新型自适应变刚度隔震装置的力学模型和地震响应分析

基于负刚度系统的力学性能特点,研发了自适应变刚度隔震装置。基于该装置的组成构造和变形机理,提出了其理论力学模型,给出了装置简化的三阶段变刚度模型。对自适应变刚度装置进行的竖向压缩拟静力试验结果表明,理论力学模型与试验力学模型的三阶段刚度基本一致,可有效模拟装置的变刚度力学特性。通过自适应变刚度装置与铅芯橡胶支座组合,给出了变刚度隔震系统的力学模型,对某地图书馆进行的地震响应分析认为,新装置可适应不同水准抗震性能设计要求,降低隔震结构的加速度响应,同时避免隔震层位移过大,有效提升系统的稳定性和隔震效率。     

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。     

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。     

半周负刚度摩擦阻尼装置振动台试验研究

对具有负刚度特征的半周负刚度摩擦阻尼装置进行了振动台试验,以某四层钢结构框架为减震研究对象,分别在钢结构框架的一层和二层布置半周负刚度摩擦阻尼装置,研究了在不同地震动工况下结构的地震响应。结果表明,半周负刚度摩擦阻尼装置可实现结构的位移与加速度响应双重控制,安装在结构变形较大位置会获得更好的振动控制效果。     

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。     

减隔震连续梁桥非经典阻尼问题与地震响应简化分析

针对减隔震连续梁桥地震响应简化分析面临的非经典阻尼问题,以铅芯橡胶支座为例,对比直接积分结果与强迫解耦后的模态时程结果以研究非经典阻尼的影响,并利用线性滞回阻尼特性建立由减隔震装置等效阻尼比计算结构模态阻尼比的方法,在此基础上采用基于反应谱的简化方法计算地震响应,并与非线性时程结果进行比较.分析结果表明:减隔震装置产生的集中阻尼改变结构整体阻尼分布特性,非经典阻尼对结构地震响应的贡献随等效模态阻尼比增加而增大;将减隔震装置等效线性化后,再用反应谱方法按等效线性模型计算结构的地震响应,所得桥墩内力和主梁位移都不一定是可能的最大值,计算结果偏于不安全.     

新型柔性底板联结隔震储罐减震研究EI北大核心CSCD

提出一种新型柔性底板联结隔震储罐结构体系,根据力的平衡原则推导了滚动隔震装置和复合滚动隔震装置恢复力模型,并分析了不同滚动隔震参数的力学性能,提出了新型柔性底板联结隔震储罐的简化力学模型和运动方程,并进行了减震效应研究。结果表明:当滚球半径确定后,随着凹半球半径的增大,其刚度系数逐渐降低,隔震周期逐渐增大,而且刚度系数和周期变化率逐渐降低,建议当设计隔震周期较小时应采用变刚度计算模型;采用滚动隔震装置和复合滚动隔震装置的新型柔性底板联结结构隔震储罐能够有效地降低储罐的地震响应,尤其对基底剪力及倾覆弯矩的控制,但对储液晃动波高控制有限;采用复合滚动隔震装置能大幅降低隔震层的位移,同时也能提高新型柔性底板联结隔震储罐的减震率。     

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。     

极端地震下惯容器-弹簧-阻尼装置对隔震结构减震效果研究

通常在隔震层附加黏滞阻尼系统以增加阻尼从而减少大震下的隔震层位移,但可能带来结构加速度响应的增加,故在减少隔震层位移与加速度响应增加这两者间需要平衡。将惯容器-弹簧-阻尼装置(ISD)应用于隔震结构受极端地震作用时抑制过大的隔震层位移,同时控制加速度响应的增加,ISD装置由惯容器串联弹簧单元和阻尼单元构成,该装置具备放大表观质量和对主系结构进行调谐。基于定点理论推导了无阻尼单自由度体系受简谐荷载作用时的ISD最优参数封闭解,且对全频段最大值的控制效果好于既有文献的优化解。采用一栋6层隔震建筑为例进一步检验ISD的控制效果,分别附加ISD和线性黏滞阻尼器(LVD)在隔震层,ISD的参数由定点理论推导的最优解确定,从而进行极罕遇地震水准下的性能对比分析。算例结果表明,ISD装置性能优于LVD,ISD装置能更有效地改善极罕遇地震下的结构性能状况,在减少隔震层位移的同时也能减轻加速度响应,结构楼层剪力与倾覆弯矩有所降低。     

拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构的动力特性与减振效果分析

对拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构的动力特性与减振效果进行了研究。首先,通过加速度放大系数和位移放大系数对拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构的动力特性进行分析。其次,通过反应谱对地震作用下拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构的减振效果进行分析,并与粘滞阻尼减振结构的减振效果进行比较。研究结果表明：拟负刚度控制能够延长结构的等效周期;当结构周期较长时,拟负刚度与粘滞阻尼混合减振结构对绝对加速度和相对位移的减振效果好于粘滞阻尼减振结构。     

串联隔震系统水平刚度及对结构地震响应影响

针对工程界比较关注的柱串联隔震系统的水平刚度问题,建立了水平刚度计算公式,探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。首先建立了单个叠层橡胶支座的场矩阵;其次根据传递矩阵法建立了柱串联隔震系统的场矩阵,根据所得场矩阵推导出串联隔震系统顶部状态变量与任意截面内力和位移之间的关系,进而推导出串联隔震系统的水平刚度计算公式,避免了繁琐的力学推导过程;最后探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。结果表明水平刚度随着压应力的增大而减少,近断层附近建议采用隔震支座直接固定在基础上的隔震方案。     

曲面隔震结构的动力模型与振动台试验研究

近年来超越最初设计地震的强震频繁发生,普通隔震结构在超设计地震作用下存在隔震层位移过大、支座剪断、甚至会造成隔震建筑与周围挡土墙发生严重碰撞的风险。提出了利用隔震层曲面特征及结构重力效应的曲面隔震新型隔震结构体系,控制隔震结构在强震作用下的隔震层位移响应。针对新提隔震结构体系建立了将隔震支座倾斜布置的简化单质点分析模型,并且对其加速度传递系数和位移传递系数进行了理论分析。设计制作了曲面隔震结构5层钢框架模型,与平面隔震结构模型和非隔震结构模型分别进行了地震模拟振动台试验。试验结果表明,曲面隔震结构加速度响应较普通隔震结构有所放大,显著小于抗震结构,曲面隔震结构的隔震层位移则比普通隔震结构明显减小,试验结果与理论研究结果相符。     

位移相关摩擦阻尼器基础隔震结构地震响应分析

考虑了阻尼器中斜坡面反力对位移相关摩擦阻尼器输出力的贡献,从而完善了阻尼器的力学模型,并以一个典型的5层剪切型结构为例,评估了位移相关摩擦阻尼器对橡胶基础隔震结构抗震性能的影响。数值分析表明,位移相关摩擦阻尼器能减小常规地震作用下隔震层的位移响应,但是会增加隔震结构的底层剪力和顶层加速度;在近断层脉冲型地震波作用下,阻尼器能够显著降低隔震层位移,同时对上部结构的地震响应也有较好的抑制作用。此外,位移相关摩擦阻尼器的弹簧初始位移、弹簧刚度和楔块坡面角度这三个参数对隔震结构抗震性能的影响也进行了分析。     

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。     

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。     

新型钢滚轴及混合隔震结构地震模拟振动台试验研究

针对一种新型钢滚轴隔震支座进行研究,分别设计制作了一组钢滚轴隔震支座和一组摩擦摆隔震支座,并完成了某两层钢框架的固结、纯滚轴隔震、滚轴+MR被动阻尼器混合隔震和摩擦摆隔震模型的振动台试验。研究了各模型在地震加速度峰值为0.10 g、0.20 g的3条地震波作用下的结构响应,试验结果表明:新型钢滚轴隔震支座的隔震效果优于摩擦摆隔震支座,纯滚轴隔震模型和滚轴+MR被动阻尼器的混合隔震模型均可降低结构加速度反应56.1%～80.8%,且合理的优化混合阻尼隔震体系的阻尼值可使隔震效果更佳。同时,采用MR阻尼器的混合隔震模型较纯滚轴隔震模型可降低隔震层位移反应58.7%～87.4%,且随着阻尼值的增大其控制效果更好。因此,将新型钢滚轴隔震支座与阻尼装置配套使用的方法有效可行,在充分发挥滚轴隔震支座隔震效果的同时避免了结构隔震层位移过大的问题。     

三维隔震抗倾覆结构振动台试验

应用一种具有自主知识产权的被动控制装置——碟形弹簧三维隔震抗倾覆支座(3D-BIORD-DS)对一高层钢框架模型结构进行了隔离三向地震动激励的振动台试验。介绍了装置的设计原理和力学性能试验,试验结果表明:装置内置钢丝绳交错与否对装置的水平性能有较大影响;装置具有足够的竖向承载力。进行了模型结构振动台试验,考查了4条地震动作用下的结构反应。对试验结果的分析表明:不管是短周期地震动还是长周期地震动,装置都能够较好地减小结构的三向地震响应;但是结构的倾角反应较大,表明支座的竖向刚度应当进行更加合理的设计,以满足可使用性要求。     

基于负刚度原理的结构减震效果理论分析

在分析普通振动控制系统特点的基础上提出基于负刚度原理减震系统和负刚度阻尼装置的两种实现思路,并详细分析附加负刚度阻尼装置可以显著提高结构的减震效果。首先,利用结构附加刚度比率和附加阻尼比之比作为控制参数,通过理论推导单自由度正、负刚度减震体系的动力放大系数和传导比,讨论控制参数对二者的影响;然后,采用有限单元法分析正、负刚度减震体系结构的地震动力反应,通过结构的自振频率和位移、速度、加速度以及柱底剪力反应的分析,说明负刚度振动控制系统可以减少上部结构绝对加速度。分析表明,负刚度阻尼装置的负刚度可部分抵消原结构的正刚度,降低了结构的自振频率,提高结构阻尼,较大幅度地减少上部结构的动力响应,具有更好的减震性能。     

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。