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。     

远场类谐和地震动下大底盘单塔楼隔震结构振动台试验研究

远场类谐和地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动,需分析与验证其对隔震建筑等长周期结构抗震性能带来的不利影响。讨论远场类谐和地震动峰值比、持时及反应谱特性;设计一个大底盘单塔楼钢框架结构,分别组装为抗震、基础隔震和层间隔震等三种试验模型,以普通地震动与远场类谐和地震动为激励输入,进行单向振动台试验与数值模拟,探讨地震波中的长周期成份与类谐和成份对隔震结构层间位移、楼层加速度、隔震层变形等减震性能的影响,分析塔楼水平向缩进尺寸比例为1∶1. 5,1∶2,1∶2. 5和1∶3等条件下隔震结构的振动特性。结果表明:远场类谐和地震动作用下的抗震、层间隔震与基础隔震模型的楼层动力响应为普通地震动下结构响应的2～3倍,隔震结构的减震性能也明显劣于普通地震动下的减震性能,隔震层在远场类谐和地震动下的最大变形为普通地震动的3～4倍,易导致隔震支座变形过大而产生破坏;不同的塔楼水平向缩进尺寸比例对隔震结构振动特性并无明显影响。     

长周期地震动下软夹层地基的层间隔震结构振动台试验研究

长周期地震动易使隔震结构地震响应强烈,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后隔震结构可能更不利。为探究长周期地震动下软弱夹层地基SSI效应对层间隔震结构的动力响应规律及减震性能的影响,开展刚性、软夹层地基上大底盘单塔楼层间隔震结构的数值模拟和振动台试验。结果表明：考虑SSI效应后结构的自振周期较刚性地基增大,但采用隔震技术后延长的周期倍数降低;软夹层地基对输入地震动具有明显放大和滤波效应,与地震动的峰值和频谱特性相关;SSI效应对层间隔震结构的地震响应以放大作用为主,对下部底盘和隔震层的影响较大;考虑SSI效应后长周期地震动下隔震结构的地震响应较普通地震动更为强烈,减震效果变差,特别是近场脉冲地震动下隔震层位移超限,体系发生失效破坏。     

不同缩进比例的大底盘单塔楼结构隔震性能研究

大底盘单塔楼隔震结构的研究中,尚缺乏缩进比例对隔震性能的影响规律研究。确定了塔楼缩进比例为1∶3的大底盘单塔楼模型,制作安装了基础隔震、层间隔震和抗震这三种结构模型并进行单向振动台试验,通过对比振动台试验和数值模拟结果,验证了数值模拟的准确性,据此建立了塔楼缩进比例分别为1∶1.5、1∶2、1∶2.5和1∶3这四种模型并进行数值分析,结果表明:与抗震结构相比,基础隔震各楼层加速度放大系数随楼层数增加略微增大,顶层放大较为明显,但总体反应接近平动;层间隔震的塔楼加速度反应近乎平动,但底盘的加速度放大系数却比抗震模型大,且随着楼层数的增加而增大;基础隔震各层层间位移减震效果显著,而层间隔震底盘楼层减震效果差,两者底盘响应差异性较大。进一步分析得到,随着缩进比例的增大,三种结构形式的加速度放大系数均有增大的趋势,其中基础隔震与层间隔震模型的增幅较小,而抗震模型的增幅较大。研究结果可为大底盘单塔楼隔震方案的选择和隔震设计提供参考。     

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。     

近断层高架连续梁桥地震易损性与振动台试验研究

与远场地震动相比,近断层地震动长周期成分丰富、存在速度大脉冲效应,对柔性结构桥梁具有更高的震损能力。高架连续梁桥是一种常见的桥梁结构型式,距离断层较近时在地震中可能会发生更为严重的破坏。以一座典型四跨高架连续梁桥为例,对比了远场地震动和含速度脉冲近断层记录输入下的地震易损性规律,并通过缩尺模型振动台试验得到了典型近断层地震动输入下的动力响应。结果表明：与远场或设计地震动相比,含速度脉冲的近断层地震动输入下高架连续梁桥的地震易损性更高,在分析桥梁系统易损性时应综合考虑桥墩和支座的损伤指标,振动台试验结果验证了典型近断层地震动输入下高架连续梁桥动力响应更大。     

远场长周期地震下层间隔震结构的非线性减震分析

远场长周期地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,部分地震动后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动;其可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能带来不利影响,需深入探讨。首先讨论远场长周期地震动的运动特征。然后以8条远场长周期地震与3条普通地震记录作为地震动输入,对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行了非线性地震反应分析。探讨地震波中的长周期成份,尤其类谐和成份对隔震结构减震性能的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案;分析其对隔震层的限位保护效果与对隔震结构的非线性减震效果。结果表明:远场长周期地震作用下层间隔震结构的减震效果相比普通地震作用下的减震效果变差。特别在远场类谐和罕遇地震作用下,层间隔震结构的非线性响应相比抗震结构几乎无减小,甚至显著放大;隔震支座最大位移远超越其允许位移。组合隔震能较有效地控制远场长周期地震、特别是远场类谐和地震作用下隔震结构的非线性反应,尤其可显著减小隔震支座的最大位移,防止隔震支座破坏。     

长周期地震动下大跨空间结构空气弹簧-摩擦摆三维隔震体系振动控制分析

该文将新型空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨单层球面网壳中,探讨了长周期地震动对三维隔震体系振动控制效果的影响规律。该三维隔震支座可有效降低结构在地震动作用下的响应,当地震动峰值加速度(PGA)相同时,普通地震动下的隔震效果最优,近断层脉冲型地震动下隔震效果次之,远场长周期地震动下隔震效果最差。该现象与长周期地震动与和长周期隔震结构之间的类共振效应有关。随着支座刚度的减小,普通地震动和近断层脉冲地震动作用下的隔震效果提高,远场长周期地震动作用下的隔震效果降低。远场长周期地震动低频分量丰富,其反应谱具有典型的双峰特性,导致结构响应在长周期段随结构周期的延长而增大。进行三维隔震设计时,建议传递比TR取值大于0.2,既保证隔震效果,又能控制三维隔震支座竖向位移响应在设计极限位移内。     

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。     

三维远场长周期地震下层间隔震结构减震性能分析

实际地震具有多维特性,只在水平方向考虑往往不够真实全面,而且远场长周期地震不同于普通地震,具有周期长,持时长、低频成分丰富等特征,对周期较大的隔震类等结构会产生不利影响,需深入探讨。选取6条远场长周期地震和3条普通地震作为地震输入,对大底盘层间隔震结构模型,进行罕遇地震下的动力弹塑性分析。针对结构出现的层间位移角与隔震支座位移超限问题,设置三维隔震支座,并与设置传统水平隔震支座结构进行地震响应分析对比。结果表明：三维远场长周期地震下,大底盘层间隔震结构地震响应显著增大,层间隔震结构减震性能变差;三维远场长周期地震下,采用传统水平隔震支座时,结构层间位移角与隔震支座位移出现超限问题;采用三维隔震支座后,可解决超限问题,结构的层间位移角、层间剪力均明显减少,且对竖向地震力也具有良好减震效果。     

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%。     

典型地震动作用下长周期单自由度体系地震反应分析

通过单自由度体系典型地震反应分析探讨长周期结构的类共振及瞬态效应问题。远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是导致长周期结构发生类共振的两类长周期地震动,而目前对此两类地震动特性以及地震反应的对比分析尚不多见。首先,通过卓越频率与能量时间分布系数对比分析,研究了长周期地震动能量时频分布特性,结果表明：两类长周期地震动的能量均集中在较低频段,且远场类谐和地震动的能量集中频段略低于近断层脉冲型地震动;近断层脉冲型地震动与普通地震动的能量在时域内分布较远场类谐和地震动集中。然后,进行了弹性反应谱对比分析,结果表明：在长周期段,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的加速度反应、速度反应、位移反应和输入能量均大于普通地震动,且速度反应、位移反应与输入能量的放大程度明显高于加速度反应;远场类谐和地震动的各反应明显大于近断层脉冲型地震动,且衰减更为缓慢。最后,提出瞬态效应的概念,并进行了实际地震动作用下的瞬态效应分析,结果表明：瞬态效应是地震动高频成分的固有属性,但不足以引起长周期结构的瞬态位移破坏。建议在对长周期结构进行抗震设计时,需要重点考虑两类长周期地震动引起的类共振问题,而不需要考虑瞬态效应。     

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...     

转动地震动对隔震结构动力响应的影响分析

地震动转动分量对隔震结构动力响应影响的认识还存在不足。建立钢筋混凝土框架抗震和隔震结构模型,对地震动平动分量和转动分量单独及耦合作用下的结构动力响应进行分析。结果表明,转动分量与平动分量耦合作用相比于平动分量单独作用,隔震结构y向最大楼层加速度响应的增幅可达100%以上,最大层间位移响应的增幅可达25%,x向最大角柱剪力响应的增幅可达18%,楼层扭转角响应主要由转动分量贡献,结构中下部的增幅可达10倍以上。含有速度脉冲地震动作用的隔震结构动力响应,相比无速度脉冲地震动作用,明显增大。隔震对转动分量作用的结构响应减震效果,比对平动分量作用的差;含有速度脉冲地震动作用的结构响应减震效果,比对无速度脉冲地震动的差。     

长周期地震下风力发电塔架结构地震反应分析

风力发电在全球范围内得到大规模应用,地震活跃地区已建成和在建风电场数量逐渐增多,地震荷载成为风力发电塔设计中的重要因素。该文针对风力发电塔结构周期较长、对富含低频成分的长周期地震动较为敏感的特性,选择远场长周期地震动与近场脉冲型长周期地震动各20条,并选择20条非长周期地震动作为参照。以一座1.5 MW在役风力发电塔为例,建立其OpenSees的纤维截面梁柱单元模型,并通过现场实测数据对该模型进行了验证。在此基础上,分析了塔架结构在长周期地震下的地震响应,并讨论了近断层脉冲地震动的水平速度脉冲和竖向地震作用对塔架结构地震响应的影响。结果表明:相同峰值加速度条件下,远场长周期地震动更不利,塔顶水平位移和塔底内力均最大,峰值加速度0.15 g远场长周期地震作用与峰值加速度0.45 g非长周期地震作用相当。相对于远场长周期地震动,未发现近场长周期的水平速度脉冲对结构响应产生不利影响;其竖向地震荷载带来的竖向惯性力和P-Δ效应在一定程度上增大了塔架结构的轴力和塔底弯矩,但影响并不明显。近场脉冲型长周期地震动不利的主要因素仍然是其较大的峰值加速度。选择两条主频与塔架基频最接近的长周期地震动并调幅,进行风电塔截面塑性分析。结果表明:距塔底约12 m的截面最先发生屈服。当地震动峰值加速度达到0.5 g时,该截面进入塑性;0.6 g时,达到屈服。     

近断层地震动下基础隔震弹簧限位对结构响应影响试验研究

近断层地震动作用下,基础隔震结构隔震层可能会产生大位移,限位装置能起到限制隔震层位移的作用,但与隔震层上部结构发生软碰撞,会对上部结构响应造成影响。对9种弹簧限位基础隔震振动台模型试验数据进行分析,结果表明:9种工况均取得良好限位效果;但碰撞会激发结构的高阶振型,在碰撞时刻隔震层会产生速度的突然增大;限位碰撞可导致上部结构的层间位移和加速度响应增大,但合理设计限位器的刚度和预留距离可减小上部结构响应。     

不同层隔震结构在近断层地震作用下动力响应分析

选用天然橡胶支座(LNR)与铅芯橡胶支座(LRB)作为两栋8层钢筋混凝土结构的隔震装置,对其分别输入172条近断层地震波,计算隔震层设置在基础或以上每一层时隔震结构的动力响应,分析近断层地震动对不同层隔震结构动力响应的影响。分析结果表明：隔震结构输入能量小于非隔震结构输入能量,LRB隔震结构的输入能量小于LNR隔震结构的输入能量;随着隔震层的上移,隔震支座位移减小,顶层最大加速度增大。近断层地震动特征参数与不同层隔震结构动力响应参数均存在相关性,但相关程度不同。隔震结构设计要根据建筑结构动力响应的需求,同时考虑隔震层位置与地震动特征参数的影响。     

城市立交桥的近断层地震动输入模拟

立交桥作为城市交通网络的关键节点,其抗震安全性至关重要。针对立交桥在近断层地震动作用下易损的特点和此类地震动记录较少的事实,在比较简化脉冲和真实地震动记录的基础上,提出采用两步法构造近断层脉冲型地震动输入,研究在此作用下立交桥结构的地震响应特点。研究发现当简化脉冲周期与立交桥各子结构基本周期的比值在1~3结构反应较为剧烈,在1.5左右时,墩底内力达到最大值;当采用各子结构最不利简化脉冲周期对应的真实近断层地震动记录对结构进行输入时,短周期的匝道桥的地震响应与仅采用单个简化速度脉冲模拟输入的结果误差在15%左右;而对于中长周期的匝道桥及主线桥,需要采用两步构造法叠加高频成分,才能较好地还原真实地震动记录的影响。     

近场与远场长周期地震动对高层结构作用机理比较分析

以远场类谐和地震动、近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动三类长周期地震动为研究对象,在分析长周期地震动最大瞬时输入能与SDOF体系最大位移响应相关性的基础上,提出瞬时输入能比的概念,对比分析探讨不同类型长周期地震动作用下结构的破坏模式;基于Hilbert-Huang变换,以某12层RC框架结构为例,分析长周期地震动作用下控制结构弹塑性地震响应的IMF分量,并对不同类型长周期地震动的瞬时能量曲线及累积能量曲线进行对比分析,在此基础上提出有效长周期地震动、有效峰值及能量梯度的概念,分别从频域与时域角度分析长周期地震动对高层结构的作用机理。结果表明:长周期地震动的有效峰值显著大于普通地震动,揭示了长周期地震动作用下高层结构的地震响应大于普通地震动的内在机理;能量梯度对比分析表明不同类型长周期地震动的能量释放特征差异显著,揭示了远场类谐和地震动的脉冲循环作用机理及近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动的脉冲冲击作用机理,其中,前者易使结构发生累积损伤破坏,后者易使结构发生首次超越破坏。     

基于地震动加速度反应谱的三维隔震结构摇摆性能研究

三维隔震结构在地震作用下存在显著的摇摆现象,影响三维隔震技术的隔震效果。而不同类型的地震动作用对三维隔震结构的摇摆特性影响不同。由此提出一种基于地震动竖向与水平向加速度反应谱谱值之比对三维隔震结构摇摆性能进行评估的方法,并利用有限元模拟进行验证。基于1567条不同类型的地震动记录,分析不同震源机制、震中距、场地类型对三维隔震结构摇摆特性的影响规律。结果表明,震源机制、震中距、场地条件对三维隔震结构摇摆的影响显著。当不同地震动作用调幅后结构竖向加速度响应相同时,在典型三维隔震结构隔震周期范围内（水平向2.0～5.0 s,竖向0.3～1.0 s）,逆断层和走滑断层地震动相比正断层地震动所造成的三维隔震结构摇摆角更大;远场地震动相比近场地震动所造成的三维隔震结构摇摆角更大;地震动在软土场地条件下相比其在硬土场地条件下所造成的三维隔震结构摇摆角更大。