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。     

考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究

为了寻求一种既能减震又能降低成本的储罐结构,提出一种隔震储罐结构体系,根据力的平衡原则推导了滚动隔震装置恢复力模型,得出了复合滚动隔震装置的恢复力模型。基于三质点模型和场地土模型,提出了考虑土-储罐-液体相互作用（STLI）的隔震储罐的简化力学模型和运动方程,并研究了考虑STLI效应和不考虑STLI效应时抗震储罐和隔震储罐在不同场地的地震响应。结果表明：隔震储罐能够有效地降低其基底剪力及倾覆弯矩,但对晃动波高的控制有限,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,隔震储罐在设计时可以降低烈度。考虑STLI效应后,抗震储罐的基底剪力和倾覆弯矩明显降低,且从Ⅰ类场地到Ⅳ类场地差异率逐渐增大,软土场地降低最为显著。隔震储罐地震响应受STLI效应的影响较小,可以有效地隔断上部结构与场地土之间的耦联,弱化STLI效应对上部结构的影响。     

地铁上盖层间隔震建筑设计研究

层间隔震技术是提升地铁上盖结构抗震性能的有效措施。为识别影响该类结构关键设计指标的控制因素,从而指导该类结构的精细设计,依托一大底盘-双塔楼地铁上盖层间隔震工程案例,考虑了3种塔楼方案和4种隔震层方案,设计了12个分析案例。基于精细模型分析了塔楼、隔震层和大底盘相对刚度比和隔震层屈重比对9个关键设计指标的影响规律,包括塔楼和大底盘的中震减震系数、大震最大层间位移角和楼面绝对加速度,以及隔震层的大震位移、极大面压和极小面压,识别了影响各设计指标的关键影响因素。结果表明：对于塔楼,减震系数和楼面最大绝对加速度的控制因素是隔震层刚度和屈重比,减小两者可以取得更好的控制效果,增大塔楼刚度也会存在一定的控制效果,但相对有限;增大塔楼刚度和减小隔震层刚度及屈重比可以一定程度控制塔楼最大层间位移角,当两者达到一定程度后控制效果均趋于稳定。对于大底盘,塔楼和隔震层对其设计指标影响相对较小。对于隔震层,隔震层刚度及屈重比是大震隔震层位移的主要控制因素,其减小会显著增大该位移;塔楼刚度是极大面压的控制性因素,刚度的增大会带来重力的增大,从而带来极大面压的增大;增大塔楼刚度和减小隔震层刚度均可显著控制支座中...     

负刚度摩擦阻尼装置的开发及应用研究

消能减震技术通常需要在多个楼层布置减震装置才能有效降低结构的地震响应,占用了较多的结构空间。针对此种问题提出在底部楼层布置负刚度阻尼装置的减震方案,形成力学上的隔震层,用减震实现类似隔震的效果,以减少阻尼器的布置数量。为实现该减震方案,研发了一种基于氮气弹簧的负刚度摩擦阻尼装置,该装置具有行程大,力学性能稳定等优点。性能试验验证了负刚度摩擦阻尼装置可以实现具有负刚度特征的滞回模型,对负刚度摩擦阻尼装置布置于底部楼层的减震方案进行了模拟分析,结果表明仅在底层布置负刚度阻尼装置可以获得理想的减震效果。     

考虑摆动效应的立式储罐隔震分析简化力学模型

对于基础隔震大型立式储罐的地震响应分析问题,考虑土壤与结构的相互作用和储罐的摆动效应,从流体速度势理论出发,结合储罐储液与罐壁的边界条件,建立液体运动势函数和相应的基底剪力、倾覆力矩及波高的理论表达式;并依据剪力和弯矩等效的原理,建立了具有摆动效应的基础隔震储罐的力学简化模型,利用能量原理建立了考虑摆动效应的立式储罐隔震体系的运动方程。同时,以15万m~3大型储罐为例,进行了减震效应数值计算分析,并与无摆动效应的隔震体系的简化力学模型进行了比较分析。结果表明:大型储罐采用基底隔震装置,可以有效地降低储罐的基底剪力,对液体晃动波高的控制效果较差,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,储罐上部结构可以降低烈度进行设计。     

具有负刚度特征的半周摩擦阻尼装置的开发及应用研究

在消能减震措施中,为达到满意的减震效果,需在建筑结构的多个楼层布置耗能装置,占用了较多的建筑空间,为此提出仅需在底部楼层布置耗能装置的负刚度阻尼消能减震技术方案。为实现该方案,研发了一种力学性能稳定、构造简单,行程大,具有负刚度特征的半周摩擦阻尼装置。通过性能试验验证了该装置能够实现预期的滞回模型,进行了单自由度体系和框架结构的减震模拟分析,结果表明,采用半周摩擦阻尼装置进行减震可以增大结构阻尼、延长结构周期、对结构地震响应起到理想的控制效果。     

含减振子结构的巨型框架结构减震分析

为了改善巨型框架结构体系的抗震性能,提出一种新型的结构体系-含减振子结构巨型框架结构。设计了一典型钢筋混凝土巨型框架结构,将一子框架转变为减振子结构形成含减振子结构的巨型框架结构,采用有限元软件针对该普通巨型框架结构及其减振结构建立了有限元模型并进行了地震弹性反应对比分析,研究了减振子结构和整体结构频率比以及隔震支座阻尼对减震效果的影响。研究结果表明:减振子结构具有显著的减震效果,对频率比有较好的鲁棒性;随着隔震支座阻尼系数增大减震效果逐渐增大,当其大于0.4后,减震效果增加不明显。这为进一步研究该结构体系的奠定了基础,也为该结构的实际工程应用提供了参考。     

叠层橡胶支座与抗风支座组合隔震反应分析

为研究隔震层增设抗风支座对处于风压较大地区的隔震结构减震效果的影响,以某实际隔震工程为背景, 设定结构水平向减震系数分别小于0.53和0.40的目标,建立有(无)设置抗风支座的两种隔震结构模型,采用时程分析法对比结构在地震作用下的响应。结果表明,相较于抗震结构,两种隔震结构地震响应都有显著的降低;无抗风支座隔震方案增加了LRB数量,满足抗风设计要求,但降低了减震效果;而有抗风支座隔震方案,减少了LRB的数量,提高了减震效果。在正常使用条件和小震作用下,抗风支座参与工作,隔震层不屈服;当结构遭遇中震作用时,抗风支座能屈服并破坏,退出工作,不影响上部结构的减震效果。     

基于结构设计的LRB基础隔震结构水平向减震系数研究

现行的建筑抗震设计规范(GB50011-2010)中隔震结构的上部结构地震作用计算采用水平向减震系数的方法,不同的水平向减震系数对应着隔震后上部结构水平地震作用所对应的烈度分档。由于水平向减震系数与基础隔震系统的力学性能参数密相关,但对于两者之间的变化规律所开展的研究较少。该文以目前国内外最为普遍的LRB基础隔震结构为研究对象,通过等效线性化和振型分解反应谱方法,建立起了LRB隔震系统力学性能参数和上部结构地震作用的水平向减震系数之间的数学关系式以及计算方法,提供给工程设计人员用于基础隔震结构的初步设计过程之中。通过参数研究发现:上部结构自振周期小于0.6s,可以实现隔震后上部结构的水平地震作用比非隔震时降低一度半,上部结构自振周期介于0.6s~1.0s之间,可以实现降低一度,上部结构自振周期大于1.0s,最多可以实现降低半度。     

考虑增设变刚度抗风支座的隔震结构减震分析

基本风压较大地区的隔震结构,隔震层抗风是设计难题。提出隔震层设置变刚度钢板抗风支座来减少铅芯支座数量并提高减震效果的方案。以实际工程为背景,设定结构水平向减震系数小于0.53,0.40和0.27的目标,以此建立三种对比的结构模型并进行时程分析。结果表明:采用隔震橡胶支座和变刚度抗风支座两者相结合的隔震层布置形式合理,达到降低结构地震响应、提高隔震效果和满足抗风设计的目标,但两者数量需要优化设计,进一步提出为保证结构正常使用,铅芯支座水平承载力设计值宜接近风荷载作用下隔震层水平剪力标准值。对抗风支座进行数值模拟和静载荷抗剪试验,结合结构模型时程分析,阐明了抗风支座变刚度的工作机理,表明了抗风支座在正常使用和小震作用条件下提供水平承载力,中震作用条件下屈服破坏退出工作,结构减震效果不变。     

摩擦摆支座隔震连续梁桥地震能量反应研究

以某三跨混凝土连续梁桥为例,建立了该桥的空间有限元分析模型,在3条人工地震波作用下,采用非线性时程分析方法计算了应用摩擦摆支座(FPS)隔震前、后结构的纵向地震能量反应,对比了3种隔震体系的耗能效果,并研究了FPS等效滑动半径和摩擦因数对能量反应及分配的影响。分析研究结果表明,采用FPS隔震后结构体系绝大部分地震能量由支座耗散,可有效降低结构的能量耗散需求,保护结构安全,其中全桥隔震方案效果最好。增大等效滑动半径和摩擦因数均有利于提高FPS支座耗能减震效果,结构能量耗散需求随之减小,但当等效滑动半径和摩擦因数较大时,继续增大设计参数对耗能减震效果的改善作用趋于不变。     

近断层脉冲型地震动作用下高层建筑组合隔震的减震性能研究

近断层地震动中的长周期、短持时、高能量的加速度脉冲将对长周期高层隔震结构的减震性能产生不利影响,尤其易使LRB(lead-rubber bearing)支座产生超限变形,导致在大的面压与位移共同作用下发生剪压破坏;此外,考虑土-结构相互作用(SSI效应)后隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。提出滑板支座、复位装置相结合的新型组合隔震系统,利用滑板支座承担大的竖向荷载、复位装置因不承担竖向荷载而获得更大的变形能力且起隔震层自复位作用。考察近断层脉冲型地震动作用下长周期高层隔震结构的地震响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR(sway-rocking)模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:近断层罕遇地震下LRB隔震系统因变形超限而失效;新型组合隔震系统能保证近断层脉冲型地震下隔震的有效性,且具有较为良好的减震性能,但相比普通地震动减震效果变差;对于Ⅲ,Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震体系的刚度弱化,致使层间位移角增大,且随着土质的变软增大的幅度也越明显。     

柔性桩隔震消能体系的振动控制研究

提出了柔性桩隔震消能主动控制体系,建立了体系的动力分析模型,推导了其振动和控制方程。以一典型的柔性桩隔震消能结构为例,分析研究了其隔震性能及控制效果以及各主要参数对控制效果的影响。研究结果表明:柔性桩隔震消能体系能有效减小结构的地震力响应;对柔性桩消能隔震体系施加主动控制,可以有效降低桩顶与套管壁之间碰撞的可能性,同时,结构上部竖向荷载、上部结构刚度及桩长等对结构的控制效果有显著的影响。     

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。     

核电厂高静低动三维隔震系统的地震响应研究

为实现核电厂隔震结构在静载阶段隔震层具有小位移的同时，动载阶段具有较好减震效果的目的，提出一种由水平隔震单元和高静低动隔震系统（由斜置橡胶支座和负刚度装置组成）组成的核电厂高静低动三维隔震系统。基于静载和动载阶段的斜置橡胶支座、负刚度装置的变形特征提出了核电厂高静低动三维隔震系统竖向理论模型，分别对斜置橡胶支座、负刚度装置以及高静低动隔震系统进行静力加载试验，结果表明斜置橡胶支座具有较好的承载力和较大刚度，负刚度装置呈现明显负刚度特性，高静低动隔震系统在动载阶段滞回曲线饱满，具有较小动刚度特征。理论模型与试验结果的对比表明所提出的高静低动隔震系统理论模型能较好反映该装置系统力学特性。进一步对核电厂高静低动三维隔震结构进行地震响应分析，结果表明该结构在静载下的变形为102.02 mm，从地震作用下核电厂上部结构和内部设备的三向加速度变化来看，该隔震结构具有良好的减震作用，减震率达到40%以上，提高了核电厂在三向地震作用下的安全性。     

上下盘断层参数对RC框架结构地震响应研究(Ⅱ:隔震)

为研究上下盘断层参数对隔震钢筋混凝土框架结构地震动响应的影响,对四种不同高度的框架结构进行了隔震设计,从隔震层抗风性能、偏心率、支座压应力三个方面验证了隔震设计的合理性,在160条上下盘地震作用下以验证的隔震结构模型为基础,进一步研究了震级、土体剪切波速、断层倾角、上界埋置深度等断层参数对其动力响应的影响规律。结果表明:隔震框架结构在上盘地震动作用下的控制效果优于下盘地震动,结构水平向减震系数和隔震层位移随下盘场地距离的变化基本保持不变,随上盘场地距离呈现"下凹型"变化趋势,以上盘20~30 km场地范围内结构的隔震效果最优;隔震结构的控制效果随震级、结构高度的增大而降低,随土体剪切波速的增大而增大,随断层倾角和上界埋置深度的增大在下盘保持不变、在上盘逐渐减小。     

SMA-负刚度双曲面隔震装置的减震性能研究

虽然SMA减隔震支座可以提高桥梁的自复位能力,但与普通减隔震支座相比,会增大下部结构的内力响应。为解决这一问题,拟提出一种新型SMA负刚度双曲面隔震装置。该装置由SMA索提供恢复力,由两个曲面反向的摩擦摆支座提供负刚度,由滑块和上、下钢板间的摩擦提供耗能能力。理论推导及有限元分析结果表明,该减震装置既可为桥梁提供自复位能力,又可在减小桥梁位移响应的前提下,部分减小SMA隔震桥梁结构体系的内力响应。     

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。     

自复位摇晃式支座运用于建筑隔震之可行性研究

运用摇晃（Rocking）及滚动（Rolling）机制研发了一种新型隔震支座,称作自复位摇晃式隔震支座（Self-centering Rocking Bearing,简称SCRB）,根据该支座力与位移关系,建立了以其作为隔震组件之隔震建筑理论运动模型;并以其滚动曲面半径、高宽比（Aspect Ratio）及上部结构自振周期作为研究参数,对SCRB隔震结构受自由振动、简谐力、地震地表加速度扰动进行数值分析。结果显示,经适当设计之SCRB隔震结构不具固定振动周期,不会被特定之扰动频率锁定而引发共振;在受大地震时,能有效降低上部结构之加速度反应,亦能减少层间变位（Drift）,可用于建筑隔震。     

地铁上盖结构隔震效果研究

为了深入研究地铁上盖结构隔震效果,建立了大底盘-多塔楼双自由简化模型,考察质量比和周期比对结构动力特性以及对塔楼和底盘地震作用的影响规律。采用ETABS软件建立了地铁上盖精细模型,研究塔楼高度、塔楼数量、隔震层刚度及粘滞阻尼器等对结构动力特性、塔楼和底盘减震效果的影响。双自由度简化模型分析结果表明,在隔震塔楼与大底盘常见的周期比范围内,塔楼的剪重比与塔楼质量关系不大,大底盘的剪重比随着塔楼质量增大略有减小。大底盘-多塔楼隔震结构精细模型分析结果表明,地震惯性力沿塔楼高度分布均匀,建筑高度对地震作用影响很小,大底盘的地震作用随塔楼高度增大总体上略有增大。随着塔楼数量增加,塔楼的减震效果略有下降,大底盘的地震作用小于非隔震结构。隔震层刚度增大时,塔楼地震作用增大,大底盘地震作用减小。隔震设置粘滞阻尼器后,地震力沿塔楼高度的分布规律发生明显改变,塔楼底部的地震作用减小,顶部的地震作用显著放大;设置粘滞阻尼器可以有效降低大底盘的地震作用。