拉合金丝的滞回曲线的面积明显增大。不设SMA合金丝、每组设1根、2根、3根预拉SMA合金丝时，隔震装置的水平最大恢复力分别约为1783N、2702N、3529 N、4364N，每组设置1根、2根、3根SMA合金丝与未设置SMA合金丝时相比，水平恢复力增大约151%、200%、245%。随着SMA合金丝数量增加，滞回曲线明显饱满，面积增大，从而得出，增加SMA合金丝的数量，可以提高隔震支座的恢复力，起到限位作用，同时极大地增加了支座的耗能能力。
3.2 隔震支座的水平等效刚度
水平等效刚度计算公式：
式中：Fmax、Fmin分别为试验装置的最大和最小恢复力；△为相对位移幅值。
研究不同载重、加载频率、位移幅值下，SMA合金丝对水平刚度的影响，分析试验数据，得出加载频率、位移幅值对水平等效刚度影响不大，此处仅列出加载频率0. 1Hz，位移幅值50mm时的情况。结果如图5所示。
可以看出随着SMA数量的增加，隔震支座的水平刚度增大，同时隔震支座的水平刚度也随载重的增大而增大。
3.3 隔震支座的水平等效阻尼比
等效阻尼比的计算公式：
式中：w。为单位循环滞回环面积；后为隔震支座水平等效刚度；△为相对位移幅值。
当竖向加载为90kN，加载频率0.1Hz，最大位移幅值为30mm时，利用图4的滞回曲线，计算得到等效阻尼比如图6所示。
由图6可知，每组加3根预拉SMA丝的等效阻尼比为14%，每组加2根预拉SMA丝的等效阻尼比为9. 6%，每组加1根预拉SMA丝的等效阻尼比为7. 0%，每组加1根不预拉SMA丝的等效阻尼比为5.7 010，不加丝的等效阻尼比为2.6%。可见加SMA丝后隔震支座的阻尼比大幅增加。
3.4摩擦系数对隔震性能的影响
在滚球与凹形钢板间采用不同摩擦材料，研究摩擦系数变化对隔震支座性能的影响，进行了多种工况下的试验，其中竖向荷载90kN，加载频率0. 1Hz，位移幅值lOmm时，试验结果如图7所示。
通过滚珠在凹槽最低点处的试验数据可以得出，橡胶滚动摩擦系数约为0. 0063，细沙0.0042，聚四氟乙烯0. 0036，无摩擦材料时0.0031。橡胶材料的摩擦系数最大。由图7可以看出，它的滞回曲线最为饱满，说明增大摩擦系数能够增加隔震装置的耗能能力。由于细沙和聚四氟乙烯材料的摩擦系数并不大，所以与未设摩擦材料相比，它们的滞回曲线变化不太大，滞回曲线面积略有增加。合理设置摩擦材料可以使隔震装置更好地消耗地震能量。
3.5碟簧的竖向隔震性能
3.5.1 碟形弹簧竖向刚度
隔震装置的竖向刚度主要由碟簧的竖向刚度体现。利用试验数据可以计算出不同加载频率下碟簧的竖向刚度，见表1，其中理论值根据《碟形弹簧》( GB/T 1972-2005)计算。
由表1可以看出，随加载频率的增加，碟簧的刚度略有增大，但不明显。与国标中的理论计算值最大相差在5%以内，可以在实际应用时使用理论计算值。
3.5.2 碟形弹簧的隔震效果
试验时，作动器施加水平力模拟隔震支座承受的水平荷载，千斤顶施加竖向力模拟隔震支座承受的竖向荷载。根据SMA -滚珠碟簧隔震装置及安装固定的特点，当滚球在凹形复位板内做水平移动时，由于滚动面是凹面，必然会产生竖向的位移分量，而试件的固定方式不允许有竖向位移的空间，因此隔震支座水平运动时，会给千斤顶施加一定的竖向反力，水平推动隔震支座，必然导致千斤顶的读数变化。可以通过比较试验过程中设置碟簧前后千斤顶读数的变化来分析碟簧的竖向隔震效果。竖向载重120kN，加载频率0.1Hz时千斤顶的荷载变化见图8。
由图8可知，当水平位移30mm时，未设碟簧与设置碟簧隔震的千斤顶荷载变化量分别为13kN、7kN，水平位移达到lOOmm时，未设碟簧与设置碟簧隔震的千斤顶荷载变化量分别为50kN、26kN。可见设置碟簧隔震之后，作用于千斤顶的荷载明显减小。由此可以得出，设置碟簧隔震后，上部结构受到竖向作用可以明显得到减小，碟形弹簧具有很好的隔震效果。
4 结论
1)本文提出的SMA-滚珠碟簧隔震装置，具有合理的构造和很好的隔震性能，是能隔离水平及竖向地震的三维隔震装置，具有较好的应用前景。
2) SMA-滚珠碟簧隔震装置的水平刚度、阻尼比随着SMA合金丝数量增加都有大幅增大，隔震装置的水平恢复力变大，滞回耗能能力增强。在实际工程中可以根据需要调整SMA丝的数量。
3)凹形复位板的摩擦系数对隔震支座的隔震性能有一定的影响，适当采用较高摩擦系数的摩擦材料，可以提升隔震支座的滞回耗能能力。
4)隔震装置的竖向刚度主要由碟簧刚度控制，受加载频率、载重等因素影响不大，可以采用国标公式计算，通过对比设置碟簧组合前后的试验数据，可以得出此隔震装置具有较好的竖向隔震效果。
