滑移隔震结构的动力特性及地震反应

提出了既能正确反映摩擦力特性又便于编程的连续型指数摩擦力模型;利用Poincare映射法研究地面谐运动下滑移隔震结构的周期响应,并发现结构将表现为对称性破裂分叉、振幅跳跃、基底爬行等非线性特征;利用高精度的精细时程积分法,计算滑移隔震结构的地震响应,绘制了上部结构动力系数反应谱和基底最大滑移量反应谱;对计算实例的分析发现,地震作用下滑移隔震结构的层间最大剪力和最大绝对加速度反应分布较一般传统结构有很大区别.     

滑移隔震结构的地震反应分析

本文提出了既能正确反映摩擦力特性又便于编程的连续型指数摩擦力模型。基于此模型 ,利用高精度的精细时程积分法 ,计算滑移隔震结构的地震响应 ,绘制了上部结构动力系数反应谱和基底最大滑移量反应谱。通过对计算实例的分析发现 ,地震作用下滑移隔震结构的层间最大剪力和最大绝对加速度反应分布较一般传统结构有很大区别     

基础隔震结构设置摩擦阻尼器的地震反应研究

研究了采用滑移摩擦阻尼器的基础隔震体系在地震作用下动力反应分析的理论模型和数值方法,将计算结果与试验结果及与其它文献方法的结果作了对比分析,探讨了摩擦隔震反应的一些特点和规律,并进一步通过楼面反应谱计算对滑移附加衰减振动的影响进行了分析.该理论模型不论是否产生摩擦滑动,均将摩擦隔震层作为结构体系的一个广义计算质点,并将摩擦力模型化为速度相关型阻尼力,避免了不同摩擦阶段动力方程及其数目的反复转换.研究表明,本文方法及结果正确可靠,精度满足要求;设置摩擦阻尼器(或滑移支座)的隔震体系具有良好的减震效果,隔震层最大位移反应也较小,而残余位移还需通过有关措施来控制.由于摩擦隔震结构的滑移附加衰减振动使加速度反应的峰值增大,引起人们对摩擦隔震性能和效果的某些疑虑,本文计算分析指出,这种附加振动基本不会影响结构的滑动位移及其它减震特性,对楼面设施减震效果的影响也很小.     

并联复合隔震结构的地震响应和滞回特性分析

在建立并联复合隔震结构运动微分方程的基础上,通过数值模拟,计算并研究了不同加速度峰值下,给定摩擦承压比的多自由度并联复合隔震结构的自振周期、最大基底剪力、最大基底剪力系数、最大层间位移、层间速度、层间加速度等地震响应以及隔震层的滞回特性,并与普通抗震结构、夹层橡胶垫隔震结构、摩擦滑移结构进行了全面对比分析和讨论。结果表明:并联复合隔震结构由于充分利用了复合隔震支座的优点,能够显著降低结构的地震响应,并且具有优良的滞回耗能特性。     

采用新型分离式摩擦滑移系统的隔震结构振动台试验研究

提出一种二硫化钼固体润滑剂涂层的新型分离式摩擦滑移隔震装置,为研究该新型隔震系统对结构抗震性能的影响,进行了隔震和非隔震结构的模型振动台对比试验。基于试验结果,从结构的动力特性、位移反应及加速度反应等方面评价结构抗震性能,并对比分析了该新型摩擦滑移隔震系统的隔震效果。研究表明:二硫化钼固体润滑剂涂层具有较高的竖向承载特性和低摩擦特性,新型分离式摩擦滑移隔震系统能够有效降低结构地震响应。相比于非隔震结构,采用新型分离式摩擦滑移系统的隔震结构的楼层加速度、层间位移角均减小,地震作用下,结构能量的耗散主要集中在隔震支座处,该隔震系统具有良好的隔震效果,结构可以满足抗震要求。     

考虑竖向地震作用新型三维隔震结构时程分析

竖向地震作用会引起额外的水平力并增大结构的P-Δ效应。本文将竖向地震作用引入到水平运动微分方程中,采用MATLAB求解非线性微分方程,研究了竖向地震作用对水平地震反应谱的影响,并在此基础上考虑竖向位移对新型三维隔震墩水平刚度的影响,进行了新型三维隔震结构非线性时程分析。研究结果表明:考虑竖向地震作用引起的P-Δ效应后,结构自振周期随时间变化,加速度反应谱值减小而位移反应谱值增大;结构高度越小、结构周期越长,竖向地震作用对反应谱的影响越大;考虑竖向地震作用及竖向位移对弹簧水平刚度的影响后,新型三维隔震结构加速度反应减小、位移反应增大,新型三维隔震结构减震系数可以控制在0.5以下。     

采用摩擦摆支座的钢框架住宅隔震性能研究

基于有限元分析软件SAP2000适合做钢结构分析,利用SAP2000软件建立一个多层钢结构住宅的非隔震模型和采用摩擦摆隔震的隔震模型,并运用线性时程分析法对两种结构在多遇地震下的楼层剪力、层间位移、顶层加速度等地震反应进行动力分析。分析结果表明:摩擦摆隔震支座后多层钢框架住宅结构的水平地震反应明显低于非隔震结构,基础最大剪力减小47.3%。层间剪切力降低了44.7%,顶层加速度降低了33.8%。     

基础隔震高层建筑影响因素的理论分析

对采用基础隔震的高层建筑进行了三维有限元分析计算,研究了不同结构体系、双向地震作用、P-△效应以及加速度反应等对基础隔震高层建筑的影响.通过以上的研究,得出了结论:同一结构体系在相同地震波作用下,隔震结构的层间剪力比非隔震结构的层间剪力减小一个数量等级;不同结构体系在相同地震波作用下,隔震结构的位移随层数的变化趋势不一致;同一结构在不同地震波作用下,建筑物的地震反应相差较大;在建筑物中某些构件需要考虑双向地震波作用效应;隔震建筑物可以不考虑P-△效应;高层隔震建筑物的加速度反应不同于非隔震建筑物的加速度反应.结果表明,基础隔震技术可以应用于高层建筑.     

新型滑移隔震装置减震性能有限元分析

基于二硫化钼材料的低摩擦系数、高磨损寿命和润滑性能可靠等优点,以软钢实体圆锥棒作为限位消能元件,设计制作了一种新型滑移隔震装置。采用MTS电液伺服试验系统测试了滑移隔震支座的摩擦性能,并建立了1个1∶5的5层框架结构的ABAQUS有限元模型,分析了不同摩擦系数和竖向地震激励下结构体系的动力反应。结果表明:设计的新型滑移隔震支座摩擦系数曲线较为平缓,且随着试验次数的增加,摩擦系数逐渐减小,最终稳定在0.04~0.05,二硫化钼材料的摩擦性能稳定、摩擦系数低,可以作为建筑摩擦滑移隔震系统中的滑移材料。随着摩擦系数的增大,结构的加速度反应增大,而相对位移却不断减小,较小的摩擦系数使上部结构偏于安全,但隔震层会产生较大的位移。相比X向单向地震,在竖向地震作用下结构的加速度反应和位移反应都有所增大,但其增大幅度都不超过10%,表明在竖向地震荷载作用下,滑移隔震技术依然有效。     

既有砌体结构摩擦滑移隔震加固工程有限元分析

摩擦滑移隔震技术具有成本经济、设计简洁等优点,广泛应用于各类隔震建筑中。基于摩擦滑移的隔震原理,结合既有砌体结构的特征,设计出新型摩擦滑移装置,并将其应用于既有结构加固设计中。结合工程实例,通过建立3组不同连接方式的多层砌体结构模型,对比基础不同连接形式在罕遇地震下的加速度、基底剪力及位移反应。试验结果表明：摩擦滑移隔震装置的设置能够大大降低结构的地震响应。设置限位型的摩擦滑移连接也能起良好的隔震效果,限位装置的增加能够有效地减小底部滑移量,满足工程使用的要求。根据工程实例,对摩擦滑移隔震的“双基础圈梁”装置的具体构造,以及在加固设计中的平面布置及关键部位的构造等进行说明,为摩擦滑移技术在加固设计中的应用与进一步优化提供思路。     

近断层地震作用下混合阻尼隔震结构的响应分析

本文以实际的地震波El-Centro波为底波,在此基础上叠加三角型脉冲运动模拟近断层地震地面的激励;以人工合成的近断层地震波作为输入,研究其对混合阻尼隔震结构的动力反应特性,绘制了上部结构最大加速度和基底最大滑移量的时程图,并讨论了混合阻尼隔震结构的摩擦系数、粘滞阻尼比及滞回阻尼等参数对隔震结构产生的重要影响.研究表明:在混合阻尼隔震结构中,摩擦系数存在一个较优值,粘滞阻尼比对脉冲能量较大的B、C类波的控制有较显著的效果,但对原始波及A类波控制效果不明显,滞回阻尼对隔震结构Smax和amax均有一定影响,通过分析给出了该参数的合理取值.     

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.     

Seismic response of shear‐core with sliding support to bi‐directional ground excitation

To study the effectiveness of a sliding support for the isolation of structures from damaging ground motion, the model of a shear‐core supported on a sliding foundation and subjected to random ground motion in two orthogonal directions is considered here. A fictitious spring model is adopted to deal with the discontinuous nature of the sliding structural system. The rigid friction force deformation characteristics of the sliding support are modelled as elasto‐plastic with high elastic stiffness. The sliding support is assumed to remain in the elastic state during non‐sliding and is treated as plastic during the sliding state. An incremental numerical scheme for the solution of a multi‐degree‐of‐freedom system is used for solving the time history responses. The responses (the absolute value of the acceleration of the top of the wall, and the bending moment at the base of the wall), are calculated under various important parametric variations. The result presented here are of interest in the area of the vibration isolation of important structural systems. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effectiveness of sliding isolators with variable curvature in near‐fault ground motions

Recent studies have revealed that a sliding isolator with variable curvature (SIVC) can mitigate the resonance phenomenon likely to occur in seismic response of a conventional friction pendulum system (FPS) isolator due to its constant isolation frequency. The present study simulates four SIVC isolators and an FPS to find the optimum range of initial isolation period and coefficient of friction and employ them in comparing the effectiveness of SIVC in different peak ground acceleration (PGA) scales of near‐fault earthquakes. Velocity‐dependent coefficient of friction and modified viscoplasticity model have been used to simulate nonlinear friction force of the isolators. Results indicate identical performance of all SIVC isolators in PGA scales up to 0.4 g. When subjected to PGA scales from 0.4 g to 1.0 g, polynomial friction pendulum isolator (PFPI) and variable curvature friction pendulum system (VCFPS) reduce base displacement greatly, while conical friction pendulum isolator (CFPI) and variable frequency pendulum isolator (VFPI) show amplified responses. However, in mitigating structural acceleration, performance of CFPI and VFPI, unlike PFPI and VCFPS, which perform poorly, is excellent. Thus, in a strong near‐fault earthquake, PFPI and VCFPS or CFPI and VFPI can be chosen based on whether reduction of base displacement or super‐structural acceleration is the main concern of designer, respectively. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

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。     

Performance of variable curvature sliding isolators in base‐isolated benchmark building

The performances of variable curvature sliding isolators like variable frequency pendulum isolator (VFPI) and variable curvature friction pendulum system (VCFPS) installed in the base‐isolated benchmark building subjected to bi‐directionally acting seven strong earthquakes have been studied. The shear type base‐isolated benchmark building is modelled as three‐dimensional linear elastic structure having three degrees‐of‐freedom at each floor level. Time domain dynamic analysis of the building has been carried out with the help of constant average acceleration Newmark‐Beta method and non‐linear isolation forces has been taken care by fourth‐order Runge‐Kutta method. The force‐displacement responses of the VFPI and VCFPS are studied under parametric variations of their key characteristics for the comparative performance evaluation. The time history variations of response characteristics and peak response evaluation criteria are also investigated for overall comparison of their performances. The performance of VFPI and VCFPS are observed both in uniform and hybrid isolation systems. The force‐displacement responses of both VFPI and VCFPS subjected to strong near‐field earthquakes show excessively large isolator displacements at higher initial radii of curvature of sliding surface. The large isolator displacements of VFPI and VCFPS can be restrained efficiently by addition of viscous fluid dampers in comparison to the increase in coefficient of friction of isolators. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.