铅芯橡胶隔震支座单元开发与应用研究

发布时间：2020-07-06 06:59

【摘要】：结构隔震技术在工程实践中得到了广泛关注和迅速发展,成为有效改善结构性态、提高结构安全性和增强结构功能性的重要手段,铅芯橡胶支座是目前应用最为广泛的隔震装置之一。本文以铅芯橡胶隔震支座的单元数值模型开发与结构隔震分析为研究核心,从支座压剪状态下界限承载性能、单元模型的开发及验证、近场向前方向性地震动随机建模型与合成方法、隔震结构整体层次的易损性评估这四个方面进行了较为系统的研究。主要研究工作及成果如下:(1)铅芯橡胶支座压剪状态下界限承载性能的数值研究定量描述支座压剪状态下失效模式对于其在地震作用下的性能评估至关重要。首先,本章基于有效剪切模量G_(eff)的概念并结合支座弯曲模量E_b的三个不同简化公式推导了支座的初始临界承载力P_(cr,0),与现有P_(cr,0)试验结果对比以评估它们的准确性;随后,建立了支座的三维有限元实体模型并根据支座临界承载力-侧移试验结果验证了模型的合理性;基于此,给定了支座剪切破坏的定量标准,针对支座压剪状态下的界限性能进行了参数化研究。结果表明,当综合考虑G_(eff)和基于pressure solution的E_b简化公式这两者时,能够较好地估计支座的P_(cr,0);支座的内外径比值对于支座临界承载力-侧移关系的影响较小,且重叠面积法能够较合理地描述支座临界承载力随侧移的变化关系;支座的失稳破坏与剪切破坏两种破坏模式发生的先后顺序主要取决于第二形状系数S_2;此外,当S_2保持不变时,随着第一形状系数S_1的增加,支座的极限剪切变形能力有所提高。(2)铅芯橡胶支座单元模型的开发及验证研究为实现隔震结构的整体精细化分析,本章基于OpenSees开发了铅芯橡胶支座的单元模型,在水平方向上综合考虑了支座双向耦合效应及屈服后剪切刚度随竖向荷载的变化效应;在竖直方向上计入侧移对于压缩刚度、临界承载力的影响,并考虑了支座拉伸方向上累积损伤、强度退化等力学性能。为验证单元模型的有效性,分别针对静力水平双向位移控制试验、静力循环拉伸试验及隔震桥梁振动台试验进行了模拟分析。结果表明,本单元模型能够较为合理地模拟支座各个方向上的主要力学特性,在单元内部考虑支座力学性能的变化效应可以较为准确地反映其在地震作用下的响应,为进一步开展隔震支座失效模式识别及隔震结构易损性分析奠定基础。(3)近场向前方向性地震动随机建模与合成研究近场向前方向性地震动对于长周期结构尤其是隔震结构具有十分不利的影响,鉴于其实测记录的匮乏,本章提出了近场向前方向性地震动随机建模与合成方法。所建立的随机模型基于地震动最强脉冲方向且由速度脉冲成分与高频成分两者叠加而成,脉冲部分由Gabor小波函数表示,高频部分采用调制过滤白噪声模型,故该随机模型综合考虑了地震动的方向性、脉冲特征以及时、频域内的非平稳特性等。基于现有近场地震动数据库,回归建立了随机模型参数与震源机制、震级、震中距及场地条件等地震动特征参数之间的经验预测公式,并得到模型参数之间的相关系数矩阵;由此提出了在给定地震特征参数条件下合成地震动时程的方法,从而为隔震结构的易损性分析提供地震动输入条件。(4)基于copula函数的近场向前方向性地震作用下隔震结构易损性评估研究基于提出的支座单元模型以及地震动随机模型,本章开展了近场向前方向性地震动作用下隔震结构的易损性评估研究。首先,考虑各个构件对于结构整体易损性的贡献,基于联合地震需求概率模型(JPSDM)和各个构件的性能极限状态模型,提出了求解结构整体层次易损性曲线的基本框架;在该框架中,采用copula函数描述各个构件地震需求之间的相关性,并基于定量识别的最优copula函数建立JPSDM。将该基本求解框架应用于一个典型的隔震框架结构,其中,隔震层最大剪切变形和上部结构的最大层间位移作为两个主要的构件需求参数。分析结果表明,当综合考虑定量识别的t copula函数和对数正态边缘分布时,能够合理地描述这两个构件需求参数之间相关性,结构整体易损性程度相比于任意构件都要严重;此外,copula函数的选取对于结构整体层次易损性的影响与构件间的相对易损性水平有关。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.12
【图文】：

示意图,支座,网格划分,试验模拟

图2.2支座网格划分示意图

【参考文献】