高层隔震结构提离摇摆耦合动力理论模型及地震响应分析

针对地震作用下高层隔震结构摇摆倾覆问题,提出考虑隔震层刚心变动的摇摆提离耦合动力理论模型,给出了地震响应提离摇摆的3个界限(即临界提离受拉界限、摇摆界限和倾覆界限)公式。通过大高宽比隔震结构振动台试验,进行不同峰值加速度地震波作用下试验结果分析,得到在地震动峰值加速度0.4g输入工况中,结构在El Centro波下进入提离受拉状态,在Taft波作用下,结构响应较大,提前进入摇摆状态;而在峰值加速度0.6g输入工况中,两条波作用下结构均进入了摇摆界限,尚未进入倾覆状态,隔震层位移未超出GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》限值,但此时支座的拉伸应变均已超过10%的安全界限,属于危险状态。对比分析摇摆模型与试验得到加速度及滞回曲线,可知理论模型与试验结果具有较好一致性。最后,采用数值分析方法,研究了提离摇摆耦合动力模型对不同高宽比高层隔震结构地震响应的影响,得到不同地震动峰值对不同高宽比结构的3个临界状态的影响规律,即摇摆提离模型的扭转角与结构高宽比和输入地震动峰值加速度有较大关系,其中地震动峰值加速度的变化影响更为显著。     

地震动速度脉冲对不同高宽比基础隔震结构抗震性能的影响

为研究近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构地震反应的影响,建立了不同高宽比的传统抗震及基础隔震框架结构有限元模型,选取了6条具有向前方向性效应和滑冲效应速度脉冲的实际近断层强震记录作为结构基础输入地震动,对8个模型进行了非线性动力时程分析,对比分析了传统抗震及基础隔震框架结构模型的层间位移角、支座位移和基底剪力等反应。结果表明：在近断层速度脉冲型地震动作用下,随着结构高宽比的增加,基础隔震结构的层间位移角和基底最大剪力逐渐增加,而隔震支座位移有先增大后减小的趋势,且随着地震动峰值速度与峰值加速度比值的增大,隔震支座位移也逐步增大;基础隔震对高宽比小于3的结构具有较好的减震效果,且高宽比越小其减震效果越好,但是当结构高宽比为4时,基础隔震效果较差;近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构底部楼层的不利影响会导致结构出现倒塌破坏。     

橡胶垫基础隔震结构考虑竖向地震作用高宽比限制研究

采用多质点层间剪切型分析模型 ,建立了橡胶垫基础隔震结构在水平与竖向地震联合作用下的运动微分方程 ,并推导了隔震结构高宽比限值的简化计算公式。在考虑了场地条件、地震烈度等影响因素下 ,分析了竖向地震作用的存在对隔震结构高宽比限值的影响规律。研究表明 ,在硬土场地上 ,竖向地震作用的存在对隔震结构高宽比限值有较大影响 ,并随着地震烈度、竖向加速度峰值的增大而增大。建在高烈度设防区较硬土场地上的基础隔震结构 ,其高宽比的确定应考虑竖向地震作用的影响     

高层结构三维基础隔震抗倾覆试验研究

为拓宽基础隔震技术的应用范围,开发了一种三维隔震抗倾覆支座并对其进行了试验研究。介绍了该支座的设计制作,通过拟静力试验研究其水平向和竖向力学性能。将该支座安装在一高层钢框架模型结构底部,输入不同场地不同峰值加速度的地震动激励,进行了有无三维隔震抗倾覆支座的地震模拟振动台对比试验,测试了模型结构的动力特性、加速度和位移反应以及基底剪力反应等。试验及分析结果表明:该支座具有较好的稳定性和较强的可靠性,结构在8度罕遇烈度地震作用下仍然是安全的;支座对结构在所给4条不同场地地震动作用下的动力反应有着良好的控制效果,且受输入加速度峰值的影响小。     

不规则高层隔震结构地震响应的影响分析

以不规则且高宽比达6.1的三维隔震结构为分析模型,隔震层力学特性水平采用Bouc-Wen模型,竖向采用拉压不等双线性模型。根据PGA/PAV(地震加速度峰值比速度峰值),选取了10条地震波,分析了地震波频谱特性及隔震层偏心对不规则大高宽比隔震结构地震响应的影响。分析结果表明:采取隔震措施后,隔震层和结构顶层加速度均可减小69%,结构顶层扭转角减缓达67%;低频长周期地震波作用下隔震结构的地震响应较高频短周期地震波的大,结构响应大致随着PGA/PGV的增大而减小;当隔震后周期达某一程度后,隔震层偏心对上部结构影响不明显,可以适当放宽对支座布置的要求。本文分析结果对高层隔震结构设计具有一定参考价值。     

矩形脉冲激励下高层隔震结构提离摇摆界限谱模型及参数影响分析

判别高层结构所处的摇摆状态是分析地震作用时隔震层是否处于安全状态以及结构是否处于稳定状态的重要基础。根据隔震层橡胶支座的竖向变形计算结果,将高层隔震结构的摇摆状态分为未提离、提离、摇摆、倾覆状态,提出了基于简化刚体模型的提离摇摆状态分类方法。通过分析矩形激励下竖向屈重比、水平屈重比、竖向周期、水平周期、高宽比、激励幅值系数、激励频率比等参数对高层隔震结构摇摆响应的影响,得到了高层隔震结构未提离、提离、摇摆的界限谱以及主要参数对界限谱的影响规律,进一步分析了高层隔震结构倾覆状态与激励幅值、频率比之间的关系。研究结果表明：摇摆响应随竖向屈重比、水平屈重比、激励频率比的增大而减小,其中水平屈重比的影响最大;摇摆响应随激励幅值系数、竖向周期、水平周期及高宽比的增大而增大,摇摆响应较小时高宽比的影响最大,摇摆响应较大时竖向周期的影响最大,控制摇摆响应的最有利措施是增大水平屈重比、减小高宽比和竖向周期;对提离界限影响程度从大到小的顺序为高宽比、水平屈重比、竖向周期、竖向屈重比、水平周期,对摇摆界限影响程度从大到小依次为竖向周期、水平屈重比、高宽比、水平周期、竖向屈重比;结构倾覆与激励幅值系数、激励输入时间呈正相关。     

Dynamic model and parametric analysis of high-rise isolation structure under rectangular pulse excitation

判别高层结构所处的摇摆状态是分析地震作用时隔震层是否处于安全状态以及结构是否处于稳定状态的重要基础。根据隔震层橡胶支座的竖向变形计算结果，将高层隔震结构的摇摆状态分为未提离、提离、摇摆、倾覆状态，提出了基于简化刚体模型的提离摇摆状态分类方法。通过分析矩形激励下竖向屈重比、水平屈重比、竖向周期、水平周期、高宽比、激励幅值系数、激励频率比等参数对高层隔震结构摇摆响应的影响，得到了高层隔震结构未提离、提离、摇摆的界限谱以及主要参数对界限谱的影响规律，进一步分析了高层隔震结构倾覆状态与激励幅值、频率比之间的关系。研究结果表明：摇摆响应随竖向屈重比、水平屈重比、激励频率比的增大而减小，其中水平屈重比的影响最大；摇摆响应随激励幅值系数、竖向周期、水平周期及高宽比的增大而增大，摇摆响应较小时高宽比的影响最大，摇摆响应较大时竖向周期的影响最大，控制摇摆响应的最有利措施是增大水平屈重比、减小高宽比和竖向周期；对提离界限影响程度从大到小的顺序为高宽比、水平屈重比、竖向周期、竖向屈重比、水平周期，对摇摆界限影响程度从大到小依次为竖向周期、水平屈重比、高宽比、水平周期、竖向屈重比；结构倾覆与激励幅值系数、激励输入时间呈正相关。     

两自由度滑移隔震体系的上部结构最大地震反应分析

基础滑移隔震是提高高烈度区村镇低层建筑抗震能力的有效方法。通过输入大量地震波,对两自由度滑移隔震体系上部结构归一化峰值伪加速度进行了数值分析,研究地震动和结构特性对滑移隔震结构最大地震反应的影响,并建立了上部结构峰值伪加速度的简化计算公式。研究结果表明：归一化峰值伪加速度随着上部结构周期的增大呈先增大后减小的变化趋势,可近似保守地取归一化峰值伪加速度平均值的最大值作为滑移隔震结构的最大地震反应;滑移发生后,震级、震中距及近场脉冲对结构响应的影响较小,动静摩擦系数差异的影响也可忽略不计;场地条件对上部结构响应有一定影响,表现为场地土越软,结构响应越大,但这一影响总体上随着归一化地面峰值加速度的增大而减小;对于给定的场地类别、质量比和归一化地面峰值加速度,归一化峰值伪加速度基本服从正态分布。基于参数分析结果,建立了归一化峰值伪加速度平均值与变异系数的简化计算公式,公式计算结果与简化模型计算结果吻合较好,可用于计算任意超越概率下的归一化峰值伪加速度值。     

塔型隔震结构多质点体系计算模型及振动台试验研究

本文提出了考虑橡胶隔震支座剪切变形状态下竖向刚度特性的转动刚度计算式,并应用到大高宽比塔型隔震结构体系多质点体系计算模型分析隔震结构的地震反应。本研究同时还完成了5层塔型钢结构隔震模型结构的振动台试验,模型结构加速度反应、层间剪力和隔震层恢复力特性等试验结果与采用多质点体系计算模型解析结果一致,表明多质点体系计算模型可以有效地用于分析塔型隔震结构地震反应。     

钢筋-沥青隔震墩砌体结构足尺模型试验研究

针对广大农村低矮房屋抗震能力普遍不足的现状,根据基础隔震理论,在钢筋 沥青复合隔震层的基础上,提出了钢筋 沥青隔震墩。并以单层单开间砌体结构房屋为研究对象,进行了足尺模型拟动力试验。通过隔震墩上、下楼板布置的拾振器测得上下部加速度幅值,用其比值衡量减震效果。研究结果表明：在各种振动波输入下,隔震墩吸收了大部分的能量,隔震墩上部楼板加速度反应可以衰减到隔震墩下部楼板加速度反应的50%以下,具有较好的减震效果;随着振动频率的增大,水平两个方向加速度衰减系数也相应减小;而随着控制位移的加大,加速度衰减系数相应增大;从输入加速度大小方面分析则随加速度峰值的增大,加速度衰减系数有减小的趋势。     

高层隔震结构提离摇摆耦合理论模型及振动台试验验证

基于受力及变形方程的微分求解给出高层隔震结构考虑支座水平及竖向刚度衰减规律和结构摇摆效应的耦合动力理论模型,并给出摇摆角、压应力及剪应变对隔震层水平及竖向的力学性质影响规律。对高宽比为5及25的隔震结构进行振动台试验研究,试验结果表明大高宽比隔震结构动力特性出现明显振型二阶效应,地震动作用下大高宽比结构隔震层摇摆角响应比小高宽比结构大,在输入地震动峰值06g时两者差值达到5倍以上,且大高宽比结构出现明显的支座受拉现象。对隔震层水平、竖向及摇摆响应的理论计算值和试验实测值进行对比,结果表明理论和试验结果较为一致。进一步分析4种高宽比隔震结构的摇摆角响应,得到摇摆角随高宽比增加而增大的结果。大高宽比隔震结构更易产生摇摆响应,隔震层的摇摆角不可忽视,因此高层结构在隔震设计中应考虑隔震层的摇摆响应和支座受拉的情况。     

昆明新国际机场航站楼A区结构模型振动台试验研究

通过对昆明新国际机场航站楼A区结构1/60模型进行地震模拟振动台试验,分析了结构形式复杂的大跨度基础隔震结构模型的设计方法,分别测试了隔震结构模型和非隔震结构模型的动力特性、阻尼比及其在不同地震动输入时结构的加速度、位移、扭转等动力反应,以及大跨度网架的竖向振动等,研究了结构破坏机理和破坏模式。试验结果表明：基础隔震能够有效延长结构的自振周期、增加结构的阻尼比、提高结构的耗能能力;通过基础隔震,可以将水平地震输入加速度峰值降低到原来的40%,对竖向加速度没有降低作用,但通过对水平加速度的降低有效抑制了大跨度网架的竖向振动;烈度8.2度地震作用下隔震结构的位移、加速度、扭转等反应均比7.5度地震作用下非隔震结构的反应要小,且隔震结构在8.2度多遇和罕遇地震作用下结构的层间最大位移角分别为1/636、1/201。试验表明原型结构设计基本合理,采用基础隔震能够有效提高结构的抗震性能,隔震层以上结构在8.2度抗震设防烈度时的水平地震作用小于非隔震结构在7.5度抗震设防烈度时的对应值。最后针对试验及分析结果对原型结构设计提出一些改进建议。图8表4参4     

高层隔震结构高宽比限值研究北大核心CSCD

当高层隔震建筑遭遇强震作用时,橡胶隔震支座容易产生拉应力或压应力超过容许值,使结构产生倾覆破坏。为防止高层隔震结构发生倾覆破坏,采用三质点等效模型推导出多振型高宽比限值计算公式,并给出相应的高宽比限值。研究表明,与单质点高宽比计算公式相比,按推导的多振型高宽比公式计算所得的高层隔震建筑高宽比限值更为安全可靠。     

圆形隧道衬砌背后空洞对隧道结构影响的振动台模型试验

为研究圆形隧道背后空洞对结构抗震性能的影响,开展振动台模型试验研究。从地层参数、试验模型相似比、模型箱设计、人工边界处理、传感器布置及地震动加载制度等方面,详细介绍模型试验方案。分析模型箱的边界处理效果,重点考察了模型地基的加速度反应、隧道结构的加速度反应、隧道结构的动应变规律及特征。试验结果表明:模型箱设计合理,边界的设置能够很好地模拟原型土域;随着地震波的向上传播,模型地基中的峰值加速度逐渐增大,地表处的加速度放大系数随着台面输入地震动的增大而减小;在较小地震动作用下,圆形衬砌背后空洞会缩小断面的加速度响应,而在较大地震动作用时会明显增大断面地震反应。     

多模块高温气冷堆核岛厂房隔震结构振动台试验

为研究多模块高温气冷堆核岛厂房基底隔震结构的抗震性能,设计缩尺比为1/20的核岛厂房振动台试验模型,分别进行抗震、摩擦摆支座隔震、橡胶支座隔震三种工况下的振动台试验,对比分析不同工况下核岛厂房隔震结构的动力响应规律,包括结构动力特性、加速度和位移响应、楼层反应谱等。试验结果表明：采用隔震措施后,结构自振周期明显延长,隔震效果显著;三向地震动输入时,隔震上部结构的加速度放大系数在四层以上会突然增大,这是由于结构中部T形墙高度仅至四五层之间,结构在此处被削弱;结构整体刚度较大,抗震结构和隔震后上部结构的相对位移均较小,基本处于平动;隔震措施能明显减小核岛厂房结构在其自振频率处的水平向加速度反应谱峰值,而在隔震频率处隔震模型加速度反应谱值有所增加;在三向地震动输入下,隔震模型的竖向楼层加速度谱较抗震结构的竖向加速度谱有明显放大。     

预制混凝土剪力墙隔震结构振动台试验研究

为研究预制混凝土剪力墙(PCSW)隔震结构的抗震性能,设计了1个1/4缩尺结构模型,通过改变边界条件形成两种结构,分别为PCSW隔震结构及非隔震结构,并对其进行振动台试验.通过对结构动力特性和地震反应的对比分析,研究了PCSW隔震结构的减震效果和耗能特性.结果表明:高阻尼隔震支座具有较小的水平刚度,降低了PCSW隔震结构的自振频率;高阻尼隔震支座具有良好的耗能性能,提高了PCSW隔震结构的阻尼比;随着输入峰值加速度的变化,PCSW隔震结构的频率和阻尼比具有良好的稳定性;PCSW隔震结构的加速度、层间位移、基底剪力隔震效果明显;在输入峰值加速度400 gal时,顶层绝对加速度减震率达65％,顶层层间位移减小率达60％,基底剪力隔震率达48％;随着输入峰值加速度的增大,PCSW隔震结构的基底剪力隔震率呈增加趋势.     

考虑隔震支座竖向变形对基础隔震剪力墙结构的抗侧刚度影响研究

与普通抗震结构不同,由于隔震支座会发生竖向变形,基础隔震结构在地震作用下将会发生一定的刚体转动,进而影响上部结构的侧向刚度,而这种刚体转动在剪力墙结构中表现得尤为明显。采用ABAQUS有限元分析软件对基础隔震双肢剪力墙结构进行了非线性有限元数值模拟计算,建立30个有限元模型,通过改变隔震支座拉压刚度比值、墙体轴压比、高宽比,对比分析了隔震支座竖向变形引起的隔震层转动对双肢剪力墙隔震结构抗震性能的影响。结果表明:增大隔震支座拉压刚度比与轴压比、减小剪力墙高宽比可以减小隔震支座竖向变形引起的上部结构转动;由于上部结构转动的影响,隔震上部结构抗侧刚度明显低于相同条件抗震结构,在工程设计中应引起重视。     

软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究

通过对高层隔震结构模型在刚性地基和软土地基条件下进行对比振动台试验,研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界影响,采用粉质黏土作为模型土,考虑基底压力的相似,采用高宽比为4的5层钢框架作为上部隔震结构模型,设计了软土地基上高层隔震结构、非隔震结构以及刚性地基上隔震、非隔震结构的振动台试验模型。试验结果表明：土-结构相互作用（SSI）效应对隔震结构的影响程度较非隔震结构轻;SSI效应显著降低了隔震结构模型的自振频率、增加了体系的阻尼;软土地基上隔震结构能够有效减轻结构的地震反应,但是相对于非隔震结构的加速度反应比值增大,隔震效果降低;SSI效应可能增加也可能减小隔震结构的地震反应,不仅与地震动类型有关还与输入地震动强度相关;软土地基上高层隔震结构基础输入地震动与自由场地震动在反应谱水平上基本一致,采用自由场地震动确定基础输入地震动是可行的,且偏于安全,而非隔震结构基础输入地震动则与地基更深层的地震动接近。     

低矮砌体结构隔震与非隔震振动台对比试验研究

摘要： 为将橡胶支座隔震技术应用到在我国村镇低矮砌体结构房屋,在室内地坪以上设置隔震层,设计和制作了隔震与非隔震结构模型试件,对其进行振动台对比试验。模型选取未设置构造柱圈梁的两层砖砌体结构,采用1/2的缩尺比例制作。通过对隔震和非隔震结构模型的动力特性、加速度反应、层间位移反应、层间剪力和结构剪重比进行对比分析,研究了低矮砌体结构隔震技术的减震效果,验证了相应构造措施的适用性。振动台试验表明：隔震结构模型在峰值加速度800gal（相当于10度设防）的地震波激励下,没有开裂和破坏,支座复位情况良好;设置隔震层可有效降低结构的自振频率,对加速度、层间位移、基底剪力的减震效果明显,在输入峰值加速度400gal的地震波时,顶层加速度减震率达67%,层间位移减小率为34%,基底剪力减震率达68%;随着地震动强度的增加,隔震结构的减震效果呈增加趋势。研究结果为低矮砌体结构民居隔震技术的应用和相关标准的编制提供参考。     

基于结构设计的基础隔震结构高宽比限值的研究

本文研究了橡胶支座基础隔震结构的高宽比限值。研究基于保证隔震结构在强震中不倾覆的两个充分条件,一个是橡胶隔震支座不能产生拉应力,另一个是隔震支座压应力不超过容许值。本文推导了隔震结构高宽比限值的显式并给出了针对不同建筑类别、不同设防烈度、不同场地条件和不同隔震层阻尼比的高宽比限值。在支座的轴力计算中,还考虑了竖向地震作用和荷载的最不利组合。研究发现,当控制条件为支座不产生拉应力时,高宽比限值随隔震结构周期的增加而增加;当控制条件为支座压应力不超过容许值时,高宽比限值随隔震结构周期的增加而减小。因此,存在一个临界周期使高宽比限值取得极大值。研究还发现,存在一个最大的隔震结构周期使高宽比限值等于零或隔震层位移超过容许值。将隔震结构的周期与临界周期和最大隔震周期比较,就可以得到相应高宽比限值的表达式。最后,按照简单、安全的原则,将各种工况下的高宽比限值进行了归并,给出了高宽比限值的设计建议值。同时,还按设计规范提供的结构周期计算公式计算了隔震结构的高度限值。