高层隔震结构提离摇摆耦合动力理论模型及地震响应分析

针对地震作用下高层隔震结构摇摆倾覆问题,提出考虑隔震层刚心变动的摇摆提离耦合动力理论模型,给出了地震响应提离摇摆的3个界限(即临界提离受拉界限、摇摆界限和倾覆界限)公式。通过大高宽比隔震结构振动台试验,进行不同峰值加速度地震波作用下试验结果分析,得到在地震动峰值加速度0.4g输入工况中,结构在El Centro波下进入提离受拉状态,在Taft波作用下,结构响应较大,提前进入摇摆状态;而在峰值加速度0.6g输入工况中,两条波作用下结构均进入了摇摆界限,尚未进入倾覆状态,隔震层位移未超出GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》限值,但此时支座的拉伸应变均已超过10%的安全界限,属于危险状态。对比分析摇摆模型与试验得到加速度及滞回曲线,可知理论模型与试验结果具有较好一致性。最后,采用数值分析方法,研究了提离摇摆耦合动力模型对不同高宽比高层隔震结构地震响应的影响,得到不同地震动峰值对不同高宽比结构的3个临界状态的影响规律,即摇摆提离模型的扭转角与结构高宽比和输入地震动峰值加速度有较大关系,其中地震动峰值加速度的变化影响更为显著。     

矩形脉冲激励下高层隔震结构提离摇摆界限谱模型及参数影响分析

判别高层结构所处的摇摆状态是分析地震作用时隔震层是否处于安全状态以及结构是否处于稳定状态的重要基础。根据隔震层橡胶支座的竖向变形计算结果,将高层隔震结构的摇摆状态分为未提离、提离、摇摆、倾覆状态,提出了基于简化刚体模型的提离摇摆状态分类方法。通过分析矩形激励下竖向屈重比、水平屈重比、竖向周期、水平周期、高宽比、激励幅值系数、激励频率比等参数对高层隔震结构摇摆响应的影响,得到了高层隔震结构未提离、提离、摇摆的界限谱以及主要参数对界限谱的影响规律,进一步分析了高层隔震结构倾覆状态与激励幅值、频率比之间的关系。研究结果表明：摇摆响应随竖向屈重比、水平屈重比、激励频率比的增大而减小,其中水平屈重比的影响最大;摇摆响应随激励幅值系数、竖向周期、水平周期及高宽比的增大而增大,摇摆响应较小时高宽比的影响最大,摇摆响应较大时竖向周期的影响最大,控制摇摆响应的最有利措施是增大水平屈重比、减小高宽比和竖向周期;对提离界限影响程度从大到小的顺序为高宽比、水平屈重比、竖向周期、竖向屈重比、水平周期,对摇摆界限影响程度从大到小依次为竖向周期、水平屈重比、高宽比、水平周期、竖向屈重比;结构倾覆与激励幅值系数、激励输入时间呈正相关。     

Dynamic model and parametric analysis of high-rise isolation structure under rectangular pulse excitation

判别高层结构所处的摇摆状态是分析地震作用时隔震层是否处于安全状态以及结构是否处于稳定状态的重要基础。根据隔震层橡胶支座的竖向变形计算结果，将高层隔震结构的摇摆状态分为未提离、提离、摇摆、倾覆状态，提出了基于简化刚体模型的提离摇摆状态分类方法。通过分析矩形激励下竖向屈重比、水平屈重比、竖向周期、水平周期、高宽比、激励幅值系数、激励频率比等参数对高层隔震结构摇摆响应的影响，得到了高层隔震结构未提离、提离、摇摆的界限谱以及主要参数对界限谱的影响规律，进一步分析了高层隔震结构倾覆状态与激励幅值、频率比之间的关系。研究结果表明：摇摆响应随竖向屈重比、水平屈重比、激励频率比的增大而减小，其中水平屈重比的影响最大；摇摆响应随激励幅值系数、竖向周期、水平周期及高宽比的增大而增大，摇摆响应较小时高宽比的影响最大，摇摆响应较大时竖向周期的影响最大，控制摇摆响应的最有利措施是增大水平屈重比、减小高宽比和竖向周期；对提离界限影响程度从大到小的顺序为高宽比、水平屈重比、竖向周期、竖向屈重比、水平周期，对摇摆界限影响程度从大到小依次为竖向周期、水平屈重比、高宽比、水平周期、竖向屈重比；结构倾覆与激励幅值系数、激励输入时间呈正相关。     

新型叠层橡胶隔震支座抗拉机构研究

叠层橡胶隔震支座抗拉性能远小于抗压性能这一客观情况制约了叠层橡胶隔震支座在大高宽比建筑的推广应用。在研究叠层橡胶隔震支座力学性能的基础上,提出一种新型抗拉机构,利用叠层橡胶隔震支座的抗压能力来承受隔震层的拉力。通过对一栋高层隔震结构在罕遇地震中的地震响应分析,研究新型抗拉机构对大高宽比隔震结构的影响。研究表明新型抗拉机构巧妙地把拉力转化成压力,构造简单,易于设计和制造,采用新型抗拉机构,可以提高隔震层的抗拉能力,减少隔震层竖向位移,降低上部结构地震响应。此机构对于隔震技术向大高宽比结构应用和推广有实际应用的意义。     

不规则高层隔震结构地震响应的影响分析

以不规则且高宽比达6.1的三维隔震结构为分析模型,隔震层力学特性水平采用Bouc-Wen模型,竖向采用拉压不等双线性模型。根据PGA/PAV(地震加速度峰值比速度峰值),选取了10条地震波,分析了地震波频谱特性及隔震层偏心对不规则大高宽比隔震结构地震响应的影响。分析结果表明:采取隔震措施后,隔震层和结构顶层加速度均可减小69%,结构顶层扭转角减缓达67%;低频长周期地震波作用下隔震结构的地震响应较高频短周期地震波的大,结构响应大致随着PGA/PGV的增大而减小;当隔震后周期达某一程度后,隔震层偏心对上部结构影响不明显,可以适当放宽对支座布置的要求。本文分析结果对高层隔震结构设计具有一定参考价值。     

三维隔震振动台试验研究

震中大分量水平与竖向地震作用导致大量建筑结构破坏。目前,隔震系统仅能减小水平地震作用,而三维隔震系统可有效控制结构的竖向和水平反应而减轻地震灾害。由于三维隔震系统竖向和水平自振频率低,三维地震作用下,结构摇摆反应难以控制。为解决这一难题,设计了一种新型的三维隔震系统,该系统包括水平隔震层和竖向隔震层,抗摇摆装置安装在竖向隔震层中用于控制结构摇摆反应。为验证该三维隔震系统性能,对二层钢框架结构模型进行了振动台试验研究。振动台试验结果表明,三维隔震技术能有效减小上部结构响应,并大大提高建筑结构的抗震安全性。     

刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究

为防止隔震层在极罕遇地震作用下出现过大变形而导致隔震设施损坏,部分隔震结构安装了钢墩或钢筋混凝土墩等刚性限位装置。为了研究刚性限位对基础隔震结构动力响应的影响,设计三层单跨钢框架基础隔震结构以及钢墩、钢筋混凝土墩、带橡胶垫层钢墩三种刚性限位器,并进行振动台试验。研究不同预留间隙时三种限位器对基础隔震结构的位移、加速度、接触力以及隔震支座竖向荷载等动力响应影响的规律。试验结果表明,刚性限位器能有效减小其隔震层位移,但也会对上部楼层产生较高大的不利响应,同时会增大隔震支座的竖向荷载,甚至使支座产生拉应力。在钢墩前设置橡胶垫层能明显减小上部结构的加速度响应,对上部结构位移响应、隔震支座竖向力及碰撞点处接触力影响不大。     

考虑橡胶支座拉压刚度不同取值对隔震效果的影响研究

目前,国内外在隔震结构分析计算中,隔震支座竖向刚度采用拉、压刚度相等的力学模型。但是大量的研究和试验表明,隔震支座的抗拉刚度只有抗压刚度的1/5~1/10。采用目前隔震支座模型计算时,必然会过大地计算隔震支座的抗拉刚度,并且放大了隔震支座的拉应力,不利于高层隔震结构的发展。为此,本文提出将一个橡胶隔震支座单元和一个间隙单元并联来模拟橡胶支座,能真实反映隔震支座的力学性能。算例分析结果表明,采用新模型的隔震结构支座没有出现拉应力,而其他力学指标相同。该力学模型可以应用到隔震结构的时程分析中,有利于高层、塔型等大高宽比隔震结构的发展。     

地震动速度脉冲对不同高宽比基础隔震结构抗震性能的影响

为研究近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构地震反应的影响,建立了不同高宽比的传统抗震及基础隔震框架结构有限元模型,选取了6条具有向前方向性效应和滑冲效应速度脉冲的实际近断层强震记录作为结构基础输入地震动,对8个模型进行了非线性动力时程分析,对比分析了传统抗震及基础隔震框架结构模型的层间位移角、支座位移和基底剪力等反应。结果表明：在近断层速度脉冲型地震动作用下,随着结构高宽比的增加,基础隔震结构的层间位移角和基底最大剪力逐渐增加,而隔震支座位移有先增大后减小的趋势,且随着地震动峰值速度与峰值加速度比值的增大,隔震支座位移也逐步增大;基础隔震对高宽比小于3的结构具有较好的减震效果,且高宽比越小其减震效果越好,但是当结构高宽比为4时,基础隔震效果较差;近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构底部楼层的不利影响会导致结构出现倒塌破坏。     

带抗拉装置高层隔震结构振动台试验研究

西昌（9度区）某高层基础隔震结构,其上部为框架-核心筒结构,总高度为58.3m（不计入隔震层）,隔震层采用铅芯橡胶隔震支座。为研究该隔震结构的抗震性能及检验带抗拉装置隔震支座的有效性,进行了缩尺比为1/15模型的模拟地震振动台试验。结果表明,隔震层降低了上部结构的加速度反应,隔震层上加速度放大系数小于0.5,可满足抗震设防烈度降低一度的设计目标;隔震结构的位移集中在隔震层,上部结构的层间位移较小,层间位移角满足规范层间位移角限值要求;隔震层力-位移滞回曲线较为饱满,具有良好的耗能能力。罕遇地震作用下,支座出现拉应力,说明隔震结构在高烈度地震作用下存在倾覆的可能性。对角部隔震支座加装抗拉装置后,再次进行振动台试验,结果表明,抗拉装置不会对结构水平向动力特性及支座在正常受压状态下的竖向运动和水平向运动产生显著影响,通过对比证明了其在隔震支座受拉情况下提供的有效抗拉作用。     

Seismic responses of high-rise structure under multiple-component ground motions

In this paper, we studied the responses of high-rise structures under the multiple-component ground motions, such as horizontal; coupled horizontal and rocking; and coupled horizontal, vertical, and rocking ground motion. First, the principle and process of obtaining the rotation component by using wavelet analysis are explained, and the rocking ground motion was obtained by wavelet analysis from translational ground motions. The correctness of this method was verified by shaking table tests. Next, the shaking table tests were performed on the scale model of a high-rise TV tower under the horizontal, multiple ground motions. Under multiple ground motions, the amplitudes of the displacement and the acceleration increased to a certain extent, and the increased range of the acceleration was relatively larger. In addition, the displacement time-history curve with the rocking ground motion showed an asymmetric offset. Subsequently, the dynamic equation of a high-rise structure under the multiple ground motions was established, and the additional second-order effect of the rocking ground motion was also considered. The results of the dynamic equation were well consistent with the shaking table test results, which verified the rationality and the accuracy of the dynamic equation. Besides, the result from the theoretical calculation and test indicated that the additional second-order effect with the rocking ground motion that led to the ground tilting should not be ignored. In the last part, the elastic–plastic properties of the structure under the horizontal and rocking ground motion in the rare earthquake were analyzed. The displacement of the structure with the rocking ground motion increased significantly at the elastic–plastic stage, and the asymmetry deviation degree of the displacement and restoring force–displacement trend of the structure were more significant, which would impact the dynamic stability of the structure and even increase the possibility of structural collapse.     

长周期地震动下软土地基的偏心基础隔震结构振动台试验研究

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈,且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大,而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应,极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响,对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后,周期延长比低于刚性地基结构体系,使减震效果下降;SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应,但在隔震层会出现较大扭转角;与普通地震动相比,远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大,隔震层位移可能超限,总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全,应考虑SSI效应后进行结构设计,且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

Shaking table test of eccentric base-isolated structure on soft soil foundation under long-period ground motion

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈，且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大，而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应，极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响，对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后，周期延长比低于刚性地基结构体系，使减震效果下降；SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应，但在隔震层会出现较大扭转角；与普通地震动相比，远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大，隔震层位移可能超限，总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全，应考虑SSI效应后进行结构设计，且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

考虑SSI效应及支座转动的隔震体系性能研究

土-结构相互作用对结构的地震反应有着重要的影响。隔震支座竖向变形引起的隔震层转动会加剧上部结构的摇摆,进而放大结构的地震响应。提出基于Timoshenko理论的考虑SSI效应及隔震层转动影响的隔震结构通用计算模型,推导并求解结构运动方程,采用虚拟激励法进行随机响应分析,进一步研究隔震层转动刚度、土体参数等对隔震结构地震响应的影响规律。分析表明：SSI效应降低了隔震效果,其对隔震结构楼层转角位移放大的影响与土-结构刚度比有关。隔震层转动刚度变化对隔震结构顶层加速度、基底倾覆力矩等影响较小,但对结构楼层转角位移有较大影响,隔震层转动刚度取值较小时,上部结构楼层转角甚至会出现大于抗震结构的情况。     

隔震层中设置碟形弹簧的竖向隔震研究

基础隔震通常只考虑隔离水平地面运动,而对竖向地面运动的影响注意不够。在橡胶隔震支座上串联碟形弹簧,并给出了隔震层参数的确定方法和相应的力学模型。实例分析表明,新体系对竖向隔震效果显著。