非平整曲面隔震结构动力响应理论分析与试验研究

发布时间：2020-06-03 20:26

【摘要】：随着经济发展和城市化进程的加速,在创造了巨大财富的同时,地震灾害所造成的人员伤亡和经济损失也越来越严重。隔震技术作为一种可有效减小地震响应的方法得到了深入研究和广泛应用。基础隔震技术通过在结构底部与基础之间布置一个柔性隔震层,减小地震输入到上部结构的能量,可以有效减小结构地震响应。但是在超设计基准地震下,隔震层会发生过大变形,造成上部结构与周围挡土墙之间的碰撞,使结构造成损伤甚至上部结构发生倾覆,影响结构安全性。为此,提出了非平整隔震层曲面隔震结构这一新型隔震结构体系,利用结构曲面运动特性和自身重力效应控制隔震层位移,增加结构稳定性,并对这一新型隔震结构体系进行了理论与试验研究。主要研究工作及成果如下:(1)针对曲面隔震结构体系曲面运动特性建立了曲面隔震结构简化单质点模型,并对该模型进行了理论分析。分析了曲面隔震结构隔震周期与结构径高比之间的关系,通过刚度分解建立动力学方程并对曲面隔震结构加速度传递系数和位移传递系数进行理论推导,研究了加速度传递系数和位移传递系数随结构径高比的变化规律,并与平面隔震结构进行了对比研究,最后对曲面隔震结构与平面隔震结构的抗倾覆系数进行了理论分析。(2)建立了考虑曲面隔震结构绕隔震层曲率中心转动和上部结构绕隔震层中点摆动的单质点双自由度模型,该模型同时考虑了隔震层发生转动时隔震支座扭转效应对其刚度的影响。通过MATLAB软件对该理论模型进行编程分析,研究了曲面隔震结构隔震层位移响应、结构质心处加速度响应和隔震支座滞回特性随结构径高比的变化规律。(3)设计并制作了采用摩擦滑移隔震支座的曲面摩擦滑移隔震结构模型,并进行了小型振动台试验,研究其动力响应特性。曲面摩擦滑移隔震结构模型分别设计了R2.5、R4和R7三种不同曲率半径的摩擦滑移隔震支座,试验研究隔震层曲率半径对结构加速度响应和位移响应的影响,并与平面摩擦滑移隔震结构模型进行了对比试验。平面摩擦滑移隔震结构模型在试验过程中隔震层偏移速度快,隔震层残余变形大,结构无自复位能力,并且随着加载加速度峰值的提高,结构倾覆效应越来越明显,结构稳定性差;曲面摩擦滑移隔震结构模型在振动台试验过程中结构偏移速度及隔震层残余变形相对于平面摩擦滑移隔震结构模型有明显减小,并且表现出结构自复位能力,自复位能力对结构水平加速度响应有较明显的影响。(4)对采用叠层橡胶隔震支座曲面隔震结构动力响应进行了试验研究。分别设计了倾斜角度为4°和8°的倾斜隔震支座,对布置不同倾斜角度隔震支座的曲面隔震结构模型分别进行了水平单向加载、水平+竖向双向加载、水平双向加载、水平+竖向三向加载地震模拟振动台试验,研究不同加载制度和支座倾斜角度对结构加速度响应、位移响应、隔震支座滞回性能、隔震层位移等的影响。然后对平面隔震结构模型与非隔震结构模型分别进行了振动台试验,与曲面隔震结构模型进行对比分析,研究了不同结构体系模型在地震激励作用下结构动力响应的区别。试验结果表明,曲面隔震结构加速度响应相对于平面隔震结构有所增大,随着支座倾斜角的增大加速度响应也呈现增大趋势,但是相对于非隔震结构加速度响应大大减小;曲面隔震结构隔震层位移相对于平面隔震结构有所减小,并且隔震层位移衰减速度高于平面隔震结构,在地震作用下上部结构可快速恢复稳定。(5)为验证试验结果,采用ABAQUS有限元分析软件分别建立了支座倾斜角度为4°和8°的曲面隔震结构有限元模型和平面隔震结构有限元模型,对振动台试验进行了数值模拟分析,并将数值模拟结果与振动台试验结果进行对比。分析结果表明,数值分析结果所得结构加速度响应和位移响应时程曲线与振动台试验实测曲线相位特性相符,时程曲线吻合良好;数值模拟所得隔震支座滞回曲线呈现出等效刚度与试验结果相符,确认了曲面隔震结构的减震效果。
【图文】：

隔震结构,核心

图 1.3 钟型悬挂隔震结构Fig.1.3 Structural lay-out of a seismic isolated bell-building日本学者 Nakamura Y 等[50][51][52]提出一种核心悬挂隔震结构体系(CSI)，主由核心支撑结构和悬挂结构组成，在核心支撑结构顶部布置双层倾斜支座隔层。核心悬挂部分结构为高强混凝土结构，始终处于受压状态；悬挂结构部柱构件为钢结构构件，始终处于受拉状态。根据此设计方法，日本清水公司东京建成了首栋核心悬挂结构体系隔震建筑。该结构共 4 层，结构 1 层层高.15m，2~4 层层高均为 3m，结构总高度为 18.75m。隔震层底层支座倾斜角度 9.9°，顶层支座倾斜角度为 6.6°。核心悬挂隔震结构系统如图 1.4 所示。

隔震系统,核心,隔震支座

图 1.4 核心悬挂隔震系统详图Fig.1.4 Detailed picture of the core-suspended isolation system2.2 隔震支座研究概况随着叠层橡胶隔震支座的开发及其在实际工程中的运用，国内外学者对隔震支座展开了理论及试验研究。Gent 等（1959,1970,1974）[53][54][55]对橡胶块的受压、受弯和受剪等力学进行了研究。天然橡胶隔震支座是最早开发的隔震支座之一，，其竖向承载力大，水平可提供类似弹簧特性的柔性刚度，允许水平向发生较大变形，但是在地震下耗能能力较弱。为提高支座耗能能力，Hwang 等[56]对橡胶材料进行改制出高阻尼橡胶隔震支座，并对这种支座的力学性能进行了研究。Takayama 和 Morita[57]分别对有铅芯和无铅芯的叠层橡胶隔震支座进行
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.12

【参考文献】