基于快速多极间接边界元法的地震超材料隔震效应研究

本文将快速多极间接边界元法 (FMIBEM) 应用至地震超材料对地震波的散射模拟,并提出一种周期性隔震材料——岩土复合地震超材料 (RSCSM)。在精度验证基础上,对RSCSM的带隙结构及不同单晶胞结构下的隔震效果与带隙范围进行详细的数值分析。结果表明：采用FMIBEM能够有效地处理大型地震超材料对地震波的宽频散射问题；RSCSM能够隔离地震波超低频段隙,方形晶胞结构产生的带隙宽度(0.5-17 Hz与54-72 Hz)涵盖了地震波产生危害的主要频段(0.5-2 Hz),隔震效果可达35%以上；改变RSCSM的单晶胞结构会对地震超材料带隙结构产生重要影响。本文研究为二维地震超材料对地震波散射的模拟提供一种高效方法,研究结论可为地基隔震设计提供部分科学依据。     

十字分形地震超材料隔震性能

为了解决基于表面波理论的地震超材料带隙窄的问题，设计了一种基于十字分形柱的低频宽带隙地震超材料，并通过数值模拟计算其频散曲线，发现三阶十字分形地震超材料的相对带宽高达60%.对不同阶数十字分形地震超材料的频散曲线进行比较研究，以阐明分形地震超材料带隙扩展的机理.通过材料参数分析，研究不同材料参数对带隙宽度及位置的影响.为验证所设计的地震超材料对实际地震波的屏蔽效果，进行频域和时域分析.通过对El Centro地震波和Taft地震波的瞬态动力学分析发现，三阶十字分形地震超材料可以将2种地震表面波位于带隙频率范围内的加速度幅值降低50%以上，具有良好的隔震性能.     

基于小波分解的基底隔震结构的抗震分析

目的分析基底隔震结构在地震波以及地震波各个频段作用下的位移、等效静力、基底剪力.方法采用小波分解的方法对汶川地震近震区的水平地震动输入加速度进行分解,对基底隔震体系在不同频段地震动作用下进行动力学时程分析,并与未隔震体系进行对比研究.结果隔震结构在0~0.39 Hz、0.39~0.78 Hz、0.78~1.56 Hz等低频段作用下的位移反应远远大于6.25~12.5 Hz、12.5~25 Hz、25~50 Hz、50~100 Hz等高频段的位移反应,在6.25 Hz以上的频段,出现隔震结构的位移小于未隔震结构的位移,等效静力也是如此.在卧龙波以及各个频带作用下,隔震结构基底剪力远远小于未隔震结构的基底剪力.结论相比未隔震结构而言,基础隔震结构大大地降低了上部结构的地震反应,低频段地震波对结构作用很大,高频段可以放大高阶振型的作用,而隔震层起到一个低通滤波器的作用,可以滤去地震波的一些高频成分.     

LRB隔震结构模型振动台试验研究(2)

为研究大高宽比隔震结构的多维抗震性能,对一缩尺1∶4比例,两向高宽比分别为2.5和5的铅芯橡胶垫隔震结构模型进行了多向地震波输入下的振动台试验研究.试验分为小高宽比隔震结构模型双向地震波输入、大高宽比隔震结构模型三向地震波输入.通过输入不同大小和类型的地震波,分析隔震上部结构和隔震支座的地震反应.试验结果表明:各向地震波对结构反应将产生复杂的相互影响,当各向地震波发生峰值时刻接近时,这种影响更为显著.因此从安全考虑应该进行水平双向组合变形验算.     

含旋转振子的周期基础对地震弯曲波的隔震作用

提出一种含旋转振子的周期性基础（PF）板,用于高层建筑对地震弯曲波的隔震。早期对PF隔震的研究主要针对平面波,但地震波对于周期性基础板结构更易激发弯曲波。突破以往研究仅针对平面波的局限性,对弯曲波输入的频散关系进行探究;通过有限元法,利用可考虑板厚影响的SHELL单元计算PF板的弯曲波衰减域,系统研究材料参数和几何参数对弯曲波衰减域的影响;通过对三维有限元模型进行弯曲波和地震波入射的数值仿真试验,验证PF隔震的有效性。结果表明：弯曲波衰减域对连杆的宽度和弹性模量变化很敏感;在弯曲波输入下,PF的衰减域在10 Hz以下,与混凝土基础板相比,PF对弯曲波的隔震效率大于60%,能够作为高层建筑的隔震基础。     

叠层橡胶支座竖向刚度退化对隔震结构的影响

隔震结构在地震作用下,叠层橡胶支座竖向刚度随剪切变形增加而不断退化,对整体隔震结构产生的影响尚不明确.为此,通过ABAQUS建立不同层数、层高、柱距的隔震框架结构,支座本构采用修正的双弹簧模型结果.通过ABAQUS用户单元子程序UEL,采用FORTRAN语言编写了能够考虑支座竖向刚度退化的支座单元程序;输入实际罕遇地震波,对结构进行弹塑性动力时程分析,研究支座竖向刚度退化对结构地震响应的影响.结果表明:支座竖向刚度退化对结构柱底剪力、轴力、弯矩及梁弯矩有一定影响,地震响应放大系数结果为1.1～1.3;支座竖向刚度退化对支座剪切变形及上部结构层间位移影响较小.研究结果可为今后进行罕遇地震作用下隔震结构的计算分析提供重要依据.     

地震作用下抗震与隔震连续梁桥动力响应试验研究

针对某跨海连续梁桥的抗震和隔震性能,通过将其简化,并根据相似比1∶10制作该梁桥单墩抗震与隔震试验模型,采用铅芯橡胶隔震支座,进行抗震及隔震地震模拟振动台试验,研究分别采用120、600、1 200和2 400年一遇地震波输入时结构的加速度响应、隔震支座剪力、墩顶剪力和隔震支座滞回性能,并根据单墩低周往复加载试验结果,判别在不同地震波作用时抗震桥墩和隔震桥墩所处的状态。试验结果显示:隔震后梁桥上部结构地震加速度响应在120和600年一遇地震时减小为抗震结构加速度响应的54%和55%;随着结构响应的增加,隔震位移越大,隔震支座耗能能力越强;采用隔震后,在2 400年一遇地震时,隔震梁桥整个桥墩在弹性范围内,桥墩地震响应小于开裂荷载,而抗震梁桥在600年一遇地震时,桥墩已达到开裂荷载。     

LRB隔震结构模型振动台试验研究(1)

为研究大高宽比隔震结构的多维抗震性能,对一缩尺1∶4比例高宽比为5的铅芯橡胶垫隔震结构模型进行了水平和竖向双向地震波输入下的振动台试验研究.通过输入不同大小和类型的地震波,分析隔震上部结构和隔震支座的地震反应.试验结果表明:隔震上部结构减震效果较好;隔震支座在某些工况下,竖向可进入非线性受拉变形状态,此时的结构存在倾覆危险.试验相关数据的分析可为隔震结构设计理论和规范的编制提供参考.     

博物馆结构隔震前后楼层反应谱及设计谱

为得到博物馆隔震前后的楼层反应谱及设计谱以进行附属结构的防震设计,首先建立了非隔震、隔震两种博物馆结构有限元模型,并通过环境振动测试验证模型的准确性.然后选取了7条罕遇地震波进行时程分析,通过加速度峰值、频谱两参数进行隔震前后的楼层波及其与地震波的差异分析.进而将楼层波作为输入,通过MATLAB程序计算非隔震、隔震结构对应的楼层加速度反应谱,并根据地震抗震设计谱理论拟合用于附属结构设计的楼层设计谱.研究结果表明:有限元模型的动力特性与振动实测结果吻合较好;隔震后楼层加速度峰值较非隔震峰值降低约75%,楼层波卓越频率均与两种结构对应的自振频率相吻合,结构起主控作用;楼层反应谱是地震波与主结构共同作用的结果,反映二者的特性;最后得到了加速度标准化设计谱曲线及数学表达,隔震前、后设计谱划分区段不同,非隔震楼层设计谱有1个平台段,隔震楼层设计谱有2个平台段,设计谱研究成果可用于不同结构内部展陈等附属结构的防震设计.     

含共振单元的单相3维声子晶体设计及其带隙特性研究

局域共振型声子晶体具有低频段的弹性波带隙特性,在振动与噪声控制工程领域有着重要的应用前景。三维局域共振型声子晶体的结构形式目前主要是基于多组元材料体系,在面向工程实际的制造和应用方面存在局限。对此,本文提出一种可实现低频局域共振带隙的单相三维声子晶体结构,利用有限元方法计算了声子晶体的能带结构、振动模态和传输特性。结果表明：该结构在具有高频带隙的同时,可在归一化频率低于0.1的范围内打开相对带隙宽度超过20%的低频弹性波带隙。结构中球形质量单元和连接体的局域共振是该低频带隙产生的主要原因。结构材料属性的变化影响带隙频率值的实际大小,而结构几何参数决定带隙在整个能带结构中出现的相对位置。通过改变结构材料参数和几何参数,可以实现对低频带隙边界和带隙宽度的调控。带隙的进一步拓宽可以通过构造几何参数渐变的组合结构来实现。本文所提出的单相三维声子晶体结构可用于低频减振降噪材料和器件的设计开发。     

结构隔震体系地震反应分析

运用整体有限元法建立了隔震体系在时域内求解的运动方程,并在此基础上考虑了隔震体系的恢复力特性,编制了地震反应计算程序．计算了输入Ｅ１－Ｃｅｎｔｒｏ（Ｎ－Ｓ）地震波时体系的动力反应．计算结果表明：隔震体系上部结构的加速度反应大大降低     

一种新型X波段宽带左手材料的设计和特性研究

为了更简便的制备宽带内的左手材料,提出一种新型的X波段方形开口磁谐振器（SSRs）,通过将该磁谐振器与H型电谐振器的耦合,设计了一种电路板单面印刷的宽带左手材料（LeftHandMaterials,LHMs）．经过HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）仿真,利用散射参量法计算分析了SSRs、H型谐振器的传输特性和负电磁参数特性、电磁谐振器耦合结构的负介电常数、负磁导率和负折射率．仿真证实：该结构在10．05～11．6GHz频带内具有负折射特性,较同频段其他LHMs带宽更宽．同时耦合结构可以单面印刷,尺寸较大,在一定程度上避免了传统LHMs对印刷电路板刻蚀工艺加工精度的较高要求,便于实际制备．     

具有限位装置的滑移隔震框架结构在碰撞前后单向和双向地震反应分析

为了克服传统滑移隔震限位装置一滑就限增加上部结构的地震反应的缺陷,使滑移隔震技术在框架结构中得到应用,在研究了U型环限位消能元件的工作性能的基础上,采用有限元SAP2000软件,建立了一种新型具有限位装置的滑移隔震三层框架结构的计算模型,并根据合理的碰撞前后滞回特性,进行了单向和双向地震波作用下的隔震结构分析.计算结果表明,限位装置的刚度对结构碰撞后层间加速度和位移量的变化影响较大;双向比单向地震激励对结构产生的最大基底滑移量要大.随着另一个方向地震烈度的不断加大,结构最大滑移量呈现出先增后减的规律,为滑移隔震在框架结构中的设计提供了理论依据.     

新型声学超材料梁带隙特性分析

为了突破局域共振带隙带宽窄的瓶颈,并获得宽频低频带隙,本文将基于磁流变弹性体的局域共振单元应用于新型超材料梁的设计.本文采用谱元法对所设计的超材料梁进行建模计算,基于离散傅里叶变换理论和变分法构建了谱梁单元,基于力-位移关系法构建了磁流变弹性体局域共振谱单元.利用有限元法计算结果的收敛趋势检验了本文结果的正确性.通过频响曲线讨论分析了外加磁场强度、局域共振单元附加质量和单胞梁段的材料组成等因素对所设计超材料梁带隙特性的影响.研究发现,采用基于磁流变弹性体的局域共振单元设计超材料梁,可以使局域共振带隙宽度达到与Bragg带隙相当的水平,有效拓展局域共振带隙的宽度,提高该超材料梁的减隔振能力;增大磁流变弹性体局域共振单元附加质量,将减小超材料梁Bragg带隙的下界频率并拓展其带隙宽度;增加磁流变弹性体超材料梁单胞数是提高其Bragg带隙和局域共振带隙衰减能力的有效手段;单胞梁段材料构成差异越大,低频带隙越多,总带宽越大,衰减能力越强.     

振动台模拟高层隔震结构多维地震反应的试验

目的为高层隔震结构设计理论和规范的编制提供试验依据．方法对缩尺为1：16两向高宽比分别为2．5和5的橡胶垫隔震结构模型进行三向地震动输入振动台试验．通过输入不同大小和类型的地震波，分析观察模型上部结构和隔震支座的地震反应．结果结构在小高宽比方向基本做刚体运动，大高宽比方向在强震时变形以第一振型为主，并有高阶振型的参与；在某些工况下，隔震支座竖向进入非线性受拉屈服状态；三向地震动发生时刻接近时，隔震支座水平面内产生最大变形．结论隔震上部结构减震效果较好；需特．别注意水平两向地震波峰值接近的情况；在某些不利地震动下，隔震支座进入受拉屈服状态，此时结构是不安全的     

隔振支座对大跨度网壳的振动控制分析

本文通过建立了橡胶隔振支座与设置隔振支座的网壳结构的力学模型,研究了隔震支座控制下,大跨度空间单层柱面网壳结构在地震作用下振动响应,结果表明:隔震支座对结构的振动可以起到良好的控制作用,但地震强度对隔震支座耗能能力影响较大,在最大水平行程内,地震强度越大,耗能能力越强;在不同地震波作用下,隔振网壳结构体系的振动控制效果有所不同,其中:EL Centro波作用的结构被动控制效果最佳。     

芦山余震震源参数及震源区品质因子反演

为了确定2013年4月20日芦山地震部分余震的震源参数及传播路径对地震波的衰减特性,选取30次余震中15个强震台站获取的179组加速度记录,选择其中一次余震作为参考事件,基于广义反演方法计算了芦山余震的位移震源谱及品质因子,采用网格搜索方法确定余震震源参数,进一步确定了震源参数的定标关系.结果表明:芦山地震平均应力降略低于汶川余震平均应力降,震级与应力降没有明显相关性,视应力与应力降正相关;该研究区域0.5~20 Hz频段品质因子为Q(f)=31.867f1.037 5,地震波衰减速度较快.     

基于自振与频谱特性影响的LRB连续梁桥隔震效果研究

为了探讨桥梁自振特性与地震波频谱特性对LRB隔震效果的影响,以典型三跨连续梁桥为工程背景,采用Bouc-Wen恢复力模型模拟LRB非线性滞回特性,采用Takeda三线性模型模拟桥墩非线性特性,编制了运用Newmark时间积分法和四阶显式Runge-Kutta迭代法联合求解增量形式的全桥非线性运动方程的时程分析程序。利用程序并结合算例对LRB隔震连续梁桥在不同地震激励和不同基本周期影响下的隔震效果进行了分析。结果表明,桥梁结构基本周期和地震激励频谱成分对LRB的隔震效果有较大影响;在易发生低频脉冲型地震波的场地上不宜使用LRB作为桥梁的隔震设备。     

不同爆源形式的爆破地震能量分布特征

爆破地震对建筑物的影响实质上是一种能量的传递与转化过程,这种传递与转化的过程受到爆破地震波能量分布特征的影响.利用基于功率谱的爆破地震能量分析方法,借助大量工程实测数据,针对爆源形式对爆破地震能量分布特征的影响进行了分析,分析结果表明:对于4类钻孔爆破诱发的地震,能量随频率分布比较分散,0～10 Hz的低频段能量比例非常少;不同爆源形式的爆破地震能量分布特征存在差别,随着孔径、孔深的增大,爆破地震主振能量频带趋于集中,也更倾向低频方向;地下工程爆破地震小于40 Hz的能量比例非常小.不同爆源形式爆破地震能量分布特征上的这种差别,对于控制爆破中钻爆方式的选取具有很好的指导意义.     

应用SMA复合橡胶支座的大跨度空间结构隔震研究

目的为了减小地震作用下大跨度空间结构的地震响应,笔者对采用了SMA（形状记忆合金）复合橡胶支座隔震体系的大跨度空间结构的隔震效果进行了研究.方法通过SMA材料的拉伸试验验证了SMA材料的本构模型;设计了基于SMA材料的SMA复合橡胶支座,给出了SMA复合橡胶支座的工作原理和恢复力模型;建立了一大跨度空间结构的有限元计算模型,数值分析了计算模型在地震作用下采用SMA复合橡胶支座隔震体系后的隔震效果.结果计算结果表明：采用SMA复合橡胶支座隔震体系后,大跨空间结构的竖向位移可减小70%,控制杆件内力可减小70%以上.结论表明了SMA复合橡胶支座对大跨度空间结构是一种有效的隔震体系.