高层隔震结构支座受拉界限理论及地震响应分析

针对地震作用下高层隔震结构易发生摇摆倾覆问题,提出考虑支座受拉效应的地震作用界限理论,分析了结构高宽比和支座设计面压对界限地震作用的影响规律,给出了高层隔震结构的高宽比限值。通过大高宽比隔震结构振动台试验,对不同峰值地震作用下的试验结果进行分析,得到EL波和Taft波峰值0.6g作用下边角支座进入受拉状态。将振动台试验结果与数值分析结果及界限理论结果对比,发现理论公式及数值分析与试验结果均具有较好的一致性。最后采用数值分析方法研究了结构高宽比、支座设计面压和地震作用峰值对高层隔震结构支座拉应力及隔震层摇摆效应的影响规律。     

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。     

RC 隔震框架缩减自由度子结构耦合混合试验研究

本文提出基于 GPU 并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析,将上部结构简化为非线性 MDOF 剪切模型;结合隔震支座的拟静力试验建立考虑非线性耦合的隔震支座模型,得到该结构的缩减自由度子结构耦合混合试验数值模型,通过橡胶隔震支座的动力试验和子结构交互计算进行不同地震作用下 RC 隔震框架的混合模拟试验研究。试验结果表明：10 层 RC 隔震结构的混合试验中,隔震层变形与数值模拟计算结果吻合较好,利用混合试验方法对结构自由度进行缩减,既能较好地还原上部结构的动力特性,也能得到橡胶隔震支座在地震作用下的真实响应,且保证了较好的分析速度和精度。     

三维隔震结构摇摆动力模型及振动台试验验证EI北大核心CSCD

建立了三维隔震结构的平动‐摇摆耦联动力分析模型,给出了结构动力方程,得到了三维隔震层的摇摆响应理论表达式,并进行了结构水平、竖向、摇摆频率比以及隔震层阻尼比等参数的影响分析,发现摇摆响应随水平、竖向、摇摆频率比的增大存在峰值区间,但总体上均呈减小趋势,且摇摆运动的激励频率由输入地震主频和水平运动频率共同控制。完成了三维隔震模型的振动台试验,对比验证了摇摆响应随竖向频率比的变化规律。最后进行了不同高宽比算例结构的地震响应分析,发现三维隔震结构的摇摆频率易接近摇摆激励主频造成共振,其摇摆响应随高宽比变化存在峰值区间,总体呈增大趋势。     

三水准地震下隔震结构提离摇摆界限谱模型研究及试验验证

准确评价隔震结构的摇摆响应状态是判断地震作用下隔震支座是否稳定以及结构是否安全的重要基础。根据支座的不同受力变形状态,提出隔震结构的摇摆界限状态,即未提离、提离和摇摆状态,并提出了基于刚体摇摆模型的状态判别方法。通过地震时程分析,讨论了高宽比AR、竖向屈重比α_v、水平屈重比α_h、竖向周期T_v、水平周期T_h、系统阻尼比η等参数对隔震结构摇摆响应的影响,得到了隔震结构未提离、提离、摇摆的界限谱以及各参数对界限谱的影响规律,并通过两个振动台试验进行验证。分析结果表明,摇摆响应随α_v,T_h,η的增加而减小,随AR,T_v增加而增大,其中T_v,T_h对摇摆响应的影响最大,控制摇摆响应最关键的措施是增加T_h、减小T_v。     

核电厂隔震结构支座力学性能多因素耦合地震响应研究

针对隔震支座力学性能与水平变形及竖向荷载的耦合特性,对其进行水平、竖向力学性能相关性试验研究,并输入12条剪切波速不同的地震波,对比分析考虑耦合特性与非耦合特性对核电厂隔震结构在地震作用下动力响应的影响。结果表明理论耦合力学模型与试验结果一致;数值结果显示AP1000在地震作用下考虑耦合模型同一工况下的隔震层竖向刚度衰减大于水平刚度衰减;不同地震动因剪切波速的差异对核电隔震结构的响应有较大影响,对于剪切波速较小的软土场地,双向刚度衰减程度最为显著;考虑耦合效应模型上部结构的位移响应显著大于非耦合模型。在超设计基准地震下其位移响应和刚度衰减率都有突变趋势,表明考虑耦合效应模型的支座会进入屈曲破坏阶段,上部结构进入突变倒塌。因此对超设计基准地震下核电隔震结构响应不考虑支座力学性能的耦合将低估结构地震响应。     

非平整曲面隔震结构的双自由度动力模型及地震响应研究

针对强地震作用下隔震结构隔震层变形过大的现象提出了曲面隔震结构体系,该结构隔震层为曲面布置,在地震作用和结构重力作用下上部结构可绕曲率中心进行曲面运动。建立了非平整曲面隔震结构双自由度动力分析模型,通过数值分析进一步研究非平整曲面隔震层的曲率半径对结构地震响应、受力特性的影响规律,确定非平整隔震层的合理曲率半径。采用钢框架模型结构进行了曲面隔震结构的地震模拟振动台试验,试验结果表明,非平整曲面隔震结构相比于普通隔震结构,上部结构加速度平均放大幅度略有增大,曲面隔震支座具有良好的滞回耗能能力,实现了隔震层位移响应和上部结构位移响应的有效控制。     

考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟与试验验证

基础隔震技术由于良好的隔震性能在实际工程中得到广泛应用。现有的隔震结构分析方法主要采用宏观尺度（如弹簧单元）对其地震响应进行分析研究,隔震支座采用弹簧进行模拟时,该文模型只能反映结构的整体响应而未能考虑隔震支座及其他局部关键位置的细节。因此,为了解结构局部关键位置的力学性能（如隔震支座）,该文提出一种考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟方法。首先,建立微观单元（实体单元）与宏观单元（梁单元）之间的多尺度界面连接方程;其次,通过不同尺度单元之间有效组合建立四种不同串联隔震体系模型（弹簧-梁单元模型、弹簧-实体单元模型、多尺度模型和全实体单元模型）,在四种模型梁端施加往复荷载得到其滞回曲线,并与试验结果进行对比分析。分析结果表明,采用多尺度模拟方法不仅能掌握结构局部关键位置（隔震支座）受力特性,还可以提高计算效率,减少计算时间和存储空间,并在计算精度和计算代价之间得到了均衡。在此基础上,结合串联隔震结构振动台试验进一步验证多尺度分析方法的有效性。最后利用多尺度有限元模拟方法的优越性分析某基础隔震结构的动力响应。     

摩擦摆隔震单层柱面网壳地震响应试验研究

为研究摩擦摆支座应用于大跨网壳结构的隔震效果以及地震动空间效应对隔震网壳的影响,设计并完成了多点输入的摩擦摆基础隔震单层柱面网壳缩尺模型振动台试验。选用小幅值正弦波和不同频谱特性的3组实际地震波记录,包括不同烈度、不同维度以及不同视波速激励。对模型隔震前后的动力特性和结构位移、加速度及杆件应变等响应进行对比分析。试验还进行了小型摩擦摆支座力学性能的拟静力测试。研究表明:摩擦摆支座有效地延长了隔震体系的自振周期,网壳屋盖趋于整体平动,所受水平地震作用烈度相当于降低1~2度,隔震效果明显。在行波激励下,结构响应沿地震波传播方向逐渐相对增大,结构有轻微的转动。     

三维地震下层间隔震高层建筑结构地震响应研究

实际地震具有多维特性,只考虑水平地震作用往往不够真实全面。基于此,建立某高层框架-核心筒层间隔震结构模型,在8 度罕遇地震下,输入一维、二维、三维地震,对设置传统水平隔震支座的层间隔震高层建筑结构,进行动力弹塑性时程分析。三维地震激励下,层间隔震高层建筑结构地震响应增大,采用传统水平隔震支座容易出现拉应力超限问题。针对边缘隔震支座出现的拉应力超限问题,设置三维隔震支座结构,并与传统水平隔震支座结构进行分析对比。结果表明：采用三维隔震支座后,解决了拉应力超限问题;结构的层间位移、基底剪力、楼层加速度均明显减少且结构核心筒损伤程度减轻,并且对竖向地震力也具有良好的控制效果,说明三维隔震支座隔减震性能优于传统水平隔震支座。     

近断层水平地震激励下巨-子三维隔震结构振动台模型试验

将三维隔震层从地面标高上移至巨-子结构(巨型框架-子框架结构体系)的各子结构底部,可以解决高层三维隔震结构摇摆反应明显的问题,且整体隔震结构不再受高宽比限值的制约。设计加工了一个3层巨型框架结构模型,底层大空间,上部含有2个次框架。在2个次框架底部与主框架楼板相连部位安装4个三维隔震支座;进行了近断层及远场罕遇水平地震激励下,巨-子抗震结构和巨-子三维隔震结构的地震模拟振动台对比试验和数值分析。结果表明:巨-子三维隔震结构将隔震层上移至次框架底部并未延长结构的基本周期。次框架和主框架的动力响应减震效果显著,近、远场及场地类型对隔震率没有明显影响。由于近断层地震动的脉冲效应及其长周期成分与结构周期更接近,近断层激励下次框架和主框架的动力响应比相同场地的远场地震动大10%~20%,Ⅲ类场地近断层地震激励下的结构响应比Ⅱ类场地大10%~25%。     

高层框架-剪力墙隔震结构地震响应研究

针对高层框架-剪力墙基础隔震结构,考虑框架与剪力墙之间的相互作用,建立了高层框架-剪力墙基础隔震结构的动力分析模型,剪力墙为分布参数体系,框架结构为集中参数体系,通过边界条件把隔震支座及框 架-剪力墙结构中框架部分对剪力墙的影响引入到分布参数体系,推导出高层框架-剪力基础隔震结构的频率方程及振型正交条件,进一步应用Hamilton原理,推导出隔震层隔震装置作用在各振型上的等效阻尼比,从而实现该体系运动方程的解耦,然后通过振型叠加法求解结构的地震响应。通过对一栋10层框架-剪力墙基础隔震结构进行动力特性及地震响应仿真分析,结果显示,建立的动力分析模型能较好的反映结构的动力特性,提出的高层框 架-剪力墙隔震结构动力求解新方法能方便的求解结构的动力响应,与有限元数值积分法基本一致,可以反映地震作用下框架与剪力墙相互作用的经历。     

摩擦曲面隔震结构动力学模型及地震响应分析

针对强震下摩擦滑移隔震系统位移较大且震后存在较大残余变形的现象,提出了一种摩擦曲面隔震结构体系,在地震作用和结构重力作用下上部结构绕隔震层曲率中心做往复滑移运动。建立了摩擦曲面结构的简化单质点双支座力学模型,基于模型的运动方程得到了支座轴力的表达式及其参数相关关系。完成了钢筋混凝土框架剪力墙结构模型的地震模拟振动台试验,试验结果表明摩擦曲面隔震结构相比于平面摩擦滑移结构,上部结构加速度略有增大,但在控制隔震层位移及支座应力方面具有更优的效果。进行了振动台试验的数值模拟,通过试验结果对比验证了正确性,并通过数值模拟分析了曲率半径和隔震层摩擦系数对结构响应的影响。     

核电厂隔震支座的受拉临界理论与结构振动台试验研究

基于隔震结构平移-摇摆耦合模型建立核电厂隔震结构的运动方程,提出支座受拉地震动峰值界限公式,并分析了高宽比和隔震周期对峰值界限影响规律。根据某核电厂结构设计了1∶10的振动台试验缩尺模型,分别进行了核电厂隔震结构在单向、双向和三向地震输入下的振动台试验和数值分析。结果表明:隔震技术能有效降低核电厂上部结构的地震响应,在单向和双向输入下,上部结构具有良好减震效果,水平向各层加速度反应谱峰值较台面输入峰值降低且结构主频向低频移动;在超设计地震输入下,隔震支座存在受拉现象。进一步对核电厂隔震结构振动台模型进行数值分析、试验结果及支座受拉临界输入理论对比,结果显示理论公式、数值分析及试验结果一致。     

强震下隔震连续梁桥地震响应的温度效应研究

基于某三跨隔震连续梁桥,分析了环境温度、隔震支座初始位移及铅芯热效应对其地震响应的影响。首先,分析了隔震支座产生初始位移的机理。在此基础上,选取36条近断层地震动记录,分别采用考虑与不考虑铅芯热效应的隔震支座模型,对该隔震连续梁桥进行了不同环境温度条件下的非线性动力时程分析,得到结构关键部位的动力响应。结果表明:低温环境条件下,环境温度、初始位移、铅芯热共同作用效应会使得隔震连续梁桥结构地震峰值位移明显减小,支座、墩底峰值剪力显著增大,环境温度对隔震梁桥地震峰值响应起主导作用;当环境温度超过常温（20℃）时,由于环境温度引起隔震支座力学性能显著退化,环境温度、隔震支座初始位移、铅芯热效应的共同作用使得结构地震峰值位移显著增大,此时初始位移与铅芯热对隔震支座峰值位移、剪力、墩底剪力影响更为显著。由于部分近场地震动作用下的结构峰值位移显著增大,使得其峰值剪力呈现出增大趋势。     

中间隔震层位置变化对混合被动控制体系控制效果影响的试验研究

提出了一种分段隔震结构与相邻结构连接耗能的新型混合被动控制体系。与单一的减隔震体系相比,这种新体系将隔震与阻尼器耗能结合在一起,对不同频域地震动具有较强的鲁棒性。通过振动台试验输入不同频域的地震动,研究了分段隔震结构中间隔震层位置变化对隔震效果的影响。最后将有限元数值模拟与试验结果进行了对比。研究表明：长周期地震波对隔震结构的位移、加速度的影响相较于其他频域地震动更为显著,会使隔震支座超限的可能性增大;中间隔震层位于结构竖向靠中部位置时结构整体动力响应最小;混合被动控制体系可以有效解决高层减隔震结构目前所存在的位移超限、结构整体倾覆等问题,对不同频域地震波激励下的结构响应均有更为优越的控制效果。     

近断层地震作用下软限位对层间隔震结构动力响应影响分析

结构隔震对远场地震动有较好的减震作用,但遭遇含长周期大脉冲的近断层地震动,隔震支座易产生较大水平位移,导致支座损坏甚至上部结构倾覆失稳,须对隔震支座进行软限位保护。对隔震层软限位的层间隔震结构振动台模型试验进行数值模拟,验证数值模拟精度;进而建立原型结构数值分析模型,进行了285种工况数值模拟计算,对非限位和限位工况下隔震层和主体结构的动力响应进行对比分析,结果表明,隔震层软限位可以限制隔震层变形,但对主体结构地震响应有增大影响;通过对限位设计参数优选,可将主体结构响应控制在不发生损伤或轻微损伤范围内;给出了软限位设计参数对层间隔震结构动力响应的影响规律,提出通过隔震限位结构损伤分析进行限位刚度优选的方法。     

超长复杂基础隔震结构静动力特性温度相关性研究

环境温度变化会引起超长基础隔震结构响应与动力特性发生改变。基于某超长复杂基础隔震结构健康监测系统实测的隔震层温度、隔震支座水平位移及上部结构加速度响应数据,分析了环境温度对隔震支座水平位移及结构动力特性的影响规律。首先,从理论上分析了温度对隔震支座水平位移的影响机理,并对隔震层温度与隔震支座水平位移进行了相关性分析。同时,对环境温度对基础隔震结构动力特性的影响机理进行了理论分析,并结合隔震支座温度相关性试验结果,对结构动力特性与环境温度的相关性分析结果进行了验证。结果表明,环境温度与隔震支座水平位移具有较强相关性;环境温度与隔震结构动力特性的相关性分析结果与隔震支座温度相关性试验所得到的结果具有较好的一致性;最后,通过参数回归分析,给出了超长复杂基础隔震结构隔震支座水平位移、模态频率的温度相关性模型,并给出了温度对超长复杂基础隔震结构模态频率的影响系数曲线,为准确、合理评估隔震结构的性能状态提供依据。     

刚性滑板-复位橡胶免承压支座隔震结构振动台试验

研发了一种新型自复位滑移摩擦隔震支座，该支座竖向支承和水平复位元件相互独立分离，摩擦耗能和自复位功能分别由刚性滑块和弹性橡胶完成。阐述了该支座基本构造及工作原理，提出并检验了该型支座的理论恢复力模型。设计并制作了3层装配式钢框架足尺模型，选用2条天然波及1条人工波，对基础隔震及非隔震结构进行7度(0.15g)多遇、设防及罕遇地震的地震模拟振动台试验。结果表明：新型支座的各组成部分本构关系独立明确、传力路径清晰，便于组装更换；采用该支座的隔震结构在各水准地震作用下的地震反应明显小于非隔震结构，隔震效果随试验地震动峰值加速度的增大而趋于显著；隔震层滞回曲线饱满，可有效吸收耗散地震能量，各支座始终保持较好的竖向稳定性，未出现倾覆提离现象，震后结构隔震层复位良好。     

核电厂隔震结构的振动台试验研究

将基础隔震技术应用于核电厂的设计和建造,不仅可以实现上部结构和内部设备、管道的标准化设计,缩短设计和建造周期,提高核电厂建设的经济性,而且可以提高结构的抗震裕度,有效抵抗超过设防烈度的地震动。为此,该文分别采用传统橡胶隔震支座和厚层橡胶隔震支座,制作传统水平基础隔震模型和三维基础隔震模型,结合油阻尼器控制核电厂结构的地震响应。通过振动台试验和数值模拟,对比了隔震模型和非隔震模型在时域和频域的地震响应。研究表明,在水平方向,两种隔震结构的水平加速度相对于非隔震结构均可以降低约50%;在竖直方向,三维隔震结构的楼层反应谱峰值向低频2Hz~3Hz移动,避开了设备和管道的主频率范围10Hz~20Hz,即可以实现设备和管道的竖向隔震。同时,试验和分析均证明对隔震层附加约为15%的水平阻尼比,可以有效降低结构的地震响应,并使水平楼层反应谱峰值减小约50%。