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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

砌体加层隔震体系下部结构刚度退化后的抗震性能试验研究

研究砌体加层隔震结构体系下部结构出现损伤后的抗震性能,重点关注隔震层上部、下部结构频率比变化对下部结构响应的影响。采用随机振动理论推导加层隔震体系与加层非隔震体系下部结构加速度响应均方值比,给出了下部结构加速度响应均方值比随频率比的变化规律,分析表明对于加层隔震结构,出现损伤前隔震效果明显,但随着下部结构刚度的不断退化,加层隔震体系下部结构的地震响应会超过加层非隔震结构体系。对加层隔震和加层非隔震结构进行了振动台试验研究,对比试验模型损伤前后各楼层加速度反应,分析其损伤前后减震效果的变化,试验结果表明,初始加层隔震模型地震响应明显小于加层非隔震模型,但随着加层隔震结构下部砌体的不断损伤,加层隔震体系的减震效果逐渐降低,下部结构甚至出现了加速度反应被放大的不利现象,试验现象和数据与理论分析结果吻合良好。在加层隔震结构的分析和设计中必须考虑下部结构出现损伤后对结构的不利影响。     

带预应力橡胶支座相邻隔震结构碰撞分析

普通橡胶支座(RB)隔震结构在强震作用下因水平位移过大而容易与相邻结构产生碰撞。应用非线性Hertz-damp碰撞单元,建立了带预应力隔震支座(PRB)的相邻结构碰撞模型,推导了其动力碰撞方程。在此基础上,研究预应力隔震支座对相邻隔震结构碰撞的影响,分析了其碰撞响应的影响因素。研究表明:与普通橡胶隔震支座相比,预应力橡胶隔震支座能有效减小隔震结构的水平位移,从而减小相邻结构的碰撞响应。     

下部减震层间隔震结构振动台试验研究

层间隔震体系是基础隔震体系的发展与延伸,作为一种复杂结构体系,以往的研究仅限于探讨隔震层参数对地震响应及减震效果的影响,本文首次进行了下部结构附加黏滞阻尼器的层间隔震结构振动台试验研究。设计了1个四层的钢框架模型,首先进行了基础固接及1层顶隔震的振动台试验研究,其次,在1层顶隔震的基础上,在下部结构附加了黏滞阻尼器进行下部减震层间隔震结构的振动台试验研究,测定结构的加速度、层间位移及层剪力系数。试验结果表明,下部减震是在层间隔震基础上进一步提高隔震减震效果,降低结构地震响应行之有效的策略。本文还建立了层间隔震结构的有限元模型,将有限元分析结果与试验结果进行了对比。     

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。     

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。     

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。     

基础滑移隔震结构双向地震反应分析

通过对滑移摩擦支座摩擦力双向耦合性能的模拟,采用基础隔震结构动力分析程序DABIS对基础滑移隔震结构进行了单向和双向地震反应对比分析,分析表明在双向地震作用下结构各层的加速度反应较小,隔震层的层间位移较大,而上部结构的层间位移较小,并且在双向地震作用下,支座的最大位移明显大于单向地震作用时的支座最大位移,因而在确定支座最大位移时应考虑双向地震作用的影响。     

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.     

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。     

隔震结构基于阻尼负刚度装置的地震响应研究

基于负刚度原理设计了一种利用预压弹簧和斜向转动提供与位移变形方向一致荷载,实现负刚度效应的阻尼负刚度装置,并对其进行了参数影响分析;对负刚度装置进行力学模型验证试验,试验结果表明理论力学模型与试验力学模型吻合较好;通过双线性与负刚度模型得到附带阻尼负刚度装置隔震系统力学模型;对阻尼负刚度隔震结构进行长短周期地震响应分析,结果表明该装置不仅能够减小长短周期地震作用下上部结构的加速度响应,而且可控制隔震层的位移响应,提升了隔震效率。     

地震作用下高位层间隔震体系参数优化设计

对地震作用下高位层间隔震体系中隔震支座参数的优化设计进行了研究。通过两自由度体系近似模拟多自由度结构层间隔震体系,将地震波简化为白噪声,优化目标为使层间隔震上部与下部结构频域振动能量和最小,推导了隔震支座优化参数的理论表达式,隔震支座的优化刚度系数和阻尼系数与上部和下部结构的质量比密切相关。在数值算例中,通过比较过滤白噪声激励下多自由度体系中的隔震支座参数化研究结果和两自由度体系理论结果,发现二者吻合良好;实际地震波记录激励下多自由度结构体系的响应与两自由度体系的响应规律一致。研究结果表明,多自由度结构高位层间隔震体系的隔震支座优化参数可基于理论表达式得出,可为高位层间隔震体系的初步设计提供参考。     

可液化地基上桩基基础小高宽比隔震结构体系振动特性试验研究

为研究地基液化对小高宽比隔震结构体系振动特性的影响，通过振动台模型试验再现了桩基基础小高宽比隔震结构体系在液化场地上的地震反应过程，分析了地基液化过程中基础及隔震层振动特性和隔震结构地震响应规律。结果表明：地基液化后小高宽比隔震结构的一阶自振频率较刚性地基时大幅增加，阻尼比较刚性地基时也明显增加；液化地基上隔震层对群桩基础水平向加速度反应起明显的放大作用，隔震效能消失，但隔震层对桩基承台转动角加速度反应起显著的减震作用；液化地基上小高宽比隔震结构楼层加速度峰值放大系数的分布规律与非液化地基上隔震结构相比也具有明显差异，呈现出弯曲放大的特点，隔震结构顶层加速度峰值放大系数增大尤为明显；液化地基上小高宽比隔震结构的最大层间位移反应远超刚性地基上隔震结构在强震作用下的最大层间位移反应，可能导致基于刚性地基假定设计的隔震结构在地基液化时不满足抗震设计要求。     

自复位摇晃式支座运用于建筑隔震之可行性研究

运用摇晃（Rocking）及滚动（Rolling）机制研发了一种新型隔震支座,称作自复位摇晃式隔震支座（Self-centering Rocking Bearing,简称SCRB）,根据该支座力与位移关系,建立了以其作为隔震组件之隔震建筑理论运动模型;并以其滚动曲面半径、高宽比（Aspect Ratio）及上部结构自振周期作为研究参数,对SCRB隔震结构受自由振动、简谐力、地震地表加速度扰动进行数值分析。结果显示,经适当设计之SCRB隔震结构不具固定振动周期,不会被特定之扰动频率锁定而引发共振;在受大地震时,能有效降低上部结构之加速度反应,亦能减少层间变位（Drift）,可用于建筑隔震。     

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。     

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。