新型SMA-叠层橡胶隔震支座性能及在框架结构中应用的研究

发布时间：2020-06-07 13:03

【摘要】：本文针对普通橡胶支座初始水平刚度较小,耗能能力差,地震作用下支座水平位移过大等缺点,利用形状记忆合金(SMA)的超弹性和高阻尼特性设计了一种新型SMA-叠层橡胶隔震支座并对支座的力学性能以及应用于框架结构中的隔震效果进行研究。包括了以下研究内容:为了获得水平各个方向上稳定的隔震效果还有竖向的抗拔力同时要使支座能具有较大的运动距离,支座采用了呈直角三角形拉结的SMA丝组合形成六边形的受力体系。根据SMA丝的组合方式不同设计了两种不同的支座方案。通过对支座不同方向上运动状态的分析和公式推导,得到了支座沿着两个正交方向运动时水平恢复力和竖向拉力与运动距离的关系式,并确定其在SMA超弹性范围内的极限位移的计算公式,为后续进行支座的受力分析与比较做好理论基础。为了分析支座的力学性能,首先利用MATLAB软件对SMA本构关系进行编程,对比实验数据对本构模型进行拟合,确定合理的模型参数。采用确定好的本构关系对两种支座方案的水平恢复力和竖向拉力和SMA超弹性范围内的极限位移的计算公式编制拟合程序。利用程序对支座进行了构造参数的影响分析,考察了SMA丝受力体系净高和水平投影长度、SMA丝截面积、SMA预施加应变、预应力对支座的影响以及不同位移下支座性能的变化,总结其性能指标的变化规律,为实际应用时进行性能调整提供理论指导。为了了解SMA-叠层橡胶隔震支座的隔震效果,根据MATLAB程序计算出的支座恢复力的计算结果建立了新型SMA-叠层橡胶隔震支座的单自由度隔震体系,在不同循环频率的简谐波激励下进行响应分析。结果表明,形状记忆合金橡胶支座具有更显著的隔震效果。同时,SMA-叠层橡胶隔震支座能有效减少单自由度隔震系统中支座的相对位移距离。弥补了橡胶支座在地震波作用下刚度小位移大的缺点。使用ABAQUS软件建立七层框架结构的有限元模型,获得了新型三种不同支座条件下的框架结构的自振特性,结果表明SMA-叠层橡胶隔震支座和橡胶支座均能延长结构的自振周期。框架结构在三种支座条件下的地震响应分析表明,新型SMA-叠层橡胶隔震支座能有效控制支座位移。与橡胶支座相比,新型形状记忆合金橡胶支座减少了11.5%的位移距离。与普通橡胶支座相比,新型形状记忆合金橡胶支座在降低结构各层加速度和位移方面效果更明显,均比普通橡胶支座高出20%。为了进一步了解SMA-叠层橡胶隔震支座在不同的地震作用下的隔震效果,采用调频、调幅以及选取不同地震波的方式对三种支座条件下的框架结构进行地震响应分析,结果表明较大的地震波振幅时SMA-叠层橡胶隔震支座的隔震效果比普通橡胶支座更好,SMA-叠层橡胶隔震支座能在较硬的场地发挥较好的隔震效果,在软弱场地可能会放大地震作用,而在三种不同的地震波作用下SMA-叠层橡胶隔震支座的隔震效果都要有优于普通橡胶支座。采用较小的间隔时间时地震波的振动主频会更高,较小间隔时间的地震波作用下SMA-叠层橡胶隔震支座的隔震效果更好。
【图文】：

城市变化

中国是一个地震活动频繁的国家，历史上有大量对于地震活动的记录。根据史料，1955 年以前发生在我国的地震有 8000 余次。从近现代以来我国也发生过多次造成严重破坏和重大财产人员损失的地震活动，例如 1976 年 7 月 28 日的唐山大地震、2008 年5 月 12 日的汶川地震（图 1-1）、2010 年 4 月 14 日的玉树地震、2011 年 3 月 10 日的云南盈江地震、2013 年 4 月 20 日的四川雅安地震以及 2014 年 2 月 12 日的新疆于田地震，最近几年地震频繁发生，使结构的抗震与减隔震成为了工程研究的热点，随着经济的发展，城市的建设与更新对于如何保证建筑及桥梁等在地震中不受破坏甚至倒塌提出了越来越高的要求。从历史记录来看地震往往具有突发性、破坏性以及广泛性等特点，能够使一座大型的城市在瞬间变成一片废墟，城市生活基本设施可能会全部瘫痪，造成巨大的经济损失还会出现大量的人员伤亡。因此运用工程结构的抗震知识建造具有足够安全性的建筑，以最大限度的减少国家和人民生命财产的损失对于地震频发的我国国情来说显得非常重要。

铅芯橡胶隔震支座,加强板,橡胶支座,夹层材料

支座采用了钢板作为夹层材料，但钢板造价高同时自重也大，为了克服这一柔性加强板橡胶支座，用纤维板等轻质但具备了足够刚度的材料代替钢板作座的夹层材料 ,可以减少造价和重量，，但柔性加强板橡胶支座的极限承载力强板橡胶支座要低，不能承担太大的竖向荷载，否则加强板可能会破坏。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.12

【参考文献】