锥形非固结隔震结构理论与试验研究(I)-支座静力试验

提出了适用于低层及多层建筑结构的锥形非固结隔震结构的新型减震结构体系和锥形非固结隔震支座,为了研究锥形非固结隔震结构的减震机理、减震效果和支座力学性能,对粘弹性材料和锥形隔震支座进行静力试验研究。试验研究结果表明两种粘弹性材料具有相似的耗能能力;支座具有较大的竖向刚度、竖向耗能能力有限;支座水平滞回曲线饱满,曲线呈现出双锥形,在不同参数下等效阻尼比为15%~35%。     

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。     

锥形非固结隔震结构理论与试验研究(II)-支座参数分析

为了研究锥形非固结隔震支座的水平力学性能及滞回特性,设计并加工了坡度角为30°、45°及60°的锥形非固结隔震支座,对9个不同参数的支座进行水平力学性能试验研究,对坡度角、阻尼材料类型、阻尼材料厚度、加载振幅、加载频率、竖向荷载及高应力等与支座的水平力学性能的相关性进行研究,得出若干对非固结隔震结构设计有价值的结论。     

锥形非固结隔震结构理论与振动台试验研究

为了分析锥形非固结隔震结构的减震效果、支座耗能机理及支座受拉性能,对一缩尺1∶4的锥形非固结隔震钢框架结构模型进行了水平和竖向单向地震波输入下的振动台试验研究.分析了不同类型及强度的地震波作用下的结构上部及隔震层地震反应.试验结果表明,结构模型在8度和9度罕遇地震作用下,与其台面输入加速度峰值相比,其隔震层的加速度峰值减小10％～20％,上部结构顶层加速度峰值增加10％～50％,但和普通抗震结构相比具有明显的减震效果.在不同单向地震作用下,锥形非固结支座的滞回曲线饱满匀称;其上下盖板会在地震作用下产生错动位移,同时挤压粘弹性体消耗地震能量,耗能机理明确;地震波特性对支座受拉性能影响明显,但没有出现倾覆倒塌现象.锥形非固结隔震支座具有良好的减震性能,对低层建筑结构的减震具有明显的推广价值.     

不同高宽比基础隔震高层结构振动台试验研究及对比分析

为研究基础隔震高层结构的动力特性及地震响应规律,进行不同高宽比基础隔震高层结构在不同地震水准、不同地震激励下的模拟振动台试验,并与非隔震结构对比。模型采用缩尺7层钢框架结构,隔震支座用6件铅芯叠层橡胶支座,通过移动支座位置实现不同隔震高宽比。结果表明,高宽比为3、5、7基础隔震结构较非隔震结构自振周期从0.267 s分别延长至0.549 s、0.719 s、0.800 s,设防地震作用下结构顶层最大加速度响应从0.61 g减小至0.15 g、0.16 g、0.18 g。隔震后上部结构整体侧移角随高宽比增大而增大,结构整体抗倾覆性能随高宽比增大而减小。用三维实体有限元模型对试验进行数值模拟分析,试验结果与数值结果吻合较好,说明试验具有良好的准确性且可反映基础隔震结构的真实动力特性。     

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。     

高层基础隔震结构高宽比限值分析

研究了橡胶支座高层基础隔震结构高宽比限值。为考虑高阶振型对结构高宽比限值的影响，采用3质点模型推导了高层隔震结构高宽比限值的显式，给出各种建筑类别、设防烈度、场地条件和结构阻尼比的高宽比限值，并按简便、安全的原则对各种工况下的高宽比限值进行了归并，与采用单质点的计算结果对比后发现相差不大，说明高阶振型对高层基础隔震结构高宽比限值的影响不大。本文还进一步讨论了当隔震周期不等于临界周期时高宽比限值的变化情况，发现当隔震周期小于临界周期时高宽比限值的降低并不明显，当隔震周期大于临界周期时高宽比限值的降低比较明显。     

多级性态隔震体系试验研究和结构动力响应分析EI北大核心CSCD

铅芯橡胶支座力学性能受竖向压应力和水平剪应变影响较大,且在极罕遇地震下传统隔震结构易发生位移过大而引发隔震沟碰撞风险。该文提出一种新型高性能多级性态隔震支座,可在单个支座中兼顾竖向高承载特性和稳定的水平滞回特性,所提出支座具有与结构多水准抗震性能相匹配的多级刚度特性。制作多级性态原型支座并进行力学性能试验,得到多级性态支座不同工况下的水平滞回性能,基于试验结果提出了多级性态支座的力学滞回模型。对某高层框架剪力墙结构进行多级性态隔震设计并与原设计铅芯橡胶支座(lead rubber bearing,LRB)隔震方案对比分析,结果表明多级性态隔震系统具有理想的水平隔震效果,且可有效控制支座的竖向拉应力,在极罕遇地震下有效控制隔震层水平位移,实现隔震结构具有多级的抗震性能。     

多级性态隔震体系试验研究和结构动力响应分析

铅芯橡胶支座力学性能受竖向压应力和水平剪应变影响较大,且在极罕遇地震下传统隔震结构易发生位移过大而引发隔震沟碰撞风险。该文提出一种新型高性能多级性态隔震支座,可在单个支座中兼顾竖向高承载特性和稳定的水平滞回特性,所提出支座具有与结构多水准抗震性能相匹配的多级刚度特性。制作多级性态原型支座并进行力学性能试验,得到多级性态支座不同工况下的水平滞回性能,基于试验结果提出了多级性态支座的力学滞回模型。对某高层框架剪力墙结构进行多级性态隔震设计并与原设计铅芯橡胶支座（lead rubber bearing,LRB）隔震方案对比分析,结果表明多级性态隔震系统具有理想的水平隔震效果,且可有效控制支座的竖向拉应力,在极罕遇地震下有效控制隔震层水平位移,实现隔震结构具有多级的抗震性能。     

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。     

不同参数钢筋混凝土核心筒抗震性能研究

为了研究钢筋混凝土核心筒的破坏机理和在不同参数下的抗震性能,该文采用基于性能结构分析软件PERFORM-3D,对钢筋混凝土核心筒在静力水平荷载作用下的受力性能进行了三维非线性数值模拟,通过与模型试验结果的对比,验证了所选弹塑性模型分析钢筋混凝土核心筒抗震性能的有效性和准确性。在此基础上,对混凝土核心筒进行参数分析,系统分析了轴压比、连梁跨高比、连梁纵筋配筋率、试件高宽比等不同参数对钢筋混凝土核心筒抗震性能的影响规律。计算结果表明,混凝土核心筒承载力随着轴压比的增大而提高,但当试验轴压比达到0.4后,承载力出现降低,变形能力随轴压比增大而降低;随着高宽比的增大,核心筒承载力降低,变形能力提高,同时,试件破坏模式也发生变化;增大连梁刚度较大地提高了试件承载力,但也严重降低了试件的延性变形性能。此外,通过核心筒试件的弹塑性损伤分析,得到核心筒试件损伤发展顺序以及各构件屈服情况。     

液化场地桩柱式基础桥梁结构地震反应的敏感性分析

地震反应的有效估计是液化场地桥梁结构设计、加固改造的必要环节,但通过数值模拟手段获得的结果易受模型参数变化的影响。为探究影响液化场地桥梁结构地震反应的控制性参数,该文首先建立了某离心机试验的场地-结构整体有限元模型,通过数值分析与试验结果的对比验证了数值方法的可靠性;然后,建立了上覆粘土层-松砂层-密砂层的典型倾斜液化场地-桩柱式桥梁结构有限元模型,采用龙卷风图和一次二阶矩方法,以场地和结构的主要物理性质为分析参数,进行场地、结构地震反应的敏感性分析。结果表明:场地、结构的地震反应与各分析参数大体上呈线性或低非线性的变化关系;在所研究的参数中,液化松砂层的内摩擦角、土层倾角和地震峰值加速度为控制性参数,而密砂层各参数和钢筋、混凝土强度参数的敏感性均很低。研究结果可对液化场地桥梁结构地震反应的准确估算,振动台、离心机模型试验的工况优化提供科学参考。     

不同肢厚比框支短肢剪力墙斜柱式转换层结构抗震试验研究

为了研究不同肢厚比对框支短肢剪力墙斜柱式转换层结构抗震性能的影响,对3榀框支短肢剪力墙斜柱式转换试件进行了竖向荷载和水平低周反复荷载共同作用下的拟静力试验,分析了试件的破坏过程及特征、承载力、滞回及耗能特征、刚度退化和位移延性。试验结果表明,斜柱式转换层结构的受力特点近似于一个简单的桁架,转换层上部短肢剪力墙肢厚比对转换梁的性能有重要影响,设计合理的框支短肢剪力墙斜柱式转换层结构具有较好的延性,可形成多道抗震防线,从而获得较好的抗震性能。     

考虑双向耦合非线性的LRB隔震桥梁地震反应分析

为了研究铅芯橡胶支座(LRB)隔震桥梁在双向水平地震激励下的非线性地震反应,首先建立了模拟水平正交两向作用力条件下LRB支座非线动力行为的双向耦合弹塑性恢复力模型,这一双向耦合弹塑性模型中的单向力和变形关系的骨架曲线为双线性。在此基础上,提出了一种双向水平地震激励下多跨连续LRB隔震桥梁的非线性地震反应分析模型以及求解方法,并对考虑和忽略LRB支座恢复力的双向耦合作用时隔震桥梁的非线性地震反应进行了算例比较分析。研究表明这种双向耦合作用对隔震桥梁的地震反应有重要影响,如果忽略这些相互作用的影响,支座位移的峰值将被低估,这对隔震桥梁设计是不利的。     

基于纤维模型的拱形断面地铁车站结构弹塑性地震反应时程分析

采用基于粘弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法,并采用钢筋混凝土纤维模型程序THUFIBER模拟地铁车站结构,使用大型通用有限元软件MSC.Marc对北京市一座拱形断面结构型式的单层三跨岛式站台车站进行了水平向弹塑性地震反应时程分析.计算结果表明:结构边跨拱形顶板的中段、柱上端是水平方向加速度与位移反应强烈部位;柱是结构抗震受力最不利部位,且柱上端与下端所受轴力相差不大,但柱上端所受到的弯矩更大,这使得在强地震作用下,柱上端有可能在较大弯矩作用下先于柱下端破坏;拱形断面结构型式可以有效的减小作用在拱形顶板上的弯矩,而代之以承受相对较大的轴力,因此相对于矩形断面结构型式,拱形断面的受力要更合理和更有利.此外,数值分析结果还表明:相对于目前广泛采用的设计基本地震加速度,对地铁车站等地下结构进行抗震分析及设计时采用自由场地面与基岩间的峰值相对位移(PGRD)作为设计地震动参数更为合理和有效.     

基于试验的斜交网格-核心筒结构概率地震易损性分析

利用外部网状斜交框架和内部钢筋混凝土核心筒,斜交网格-核心筒结构形成具有较强抗侧刚度的筒中筒结构形式,被广泛应用于超高层建筑结构。采用模拟地震振动台试验获得不同地震动水准下模型结构的地震动响应结果。在结构抗震可靠度的经验和计算分析方法基础上,分析不同水准下结构发生各级破坏的概率,研究斜交网格-核心筒结构体系的整体抗震性能。最后,由振动台试验结果显示斜交网格结构构件的截面尺寸改变所在楼层的斜柱先于底部楼层的斜柱发生破坏。提出基于模型结构的振动台试验的概率地震易损性分析方法,对不同地震设防水准下原型结构的破坏概率进行研究,获得斜交网格-核心筒原型结构的概率地震易损性水平。     

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。     

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。     

钢筋混凝土矩形空心桥墩抗震性能

针对钢筋混凝土(RC)矩形空心桥墩基于性能抗震设计所需要的性能量化参数和抗震性能问题,该文对高宽比、轴压比、纵向和横向配筋率不同的12个约束良好的RC矩形空心桥墩,开展了恒定轴力作用下的水平循环荷载试验研究,并把试验观测到的桥墩主要损伤状态与工程设计参数联系起来,以满足基于性能抗震设计所需要的量化指标。在此基础上,基于OpenSees软件平台,采用纤维模型对试件体桥墩的滞回性能进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合良好。结果表明:使用累积概率曲线,可以较好地把混凝土开裂和剥落等主要损伤状态与混凝土压应变和纵向钢筋拉应变等工程极限状态联系起来,为基于性能的桥梁抗震设计提供量化指标。试件体桥墩的延性系数在3.71~8.29,等效粘滞阻尼比在0.19~0.31,延性系数和耗能指标均满足结构抗震设计要求。该横向配筋构型的RC矩形空心桥墩,可以作为当前我国公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)矩形空心截面横向配筋构型的一种补充。     

建筑隔震橡胶柔性管道抗震性能试验研究

橡胶柔性管道在隔震建筑中逐渐得到应用，其震后能否正常工作会直接影响建筑的使用功能。该文选取竖向安装的橡胶柔性管道作为研究对象，变形位移需求为400 mm，考虑2种公称内径和4种管道设计长度影响，进行了抗震性能试验，对比分析了该类管道的地震损伤演化模式、变形和承载能力特征。试验结果表明:设计长度较小的管道均无法满足预期变形目标，经历管道绷直以及单侧断裂破坏两个关键状态，震后必须更换；对于设计长度符合规范建议的管道，则可以满足变形需求；回归分析获得了管道公称内径和设计长度与其水平变形能力之间的量化关系；管道设计长度相同时，管道公称内径与其破坏时的水平极限荷载呈正相关关系，但大公称内径和小公称内径管道的极限水平荷载之比小于公称内径比。