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。     

高层隔震结构摇摆提离效应与易损性初探

为了评估高层隔震结构在强震作用下存在的摇摆倾覆风险,基于叠层橡胶支座的拉伸临界性能状态,建立了高层隔震结构的摇摆倾覆界限理论,并给出了支座拉伸界限、支座损伤界限和结构倒塌界限三个临界角度的表达式。进一步选取隔震层摇摆角度为工程需求参数(Engineering Demand Parameter,EDP),通过IDA分析得到结构性能曲线,完成了不同高宽比框架剪力墙结构的易损性分析,并讨论了地震动特性对摇摆倾覆易损性的影响,结果表明远场地震动以及脉冲型地震作用下结构损伤概率更大,结构的高宽比越大损伤概率越高,地震动峰值为0.5 g时,结构高宽比为6、4.5和3时,支座损伤概率分别为45%、10%和0。     

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。     

新型自复位三维隔震结构动力响应数值模拟分析

针对常规水平隔震结构竖向加速度被放大、钢弹簧三维隔震支座抗拉能力差且易发生提离失效等问题,研发新型自复位抗拉三维隔震支座,使结构具有三维隔震能力,防止支座发生提离失效。通过有限元分析软件SAP2000建立采用叠层橡胶隔震支座的常规水平隔震结构模型和采用新型自复位抗拉三维隔震支座的三维隔震结构模型,并对比分析不同地震波作用下的结构动力响应。研究结果表明,常规水平隔震结构水平加速度响应相对于地面显著减小,但竖向加速度响应相对于地面显著增大;三维隔震结构水平加速度响应相对于地面显著减小,竖向加速度响应相对于地面未出现显著放大现象;在地面峰值加速度为0.6g的工况下,常规水平隔震结构隔震支座进入受拉状态,但三维隔震结构隔震支座一直处于受压状态。     

基底摇摆隔震桥墩振动台试验与数值模拟研究

为了研究不同构造形式的基底摇摆隔震桥墩在不同水准地震作用下的响应规律和抗震性能，提出了设置高阻尼橡胶垫块和线性弹簧的两种基底摇摆隔震桥墩模型。通过振动台试验和数值模拟，对两种摇摆隔震桥墩的地震响应规律和抗震性能进行了对比研究。结果表明：两种基底摇摆隔震桥墩在不同水准地震作用后，桥墩均没有出现严重的破坏，其破坏特征主要表现为限位钢板的弯曲变形和提离约束部件的移位，桥墩呈现出良好的抗震性能；两种基底摇摆隔震桥墩相对于传统桥墩能够显著降低墩顶加速度和墩底应变响应，但墩顶水平位移响应也会相应增加，在摇摆隔震桥墩的设计上，应将墩顶水平位移作为主要设计参数；提出了两种基底摇摆隔震桥墩改进的Winkler两弹簧数值计算模型，通过与振动台试验结果对比，证明了该模型能够较好地模拟两种基底摇摆隔震桥墩的摇摆行为及其地震响应规律。     

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。     

附设间隙阻尼减震装置的高位隔震连体结构振动台试验研究

针对高位隔震连体结构,提出附设间隙阻尼装置控制罕遇地震下连廊隔震支座位移。通过设计高宽比为6的双塔连体结构试验模型,对连廊与塔楼顶部仅采用隔震连接以及隔震与间隙阻尼装置连接的两类结构体系进行模拟地震振动台试验研究。选取远场El Centro波和速度脉冲效应明显的近场Chi-Chi波、Kobe波作为地震激励。通过测量隔震支座水平位移、间隙阻尼装置力与位移响应、连廊结构加速度响应以及塔楼结构加速度和位移响应,分析罕遇地震与极罕遇地震作用下间隙阻尼装置对隔震支座位移的控制效果,以及对连廊结构和下部塔楼结构抗震性能的影响。结果表明：间隙阻尼装置可以有效地控制罕遇和极罕遇地震作用下隔震支座位移,8度罕遇地震作用下,隔震支座最大位移减小59.61%;间隙阻尼装置传导轴与限位环产生剧烈冲击,引起高频振动能量进入连廊结构,导致连廊水平向加速度响应有所放大,而竖向加速度响应显著;远场地震作用下,间隙阻尼装置的启动对塔楼结构楼层加速度和层间位移角有所放大,但未造成不利影响;在速度脉冲周期与整体结构基本自振周期接近的近场地震作用下,当地震波峰值加速度为0.40g时,附设间隙阻尼装置使塔楼结构楼层峰值加速度和...     

铁路桩基础桥墩墩底摇摆隔震机制及抗震设计方法研究

近年来,基底摇摆隔震受到国内外学者的广泛关注,由于该方法从结构底部切断了地震传力路径,因而具有隔震效果好,震后可实现自复位的优点。本文针对墩底摇摆隔震问题,通过试验和数值方法研究其摇摆隔震机制及抗震设计方法,为墩底摇摆隔震桥墩在铁路桩基础桥梁中的运用提供依据。(1)基于前期关于铁路高墩桥梁墩底摇摆隔震方法的研究基础,通过对现有铁路桩基础桥墩的设计进行改进,提出一种带有限位耗能钢筋的墩底摇摆隔震方法,并与自由摇摆隔震和无黏结预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震的方法进行了对比,阐述了3种不同摇摆模式桥墩的隔震原理。(2)通过拟静力试验获得了3种不同摇摆隔震桥墩的初始刚度、提离荷载、极限荷载。分析了摇摆隔震桥墩的滞回特性和耗能机制,并研究了预应力防倾覆钢筋和限位耗能钢筋的约束效应及其对摇摆隔震桥墩的抗倾覆能力的影响。结果表明,自由摇摆桥墩摇摆过程中存在抗倾覆能力不足的问题,限位耗能钢筋约束摇摆隔震桥墩具有刚度较大且耗能性能较好的优点,预应力防倾覆钢筋约束摇摆隔震桥墩具有较好的自复位性能。(3)通过振动台试验获得了3种摇摆隔震桥墩在不同的地震波输入条件下的地震响应,包括墩顶水平加速度、水平位移和加台的竖向提离加速度、提离位移。分析了限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋对桥墩提离摇摆反应的影响。结果表明,自由摇摆隔震桥墩的摇摆反应过大,且碰撞效应明显,不利于桥梁抗震;限位耗能钢筋摇摆隔震桥墩约束效应强,可以明显减小墩顶摇摆幅度;而预应力防倾覆钢筋既可以控制摇摆幅度,同时具有自复位的功能。限位耗能钢筋和预应力防倾覆钢筋摇摆隔震桥墩的隔震效果均较好,能满足设计要求。(4)结合试验结果,提出了可模拟有限位耗能钢筋的摇摆隔震桥墩的四弹簧计算模型。同时利用两弹簧、三弹簧和四弹簧模型分别模拟了3种墩底摇摆隔震桥墩,建立了有限元分析模型,进行了Pushover和动力响应数值分析。分析结果与模型试验结果的骨架曲线吻合度较高。动力响应分析结果与振动台试验得到的加速度、位移试验曲线也具有较好的吻合度。表明了本文采用的弹簧模型能够在一定程度上模拟摇摆隔震桥墩在地震作用下的力学性能。(5)基于模型试验和数值分析结果,针对本文的3种墩底摇摆隔震桥墩提出了关键构件(加台、限位耗能钢筋、预应力防倾覆钢筋)的抗震设计原则。验证了一弹簧分析模型(转动弹簧模型)可以用于桥墩的墩底摇摆隔震简化计算。给出了为防止基础提离时局部混凝土压碎而增设的加台底钢板尺寸的计算公式。提出了摇摆隔震桥墩桩基础的计算模型。通过对原型桥墩进行抗震计算,分析了摇摆隔震桥墩与非隔震桥墩及基础的地震反应,讨论了隔震前后桩基础配筋率的变化。结果表明,隔震后的桩身只需配少量的钢筋即可满足抗震设计要求。     

几种隔震支座性能的对比试验研究

近年来,基础隔震的研究与应用取得了飞速的进展.对基础隔震中常见几种隔震支座(踏步支座、滑移支座、橡胶支座以及未隔震的固定支座)的性能进行对比评价,采用相同的框架结构模型作为上部结构,在不同支座的情况下输入不同强度的E1 Centro波和Northridge波,并记录分析上部结构的相应反应,以分析不同支座在同一地震下以及...     

农村房屋地基砂垫层隔震系统振动台试验研究

为研究农村房屋的防震减灾措施，验证地基砂垫层的减震效果，制作了1/4缩尺的1层砌体结构模型，采用大型振动台进行了有地基砂垫层隔震措施与无隔震措施的对比试验。采用自行研制的大型叠层剪切模型土箱，地基土采用粉质黏土，砂垫层采用中粗河砂。进行多工况单向水平激励的模拟地震试验。结果表明：在峰值加速度为0.1g和0.2g的El Centro波激励下，地基砂垫层隔震系统主要依靠砂垫层的塑性变形消耗部分地震能量，从而减少了上部结构的地震反应；在峰值加速度为0.4g的El Centro波激励下，一方面依靠砂土的塑性变形消耗部分地震能量，另一方面由于结构基础与地基土之间的相对滑移运动，限制了地震反应向上部结构的传递；在基础埋深范围内回填砂土的措施既促进了结构基础与地基土之间的相对滑移，又对上部结构的位移反应起到了较好的限制作用；地基砂垫层隔震系统可有效减小结构的加速度、层间位移、层间剪力，在峰值加速度为0.4g的El Centro波激励下，楼层加速度峰值减小35%，层间位移峰值减小59%，层间最大剪力减小34%。     

配有铅-磁流变阻尼器的高层RC框架结构非线性动力分析

为研究铅-磁流变阻尼器对高层RC框架结构的减震效果,基于框架结构的弹塑性杆模型,采用数值模拟方法对未装和安装铅-磁流变阻尼器的高层RC框架结构（12层）进行了非线性动力分析。结果表明：在El Centro波、Taft波和人工波作用下,有控结构顶层边节点的最大水平位移比未控结构分别减小47.9%、40.8%和40.8%,有控结构顶层边节点的最大水平加速度与未控结构相差不大;与未控结构相比,铅-磁流变阻尼器受控结构各层的最大水平位移均明显减小,各层的最大水平加速度变化不大;在El Centro波作用下,未控结构的屈服点分布在2~5层柱端,有控结构没有屈服点,在Taft波作用下,未控结构屈服点分布在2~4层梁端和1~8层柱端,有控结构仅在2~6层柱端有屈服点,在人工波作用下,未控结构的屈服点分布在2~3层梁端和2~6层柱端,有控结构仅在2~5层柱端有屈服点,说明铅-磁流变阻尼器可以控制高层RC结构的损伤发展过程、延缓结构的整体倒塌。     

传统风格建筑RC-CFST组合框架拟动力#br# 试验及弹塑性地震反应分析

对一缩尺比为1/2的传统风格建筑钢筋混凝土(RC)-钢管混凝土(CFST)组合框架模型进行El Centro波、Taft波、兰州波及汶川波等地震波作用下的拟动力试验,得到该模型的自振频率以及加速度、位移和应变等动力响应。分析模型结构的破坏过程、恢复力特征曲线及变形能力等抗震性能。研究表明：乳栿为模型结构的第一道抗震防线;随着输入地震波加速度峰值的增加,框架模型的自振频率下降,加速度放大系数逐渐减小,模型结构的恢复力特征曲线呈现出一定程度的“捏缩”效应。由应变分析可知,金柱纵筋先于檐柱纵筋屈服;乳栿和混凝土柱为模型结构的主要耗能构件。基于试验研究结果,采用有限元分析软件SAP2000对试验模型框架进行弹塑性地震反应分析,计算结果与试验实测结果吻合较好。计算分析结果表明：模型框架的出铰顺序依次为乳栿两侧、金柱柱底、檐柱柱底、金柱CFST柱底部及檐柱CFST柱底部。在峰值加速度为0.70g的El Centro波作用下,模型柱架的极限弹塑性层间位移角与规范规定的限值较为接近,表明框架结构具有较高的抗震安全储备。     

采用振动台阵的超大跨斜拉桥大比例全模型试验研究

强震作用下超大跨斜拉桥的结构响应与其结构体系密切相关,且受基础和场地土特性影响较大,然而目前为止,因试验条件和技术所限,尚缺乏相关的全桥模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400m超大跨斜拉桥为原型,设计一座几何相似比为1/70、包括桩基础和场地土的全桥模型;采用振动台阵试验技术,研究El Centro波、人工波、Mexico City波等三种典型地震一致激励下不同结构体系的地震响应特性及影响机理,所研究的结构体系包括：纵向半漂浮体系、纵向弹性约束体系、以及本文作者提出的纵向辅助墩耗能体系和横向耗能体系;探讨不同纵向结构体系的抗震性能以及附加在上塔柱间的耗能构件对斜拉桥横向地震响应的控制效果。试验结果表明：土-结构相互作用对上部结构地震响应的影响不可忽视;主塔地震响应受高阶振型的影响明显;在PGA为0.4g以下的El Centro波和人工波、以及PGA为0.2g的Mexico City波作用下,结构响应仍处于弹性状态;纵向弹性约束体系和纵向辅助墩体耗能系可有效减小主塔位移和塔-梁间纵向相对位移响应,其中作者提出的纵向辅助墩耗能体系的抗震性能更好;附加耗能构件可有效降低主塔的弯矩应变响应,实现分散主塔受力和附加耗能作用,但对主塔加速度和位移响应的控制有限。     

梁端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能振动台试验研究

受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点,后张预应力钢筋提供结构整体恢复力,并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验,研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式,设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型,输入El Centro地震波,得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应,对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度,故其地震加速度响应更小;CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置,地震作用下的结构整体位移得到有效控制;在经历罕遇地震作用后,仅层间阻尼器进入屈服状态,主体框架承重构件保持完好,无任何损伤,表现出优异的“免损伤”特征。     

不同类型地震波作用下超高层结构动力响应分析

目前,由于长周期地震动的缺乏,国内外对于长周期地震动特性及在长周期地震动作用下的超高层结构地震响应的研究尚不成熟。该文选取长周期地震动Tom波、地表反应波LS-R波、普通地震动El Centro波作为输入,对在不同类型地震波作用下的超高层结构进行了模型振动台试验,并对试验结果进行了分析。通过对三条不同类型地震波作用下超高层结构的动力响应分析,以时频分析的角度分析了超高层结构地震反应与输入地震动特性之间的关系及超高层结构在长周期地震动作用下与普通地震动作用下的地震反应差异等。