多维地震动作用下摩擦摆基础隔震结构能量反应分析

摘要：本文对摩擦摆基础隔震结构进行了能量反应分析,研究了多维地震动、地震烈度和支座摩擦系数对结构能量反应的影响,表明水平双向地震动输入时结构总输入能量明显增大,隔震层滞回耗能比增大,上部结构变形耗能比减小;而竖向地震动的参与使结构总输入能量略有增大,隔震层滞回耗能比减小,上部结构变形耗能比增大;随着地震动强度的提高,结构的总输入能量显著增大,隔震层滞回耗能比增大,上部结构变形耗能比减小;随着支座摩擦系数的增大,结构的总输入能量明显增大,隔震层滞回耗能比减小,上部结构的变形耗能比增大。     

地震动频谱特性对隔震结构响应及损伤影响研究

针对地震动复杂频谱特性对隔震结构响应及损伤影响进行研究,用加速度反应谱平均周期Tr表征地震动周期特性,用Bouc-Wen模型及刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层与上部楼层的滞变特性,建立隔震结构的质点系非线性分析模型,考虑隔震支座压剪相关性与拉压性能差异建立隔震体系损伤指数模型,分析不同地震动输入加速度幅值及不同Tr与对隔震结构地震反应、损伤影响规律。分析表明,在地震动高频范围内隔震结构响应随输入加速度峰值增加而增加,但对长周期地震动,输入加速度峰值对隔震结构地震反应影响较小,地震反应呈较大离散性、无规律性;在相同加速度幅值输入下隔震层地震反应、损伤的离散性远大于上部结构,在共振区内虽出现最大地震反应,但也会出现较小地震反应,表明隔震结构瞬时共振为非常复杂的过程。研究可为揭示地震动特性与隔震结构地震反应及损伤的关联性提供分析依据。     

近场地震下隔震结构基底发生碰撞的鲁棒易损性曲线计算

用凸集模型模拟隔震结构参数(如刚度、质量、支座的屈服力和屈服后刚度等)的不确定性,而用随机模型模拟地震动输入的不确定性,提出了计算近场地震作用下在考虑双不确定性因素时隔震结构基底发生碰撞的易损性曲线计算新方法;提出了鲁棒易损性曲线的新概念,计算结果将给隔震支座力学参数的设计以及基底与限位墙之间空隙宽度的选取提供参考;通过计算实例中基底最大位移敏感度分析发现,上部结构的质量和隔震支座的力学参数(如屈服力、屈服后刚度等)对基底最大位移影响较大,而上部结构的刚度对其影响不大;此外,该文的研究内容也为考虑结构参数和输入地震动双不确定性因素的情况下,计算各类结构地震易损性曲线提供了一种新的思路和途径。     

变刚度地基上基础隔震结构动力学特性变化规律试验研究

基于饱和砂性土地基动孔压比变化对地基刚度的影响规律,通过控制输入地震动持时压缩比和强度的方法,提出了变刚度地基上隔震结构振动台模型试验方法,并结合已完成的不同地基上土-桩-隔震结构系列振动台模型试验,分析了地基刚度变化对基础隔震结构动力学特性的影响规律。结果表明,随着结构-土体相对刚度比的增大,变刚度地基上基础隔震结构一阶自振频率降低,但体系阻尼比明显增大,尤其是隔震层的隔震效率发生了明显的降低。变刚度地基上结构-土体相对刚度比显著影响隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应,强震下结构-土体相对刚度比越大,隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应较刚性地基时增大越显著。基于系列振动台模型试验结果,初步给出了基于结构-土体相对刚度比的小高宽比隔震结构模型周期延长率、阻尼比、层间位移角SSI影响率以及隔震层位移SSI影响率的预测公式,该研究结果有助于推动结构隔震技术的更广泛应用。     

翻转动能对基础隔震剪力墙结构高宽比限值的影响分析

针对上部结构整体刚度较大的基础隔震剪力墙结构体系,通过将上部剪力墙结构简化为刚体得到能够考虑结构翻转动能的两自由度基础隔震简化模型,并以此为分析对象,建立体系振动微分方程。采用复模态方法进行解耦变换,分析结构平动及隔震层翻转角位移的频响特性。在此基础上提出了考虑上部结构翻转动能影响动力倾覆分析方法,并推导了高宽比限值的动力法计算公式。通过对比分析动力法及等效静力计算结果,得出以下结论:上部结构翻转动能对基础隔震高层剪力墙结构以支座不受拉为控制条件的高宽比限值的影响不容忽视;所提出的动力倾覆分析法较仅考虑平动动能的等效静力法更为准确,且更偏于安全;等效静力法相对于动力法计算结果的偏差随着地震烈度、隔震结构周期、场地卓越周期的增大而减小,随隔震层水平等效阻尼比的增大而增大;在其他设计条件不变的情况下,减轻上部结构质量、增大隔震支座总竖向刚度,对基础隔震剪力墙结构高宽比限值的提高是有利的;分析基础隔震剪力墙结构高宽比限值时,应当充分考虑场地条件、地震分组、结构周期、阻尼比等因素的影响。     

基于概率密度演化法的隔震结构随机地震响应与可靠度分析EI北大核心CSCD

采用简化的两质点隔震结构模型研究随机地震激励下结构设计参数随机性对结构位移响应与可靠度的影响。隔震层和上部结构分别采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,结合概率密度演化方法和基于极值分布的可靠度理论,求解不同场地条件、阻尼比、周期比与屈重比下隔震层与上部结构的层间位移响应信息与整体可靠度,并对设计参数进行优化。研究结果表明:概率密度演化方法能够有效评估隔震结构的抗震性能;通过对设计参数的适当取值,能使隔震层与上部结构位移响应均最小,从而提高隔震结构整体可靠度。     

基于概率密度演化法的隔震结构随机地震响应与可靠度分析

采用简化的两质点隔震结构模型研究随机地震激励下结构设计参数随机性对结构位移响应与可靠度的影响。隔震层和上部结构分别采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,结合概率密度演化方法和基于极值分布的可靠度理论,求解不同场地条件、阻尼比、周期比与屈重比下隔震层与上部结构的层间位移响应信息与整体可靠度,并对设计参数进行优化。研究结果表明:概率密度演化方法能够有效评估隔震结构的抗震性能;通过对设计参数的适当取值,能使隔震层与上部结构位移响应均最小,从而提高隔震结构整体可靠度。     

不同层隔震结构在近断层地震作用下动力响应分析

选用天然橡胶支座(LNR)与铅芯橡胶支座(LRB)作为两栋8层钢筋混凝土结构的隔震装置,对其分别输入172条近断层地震波,计算隔震层设置在基础或以上每一层时隔震结构的动力响应,分析近断层地震动对不同层隔震结构动力响应的影响。分析结果表明：隔震结构输入能量小于非隔震结构输入能量,LRB隔震结构的输入能量小于LNR隔震结构的输入能量;随着隔震层的上移,隔震支座位移减小,顶层最大加速度增大。近断层地震动特征参数与不同层隔震结构动力响应参数均存在相关性,但相关程度不同。隔震结构设计要根据建筑结构动力响应的需求,同时考虑隔震层位置与地震动特征参数的影响。     

基础隔震结构的运动方程与阻尼矩阵在动力响应分析中的适用性研究

结构阻尼模型和运动方程是影响结构抗震动力分析精度的关键因素。由于基础隔震结构地震响应具有显著的特殊性,因此普通非隔震结构地震响应算法未必适用。基于这一认识,重点研究基础隔震结构动力分析方法中采用的各种模型,考虑基于不同地震动输入的结构阻尼模型和运动方程。研究发现,采用现有常规方法构造隔震结构阻尼模型时,上部结构会随着隔震支座发生刚体位移时产生阻尼力,这将可能导致计算精度的显著降低。针对这一问题,提出了确定基础隔震结构阻尼矩阵的一般方法,给出了基于上部结构阻尼矩阵和隔震层阻尼常数的通用表达式。采用隔震结构剪切型模型,给出了结构矩阵的解析表达式,并以此为基础进行了算例验证。研究结果表明,目前常用的隔震结构阻尼模型可能会高估结构的阻尼作用,从而低估结构响应;采用位移输入模型会高估隔震层相对位移、低估上部结构响应,当隔震层等效阻尼比达到0.3时,相对偏差可达到34.6%和-31.1%,而采用位移-速度输入模型可得到与加速度输入模型一致的分析结果,故应采用位移-速度输入模型代替传统的位移输入模型。     

长周期地震动作用下高层隔震结构减震性能试验研究

近、远场长周期地震动中的长周期和近场脉冲特性的存在,可能导致长周期的高层隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的高层隔震结构减震性能带来的不利影响,首先分析近、远场长周期地震动的反应谱特性;接着设计制作一个具有典型工程意义的大底盘单塔楼缩尺模型,进行有限元分析与振动台试验,探讨长周期地震动对楼层加速度、层间位移和隔震层位移等减震性能的影响;最后针对可能出现的隔震层位移超限问题,提出在隔震层增设黏滞阻尼器组成的复合减隔震体系,分析验证其减震和限位保护效果。结果表明:远场长周期地震动下隔震结构的响应明显大于普通周期地震动;近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差,隔震层位移明显大于位移容许值;复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移,降低了大底盘的加速度和层间位移响应,同时对上部塔楼也具有较好的减震效果。     

常延性系数弹塑性位移谱及其应用

采用根据我国现行《建筑抗震设计规范》生成的人工地震波,对单自由度体系进行弹塑性时程分析,讨论了滞回模型、屈服后刚度等对弹塑性位移反应谱的影响。在此基础上,建立了8度设防、Ⅱ类和Ⅲ类场地、设计地震分组为第一组、位移延性系数μ为1~8的单自由度体系最大弹塑性位移与周期的关系,即常延性系数弹塑性位移谱。通过算例,介绍了常延性系数弹塑性位移谱在房屋结构基于位移抗震设计中的应用。     

考虑P-△效应的桥梁结构震后概率残余位移分析

残余位移是评价桥梁结构震后可修复性和可用性的重要指标,而P-△;效应对桥梁结构的残余位移影响显著。综合考虑P-△;效应和地震动随机特性的影响,通过大量的非弹性动力时程分析,定量地分析桥梁结构震后残余位移的概率统计特征和经验预测方程。首先根据动力平衡原理,建立考虑P-△;效应的桥梁结构非弹性地震动力响应分析的运动控制微分方程,然后结合所筛选的69条强震记录,利用概率统计方法定量地分析P-△;效应、屈服后刚度比、规一化屈服强度和自振周期等因素对震后残余位移的概率统计特征的影响,进而对残余位移与峰值位移之间的相关性进行讨论,并建立残余位移与峰值位移之间的经验预测方程。分析结果表明：P-△;效应、屈服后刚度比和规一化屈服强度对残余位移的均值影响较大,而对残余位移的变异性影响相对较小;桥梁结构的震后残余位移可以描述为对数正态分布或威布尔分布随机变量;残余位移与峰值位移之间具有较强的相关性,且二者比值的均值（变异系数）随着自振周期和稳定系数的增大而增大（减小）。     

变曲率摩擦复摆隔震支座的简化分析与数值仿真

回顾了变曲率摩擦单摆隔震支座(VCFP)和球面摩擦复摆隔震支座(DCFP)的发展历程,结合二者的优势提出新型变曲率摩擦复摆隔震支座(DVCFP),从力学平衡原理出发对两类函数曲面构成的DVCFP 进行简化分析,推导出DVCFP的刚度,探讨了其回复特性,得到了支座残余位移的计算公式。采用ABAQUS软件对变频式摩擦复摆和锥形摩擦复摆两类DVCFP 进行实体单元建模,模拟低周反复荷载作用下的滞回特性,从等效粘滞阻尼比和耗能系数角度出发,对球面摩擦单摆(FPB)、DCFP、VCFP 和DVCFP 的滞回耗能能力进行对比分析,探讨了DVCFP的回复特性。研究结果表明:1) 简化分析和数值仿真结果吻合较好;2) DVCFP的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能,与初始刚度相同的DCFP以及相同尺寸的VCFP和FPB 相比,其等效粘滞阻尼比和耗能系数更大,具有更强的耗能能力;3) DVCFP 相对于相同尺寸的VCFP 和FPB,它具有更大的位移容量,对隔震效果的发挥更具保障作用;而与DCFP和FPB比较而言,经合理的设计可使得其刚度和自振频率随着位移的增大逐渐减小,可较好的避免隔震结构低频共振现象的发生;4) 与DCFP、FPB 和VCFP 相比,DVCFP 刚度更小,传递给上部结构的剪力更小;5) DVCFP 的残余位移由上下滑动曲面的摩擦系数和曲面函数各参数共同决定,须通过参数化设计将其控制在工程可接受的范围内。     

变曲率滚动隔震动力学分析及在球形储罐中的应用

根据力平衡原则推导了椭圆轨道滚动隔震装置恢复力力学模型,并分析了其不同椭圆函数参数及滚动摩擦系数时的力学性能。得出滚球半径及椭圆轨道短轴尺寸一定时,随着长轴的增加,刚度系数逐渐减小,且刚度函数及周期函数的变化率逐渐变小,地震作用时可调节范围也逐渐变小。建议椭圆长轴值的选取综合考虑上部结构自振频率及有可能产生的最大水平位移优化设计。采用速度势刚性理论推导球形储罐考虑储液晃动的变曲率滚动隔震简化力学模型,并进行了地震动响应研究。结果表明:考虑滚动基础隔震后能够有效地减小球形储罐地震动响应,尤其对基底剪力及倾覆弯矩有较好的减震控制作用。同时对储液的晃动响应也能起到一定的抑制作用。球形轨道滚动隔震与椭圆形轨道滚动隔震各工况均值减震率相差较小,且变曲率滚动隔震能在一定程度上限制隔震层位移。     

基础摩擦滑移隔震结构起滑加速度研究EI北大核心CSCD

起滑条件是影响滑移隔震结构动力响应特性的重要参数,也是滑移隔震结构性能化设计研究的理论基础。采用两自由度模型模拟滑移隔震结构,基于动力时程分析方法,分析了隔震结构参数(包括自振周期、质量比和摩擦系数)和地震动参数(包括反应谱特征周期和近断层地震动脉冲)对隔震结构起滑加速度的影响。结果表明:结构参数比地震动参数对起滑加速度的影响更明显。隔震结构的起滑加速度-自振周期曲线分为下降、水平、上升和先上升后水平4段。所选地震动集激励下,当自振周期小于1.4 s时,相同自振周期结构的起滑加速度随质量比的增大而减小;大于7.8 s时,起滑加速度随质量比的增大而增大。起滑加速度随摩擦系数的增加而等比例增大。基于分析结果,采用分段拟合方法建立了起滑加速度计算公式,公式计算结果和多自由度结构算例的时程分析结果吻合良好。研究成果可为滑移隔震结构的起滑条件研究和结构设计提供参考。     

板式橡胶支座梁桥的典型横向震害及其影响因素分析

针对板式橡胶支座梁桥在汶川地震中大面积失效的现象,基于震害调查资料对这类桥梁的典型横向震害特征进行了总结,然后基于试验成果和理论分析模型,采用增量动力分析研究了典型桥例的地震损伤过程,并与震害特征进行对比验证,采用参数分析揭示了桥梁横向震害特征的关键影响因素及其规律。研究表明:板式橡胶支座梁桥的典型横向震害是位移失控,其结构性损伤很轻;支座的柔性和滑移对墩柱抗震有利,但当地震动较大时,挡块脆断会造成梁体严重移位、支座脱空;挡块的强度、变形能力、间隙和支座的摩擦因数都是横向震害的影响因素;强度和变形能力越大,挡块限位效果越好,但强度增大会造成墩柱延性系数成倍增长,而变形增大对墩柱的影响明显更小;间隙是保证支座隔震和挡块限位的重要方面,不宜过大也不宜过小,该研究中桥例取5 cm时可达最优效果;摩擦因数对支座隔震效果的影响很大,摩擦因数越大,墩柱的延性系数也越高;改善挡块变形可达到与提高强度相同的限位效果,且对支座隔震的阻碍更小。因此,对传统挡块进行改进宜从提高其变形的角度出发,工程应用中可综合优化挡块的强度和变形来实现预期抗震目标。     

摩擦摆基础滑移隔震框架结构理论研究

为研究摩擦摆基础滑移隔震框架结构的隔震情况,以摩擦摆系统的理论为基础,选取多层钢筋混凝土框架结构为研究对象,采用有限元软件SAP 2000进行模型建立、工况定义、模型分析和数据提取。比较基础固定结构和基础滑移隔震结构在地震作用下的反应特性,如自振周期、楼层最大加速度反应、层间位移、层间剪力,分析其减震效果。研究结果表明: 合理设置隔震层的参数,公式计算结果与程序分析结果吻合较好,摩擦摆隔震系统具有明显的减震效果,大大降低地震作用下的结构的峰值反应包括自振周期、加速度反应、层间位移和层间剪力,某些减震率甚至超过90 %.