组合隔震技术在高烈度区复杂高层结构中的应用研究

为探讨近断层的复杂高层建筑结构的隔震设计要点,结合某高层医院建筑结构设计实例,研究9度设防强地震输入、体型特别不规则和高预期抗震性能目标条件下采用隔震技术的适应性及对应措施,提出发挥不同隔震器件和减震装置性能特点的组合隔震技术方法。结果表明,组合隔震可减小隔震橡胶支座面压和水平变形,减少塔楼偏置引起的结构扭转效应、竖向高位收进引起的高振型效应,结构构件损伤程度和范围大幅降低,屈服耗能机制更为合理,有效提升了建筑结构的抗震能力。分析比较近场速度脉冲型地震波与考虑1.5近场增大系数的常规地震波作用下复杂高层隔震结构的地震响应差别,结果表明,在速度脉冲型地震波作用下的隔震层位移、上部结构层间位移角及层剪力均大于考虑1.5近场增大系数的常规地震波,采用1.5近场增大系数不能包络近场地震效应,隔震设计时应慎重考虑。     

基于速度脉冲地震动的边坡地震位移统一预测模型

采用基于小波变换的多向地震动速度脉冲特性鉴定方法,从NGA数据库及汶川地震动记录中提取出了196条速度脉冲地震动数据;基于Newmark非耦合滑动模型,考虑土体非线性特征。通过计算速度脉冲地震动作用下不同强度(k_y)及初始自振周期(T_s)边坡模型的地震位移,对比分析了边坡地震位移与速度脉冲地震动参数之间的相关性,并建立了适用于近断层速度脉冲地震动的边坡地震位移统一预测模型。结果表明：既有边坡地震位移预测模型低估了近断层速度脉冲地震动引起的位移值,而用于预测近断层非脉冲地震动引起的边坡地震位移离散较小;近断层速度脉冲地震动引起的边坡地震位移与其速度脉冲特性密切相关,地震位移与速度脉冲地震动参数(峰值速度PGV)相关性最好;采用1.5倍边坡自振周期对应的加速度反应谱(S_a(1.5T_s))和 PGV分别代表速度脉冲地震动的频谱成分及速度脉冲特征,能够综合反映速度脉冲地震动对边坡地震位移的影响;建立了基于边坡参数(k_y, T_s)和脉冲地震动参数(PGV, S_a(1.5T_s))的边坡地震位移预测模型,为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡地震位移概率灾害分析提供了基础。     

基于弹塑性限位装置的基础隔震建筑地震碰撞行为

在近场速度脉冲型地震作用下,基础隔震建筑可能产生过大的支座变形,为了防止结构和隔震沟边缘产生刚性碰撞并对上部结构造成损伤,建议在隔震层高度用弹塑性限位装置来防止结构产生过大位移并实现一定程度的消能减震。提出了一组动力学方程,将建筑结构模型和Bouc-Wen单元串联,可以考虑隔震间隙的非线性动力响应。考虑了速度脉冲周期对结构响应的放大作用,根据弹塑性动力碰撞分析方程,以3组不同高度的钢框架结构基准模型为算例,计算了限位装置的弹性刚度和屈服力等因素对不同结构的弹塑性响应。结果表明：恰当选取用于碰撞限位的弹塑性限位装置的碰撞刚度与屈服力,既能有效限制隔震层的水平位移,上部结构也不会产生过大的反向动力响应,能够充分保护结构;在较易激发类共振效应的速度脉冲型地震动作用下,上部结构最大响应同弹塑性限位装置的弹性刚度与屈服力呈正相关性。     

近断层地震动作用下基础隔震结构的一体化动力优化设计

首先讨论了近断层地震动的脉冲运动特征和特性参数,并以台湾集集地震实际脉冲型近震记录作为地震动输入,以上部结构最大层间位移和构件体积最小化为目标,应用含潜在约束策略的序列二次规划算法,对安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构进行一体化优化设计,同步确定隔震器参数和上部结构构件截面几何尺寸。然后输入ElCentro(1940)、Hachinohe(1968)非脉冲型近断层地震动记录进行隔震结构一体化优化设计。计算结果表明,本文隔震结构优化设计得到的结果是合理的,与其他作者通过参数分析确定的隔震器最优参数具有可比性;对考虑脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构能同时满足脉冲型和普通非脉冲型近震作用的结构设计需求。反之,对非脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构不能满足脉冲型近震作用的设计需求。     

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。     

近断层速度脉冲地震动对边坡滑移的影响分析

 采用基于小波变换的多向地震动速度脉冲特性鉴定方法,从NGA(next generation attenuation)数据库及汶川地震动记录中选取196条速度脉冲地震动;基于Newmark非耦合滑动模型,考虑土体动力非线性,通过对比近断层脉冲及非脉冲地震动引起的不同参数边坡的滑移特征,分析近断层地震动速度脉冲特性及边坡本身参数对滑动位移值的影响;同时对近断层速度脉冲地震动参数与边坡滑移量的相关性做了对比分析。结果表明：(1) 近断层速度脉冲地震动引起的边坡滑动位移值远大于近断层非脉冲地震动,对长周期边坡影响尤为明显;(2) 相比非脉冲地震动,脉冲地震动引起的边坡滑动时间较短,且主要发生在地震动起始阶段的较短时间内(速度脉冲段),滑移的坡体具有更大的滑移速度,携带更高的能量,从而对周边环境产生更强的破坏作用;(3) 近断层速度脉冲地震动引起的边坡滑移特征与其速度脉冲特性(持时短、周期长、速度峰值大)密切相关,且峰值地震动速度PGV与边坡滑移量具有高度相关性。最后,通过比较原始速度脉冲地震动及相应的等效脉冲作用下不同参数边坡的滑动位移值,对提取出的等效脉冲预测原始地震动引起的滑动位移的有效性进行分析,并基于此建立脉冲参数–滑动位移曲面。     

台湾美浓6.7级地震框架结构震害调查与分析

2016年2月6日我国台湾高雄市美浓地区发生MS 6.7级强地震及多次余震,对台湾南部地区造成严重影响。为了研究台湾美浓地震中框架结构的震害原因,在对台南地区震害调查的基础上,首先,根据新化、草岭、善化、台南市、七股等五个台站的地震动数据,从地面峰值速度、脉冲属性和频谱特性等方面,分析了地震动的主要特征|然后,从整体结构、梁柱构件、填充墙、非结构构件和地基土液化等方面,阐述了其震害特征|最后,结合震害调查工作,从近断层脉冲型地震、地基土液化防治、抗震概念设计及隔震减震技术应用等方面,对建筑抗震设计提出了建议。     

拟负刚度磁流变智能隔震系统振动台试验研究

为研究拟负刚度控制算法及磁流变智能隔震系统的有效性和适应性,将自主研发的最大出力为10kN的磁流变液阻尼器(MRFD)安装在隔震层中心,并选取4条有代表性的远近场地震波,峰值加速度由0.1g~0.9g逐步增大,分别对普通隔震结构、输入电流为0A和1A的被动控制结构以及采用基于位移的拟负刚度(DPNS)控制算法的智能控制结构进行振动台试验。通过对结构响应和阻尼器响应的对比分析,研究拟负刚度控制算法的减震效果和磁流变智能控制系统的耗能特性。结果表明：恒定电流为0A的被动控制可同时降低上部结构反应和隔震层位移,但是减震效果有限;恒定电流为1A的被动控制对隔震层位移降低效果明显,但是在多遇地震及远场地震作用下放大了上部结构反应;DPNS控制可同时降低隔震层位移和多遇、设防地震甚至罕遇地震作用下上部结构的反应,且适应于不同的地震动特性;试验中控制系统存在的时滞效应使得DPNS控制力在多遇、设防地震作用下具有较小值,同时罕遇地震作用下具有较强的耗能能力。     

Vibration Control of Structures with Initially Accelerated Passive Tuned Mass Dampers under Near-Fault Earthquake Excitation

Abstract:  This article deals with the applicability of passive tuned mass damper (PTMD) for reducing the dynamic responses of structures under near-fault earthquake excitations. Three types of pulse-like time functions are employed to simulate the near-fault ground motion. The vibration control effectiveness of PTMDs is extensively investigated through the comparisons of response spectrum and response time histories of a structure with and without PTMDs. To suppress structural peak responses, an initial velocity is applied to the PTMD to accelerate its motion. Numerical studies show that the more cycles of a pulse are contained in the ground motion, the more useful a PTMD becomes in reducing the peak structural responses.     

Probabilistic seismic response and uncertainty analysis of continuous bridges under near-fault ground motions

Performance-based seismic design can generate predictable structure damage result with given seismic hazard. However, there are multiple sources of uncertainties in the seismic design process that can affect desired performance predictability. This paper mainly focuses on the effects of near-fault pulse-like ground motions and the uncertainties in bridge modeling on the seismic demands of regular continuous highway bridges. By modeling a regular continuous bridge with OpenSees software, a series of nonlinear dynamic time-history analysis of the bridge at three different site conditions under near-fault pulse-like ground motions are carried out. The relationships between different Intensity Measure (IM) parameters and the Engineering Demand Parameter (EDP) are discussed. After selecting the peak ground acceleration as the most correlated IM parameter and the drift ratio of the bridge column as the EDP parameter, a probabilistic seismic demand model is developed for near-fault earthquake ground motions for 3 different site conditions. On this basis, the uncertainty analysis is conducted with the key sources of uncertainty during the finite element modeling. All the results are quantified by the “swing” base on the specific distribution range of each uncertainty parameter both in near-fault and far-fault cases. All the ground motions are selected from PEER database, while the bridge case study is a typical regular highway bridge designed in accordance with the Chinese Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges. The results show that PGA is a proper IM parameter for setting up a linear probabilistic seismic demand model; damping ratio, pier diameter and concrete strength are the main uncertainty parameters during bridge modeling, which should be considered both in near-fault and far-fault ground motion cases.     

考虑压力影响的高阻尼橡胶隔震支座速度#br# 相关性本构模型及其地震响应研究

隔震支座是基础隔震结构中的重要装置,高阻尼橡胶隔震支座具有隔震效果好,环保无污染等优点,但其力学性能复杂,应力-应变曲线与多种因素相关。本文提出了一种考虑压力影响的高阻尼橡胶隔震支座速度相关性本构模型,研究其对隔震结构地震响应的影响。首先,通过多步松弛试验和不同速度下的循环剪切试验探明加载速度和压力对高阻尼橡胶力学特性的影响。其次,提出一个基于改进超弹性Zener模型的支座本构模型来同时考虑加载速度和竖向压力,并根据高阻尼橡胶的材料试验结果识别模型中的参数,再通过支座试验验证模型的准确性。最后,分析某隔震结构在高阻尼橡胶隔震支座的速度相关性和近断层脉冲型地震动综合作用下的地震响应特点。结果表明：高阻尼橡胶隔震支座的速度相关性在近断层脉冲型地震作用下表现得较明显,会对隔震结构的地震响应产生影响,应在隔震设计中予以关注。     

近断层脉冲地震动作用下泛旗帜型滞回模型的等延性位移谱

自复位结构因兼具耗能与残余变形小的特性而受到广泛关注。为了获得此类结构在近断层脉冲地震动作用下的弹塑性位移反应谱,自编了泛旗帜型滞回模型单自由度体系的弹塑性时程分析程序。输入102条脉冲地震波,且每条波作用下的结构分析均考虑40种计算工况,建立了可考虑标准化周期、刚度比、位移延性系数、耗能系数影响的周期标准化弹塑性等延性位移谱。研究结果表明：周期标准化可显著减小位移谱的离散性,刚度比在［0,0.20］区间变化对位移谱的影响很小;位移谱随标准化周期呈现先增大后减小的趋势且最终趋于常值,位移谱峰值对应的标准化周期约为1;位移谱在短周期区间［0,0.7］与位移延性系数呈正相关,其后呈负相关;增加耗能系数可以减小位移,且其在［0,1］区间的位移控制效果较好。     

近断层脉冲型地震作用下防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构的抗震性能

具有向前方向性效应和滑冲效应的近断层脉冲型地震动对建筑结构的破坏已受到工程界的广泛关注。为了解设置防屈曲支撑（BRB）的混凝土框架在近断层脉冲型地震动激励下的抗震性能,采用基于能量平衡的塑性设计方法完成了3个V形BRB支撑的RC框架结构的抗震设计。分别选取具有向前方向性效应和滑冲效应的脉冲型以及非脉冲型三组共36条近断层地震动,对结构进行罕遇地震作用下的非线性动力分析,研究了结构的最大层间位移角、最大顶点加速度、最大顶点位移和BRB的轴向性能;分析和评估了结构在3条典型地震动激励下的地震响应。结果表明：近断层脉冲型地震动比非脉冲型地震动对结构会产生更大的地震响应,且响应显著集中于速度脉冲时刻;BRB能充分发挥其耗能特性,提高RC框架结构体系的抗震性能。     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

Finite element formulations and theoretical study for variable curvature friction pendulum system

The friction pendulum system (FPS), a type of base isolation technology, has been recognized as a very efficient tool for controlling the seismic response of a structure during an earthquake. However, previous studies have focused mainly on the seismic behavior of base-isolated structures far from active earthquake faults. In recent years, there have been significant studies on the efficiency of the base isolator when subjected to near-fault ground motions. It is suggested from these studies that the long-duration pulse of near-fault ground motions results in significant response of a base-isolated structure. In view of this, an advanced base isolator called the variable curvature friction pendulum system (VCFPS) is proposed in this study. The radius of the curvature of VCFPS is lengthened with an increase of the isolator displacement. Therefore, the fundamental period of the base-isolated structure can be shifted further away from the predominant period of near-fault ground motions. Finite element formulations for VCFPS have also been proposed in this study. The numerical results show that the base shear force and story drift of the superstructure during near-fault ground motion can be controlled within a desirable range with the installation of VCFPS. Therefore, the VCFPS can be adopted for upgrading the seismic resistance of the structures adjacent to an active fault.     

基于中国规范的近断层区抗震设计谱研究

采用211条脉冲型地震动计算得到了保证率分别为50%(平均谱)和84%(平均谱+1倍标准差谱)的近断层地震动反应谱,将得到的反应谱与GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中推荐的近断层区设计谱进行了比较。结果表明,我国抗震规范中针对近断层区给出的设计谱幅值调整方法不能保证近断层区的结构具有足够的安全性,表现为调整后的设计谱值在某些周期段上仍小于实际的近断层地震动反应谱值。根据比较结果,提出了基于我国抗震规范设计谱形式的近断层区抗震设计谱修正方法,通过提高设计谱幅值和限制特征周期最小值来实现修正,将我国抗震规范中的设计谱幅值增大1.5倍、特征周期下限取0.75s(多遇地震)和0.80s(罕遇地震),所提的近断层区抗震设计谱,保证率可达到84%。所提出的抗震设计谱及变形验算的设计建议简单且易于在工程中使用,研究结果可为近断层区的结构抗震设计提供参考。     

碟簧-单摩擦摆三维隔震(振)装置力学性能及隔震(振)效果研究

碟簧-单摩擦摆三维隔震(振)装置(3DFPS)由碟簧竖向隔振单元和单摩擦摆水平隔震单元组成,可以实现环境激励工况下建筑结构的竖向隔振与地震工况下的水平隔震。为了研究3DFPS的力学性能及隔震(振)效果,制作了足尺的3DFPS试件,并对其进行压剪试验。结果表明：3DFPS的竖向性能与水平向性能相互独立,竖向隔振单元与水平隔震单元可独立设计;通过在叠合碟簧间加入0.03mm聚四氟乙烯(PTFE)薄膜可以减小碟簧间摩擦,使小位移下的循环加载刚度更接近大位移下的单调加载刚度。对采用3DFPS和固接到地面的平面框架结构进行有限元弹性时程分析,研究此装置在水平地震与竖向地铁振动激励下的隔震(振)效果。结果表明：三维隔震(振)装置可使水平地震下结构响应减少80%以上,使地铁振动激励下楼面竖向加速度响应减小61%;碟簧竖向压缩变形对结构在水平地震下的响应没有明显的影响。     

长周期地震动下软土地基的偏心基础隔震结构振动台试验研究

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈,且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大,而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应,极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响,对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后,周期延长比低于刚性地基结构体系,使减震效果下降;SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应,但在隔震层会出现较大扭转角;与普通地震动相比,远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大,隔震层位移可能超限,总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全,应考虑SSI效应后进行结构设计,且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

近场与远场地震动作用下单层柱面网壳结构易损性分析

与远场地震动不同,近场速度脉冲型地震动具有瞬时能量大、幅值大、脉冲周期长等特点,但目前少有学者关注其对网壳结构的影响。以三向网格型单层柱面网壳为研究对象,采用40条近场速度脉冲型地震动及40条远场地震动作为输入,对9例网壳结构进行增量动力分析,基于分析结果建立网壳结构的概率地震需求模型及抗震能力模型,获得网壳结构的易损性曲线,并对比研究两组地震动作用下网壳结构的极限状态失效概率。结果表明：与远场地震动相比,近场速度脉冲型地震动会造成单层柱面网壳结构更为严重的损伤,且损伤指数的离散性更大;近场速度脉冲型地震动作用下单层柱面网壳结构的极限状态失效概率要显著大于远场地震动作用下的极限状态失效概率。     

Shaking table test of eccentric base-isolated structure on soft soil foundation under long-period ground motion

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈，且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大，而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应，极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响，对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后，周期延长比低于刚性地基结构体系，使减震效果下降；SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应，但在隔震层会出现较大扭转角；与普通地震动相比，远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大，隔震层位移可能超限，总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全，应考虑SSI效应后进行结构设计，且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。