高层隔震结构非线性地震响应分析及设计方法研究

高层隔震结构的分析理论和设计方法是目前隔震技术向高层建筑推广的2个关键理论问题。本文以高烈度区宿迁市已经竣工的高层隔震建筑阳光大厦为工程实例,对高层隔震结构的非线性地震响应分析方法进行了研究,包括隔震支座竖向不同拉压刚度的模拟、各种类型的隔震支座水平力学特性的准确模拟,以及不同地震动输入方式和输入角度对隔震支座受拉情况的影响分析等;在此基础上,对隔震层的设计方法进行了分析,提出了隔震层设计的基本原则,进而给出了控制隔震层设计的基本指标,包括隔震支座的长期面压、极值面压、隔震层偏心率等;最后,对高层隔震结构的相关构造要求进行了必要的说明。     

摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究

介绍了摩擦摆隔震支座的基本构成和隔震原理。利用力学平衡原理,对摩擦摆隔震支座进行了理论分析,推导了摩擦摆隔震支座的刚度和等效粘滞阻尼比,构造了摩擦摆隔震支座的滞回模型,并探讨了该支座的自回复能力,得到了其最大残余位移计算公式。采用有限元软件ABAQUS,对摩擦摆隔震支座进行实体单元建模,模拟低周反复荷载作用下,该支座的滞回特性与回复特性。研究结果表明：①理论分析和数值模拟结果吻合较好,验证了提出的滞回模型和最大残余位移计算公式的正确性;②摩擦摆隔震支座的滞回曲线饱满,具有良好的滞回性能;③摩擦摆隔震支座的刚度与球面半径成反比,可能的最大残余位移为摩擦系数和球面半径的乘积;④该支座的最大应力出现在支座处于设计位移的时刻,且一般位于滑块或支座板球铰面边缘。     

考虑温度影响的LRB隔震建筑地震响应分析

为研究温度对铅芯橡胶支座(LRB)性能的影响,进行支座拟静力试验。试验表明,在不同温度环境中试件的滞回曲线明显不同,支座的刚度和屈服剪力均随温度的升高而降低;低温时,支座的力学特性变化较大,而当温度大于20℃时,支座的力学特性趋于稳定。以某五层基础隔震建筑为例,编写基础隔震结构非线性时程分析程序NBIS,计算该隔震建筑在考虑温度影响后的地震响应。结果表明,在多遇地震作用下支座恢复力随温度的升高而降低,与罕遇地震下的变化趋势相反;考虑LRB温度影响后,该基础隔震结构的减震系数随环境温度的降低而增大,支座的最大位移随温度升高而增大。     

摩擦摆隔震支座振动台试验、数值仿真及应用研究

通过模型振动台试验和数值仿真,对适用于高层建筑结构的大吨位摩擦摆隔震支座在不同地震荷载工况下的动力响应和隔震性能进行了深入研究,试验模型的力学及承载性能在不同地震动水准下保持较好,且随着输入激励的增大,支座耗能能力逐渐提高,减隔震效果逐渐增强。隔震支座的数值模拟结果和振动台试验结果吻合良好,取得了较好的模拟效果。在此基础上,选取一复杂高层建筑结构作为研究对象,进行了不同地震波小震和大震激励作用下的动力响应分析,通过对比设置隔震支座与未设置隔震支座的计算结果,总结了高层建筑结构的动力响应规律。结果表明:(1)摩擦摆隔震支座耗能能力随着地震作用的增大而增强;(2)不同类型地震波作用对复杂高层建筑结构的响应明显不同:长周期地震波作用下结构响应明显比普通地震波作用下的结果大,且长周期地震波对结构位移响应的影响较加速度明显;(3)摩擦摆隔震支座对复杂高层建筑结构的地震反应有较为理想的隔震效果,不同地震波作用下结构响应的隔震效果有所不同,且不同响应之间的隔震效果也不相同,位移响应的隔震效果明显大于加速度的隔震效果。     

环形橡胶支座力学性能试验研究与有限元分析

随着环形橡胶支座在文物及大型设备隔震等方面应用需求的增长,对环形橡胶支座的力学性能的准确掌握越来越重要。目前,虽然部分学者已提出环形橡胶支座的水平与竖向刚度的计算公式,但其对不同参数特征的环形橡胶支座的适应性还未经过试验验证,此外,支座水平与竖向刚度的压应力相关性也亟需进一步研究。因此,聚焦环形橡胶支座的水平与竖向力学性能,通过试验对现有计算公式进行评估,并重点研究支座的水平与竖向刚度的压应力相关性;基于试验建立环形橡胶支座的有限元模型,参数化分析不同特征参数的环形橡胶支座在不同压应力及水平剪应变下的水平刚度、竖向刚度及其内部应力分布变化规律,并量化分析不同压应力与剪应变对支座各项力学性能的影响。研究结果表明：环形橡胶支座的水平与竖向刚度均呈现出显著的压应力相关性;第一形状系数与第二形状系数对环形橡胶支座的水平与竖向力学性能均产生影响,第一形状系数对支座的竖向等效刚度与等效应力影响更大,而第二形状系数对支座的水平等效刚度影响更大;在不同加载工况下,环形橡胶支座内钢板层的Mise等效应力均远大于橡胶层。     

叠层橡胶支座的水平极限承载特性

采用数值模拟方法,研究了叠层橡胶支座的水平极限承载能力随支座端部约束状态和竖向面压变化的规律,其结果可供叠橡胶支座型基础隔震结构设计参考。     

低硬度橡胶隔震支座基本力学性能及恢复力特性

本研究对低硬度橡胶隔震支座的材料性能（主要包括力学性能）进行了系统的试验开发及理论研究。研究用低硬度橡胶隔震支座包括天然橡胶隔震支座及铅芯橡胶隔震支座两大类18种规格总计近30个大直径隔震支座。研究内容涉及橡胶隔震支座竖向刚度、水平刚度及阻尼等基本力学性能；压缩界限，屈曲及极限剪切变形等界限性能；温度、压力、剪切变形、老化和徐变等相关性及长期特性；同时还对橡胶材料其他性能进行了系统的试验研究。本文主要介绍低硬度天然橡胶隔震支座及铅芯橡胶隔震支座的基本力学性能，如竖向、水平刚度和恢复力等特性。     

楼面滑动隔震装置设计与试验研究

设计了一种由滑动型和普通型橡胶支座组合而成的楼面隔震装置，通过振动台试验验证，滑移时的摩擦系数约为0．01－0．03，装置的隔震力学行为可以用双线性模型来模拟，只要第二刚度设计得当，这种装置的隔震效果可达50％－80％。     

基于磁悬浮理论的自适应抗拔摩擦摆隔震支座力学性能研究

为解决摩擦摆隔震支座抗拔能力不足的问题并优化其隔震性能,将传统的摩擦摆支座(FPB)和半主动控制思想相结合,提出一种自适应磁悬浮抗拔摩擦摆隔震支座(AMFPB)。基于磁路理论进行理论分析,推导出U型电磁铁的电磁力公式,以及AMFPB刚度、周期和等效阻尼比计算公式;对U型电磁铁进行位移-电磁力试验分析,建立AMFPB有限元模型,并对不同位移幅值、不同电磁铁匝数和输入电流下支座的滞回特性和抗拔性能进行分析。研究结果表明：U型电磁铁的位移-电磁力试验结果与理论结果吻合度较好,计算得到的AMFPB滞回曲线与数值模拟结果基本相同。AMFPB随滑动位移的增加可调节自身的刚度及耗能,有利于支座位移的控制。     

基础隔震结构在竖向荷载作用下的内力分布特点

以一个3跨4排柱建筑为例,对非隔震结构和隔震结构在竖向荷载作用下的内力分布特点进行了对比研究,其中考虑了隔震层顶部梁板结构的荷载、刚度以及结构的梁柱刚度比等因素的影响.研究中发现,与非隔震结构相比,隔震结构一层柱子的柱端弯矩明显增大,隔震层顶部梁的梁端弯矩与其倚载成正比等规律.同时提出了基于非隔震结构的隔震结构在竖向荷载作用下内力的计算方法和“隔震影响系数”的概念.即,隔震结构的内力等于非隔震结构的内力乘以“隔震影响系数”.其中还进一步对“隔震影响系数”的影响因素进行了定量研究,得出了“隔震影响系数”的计算公式.本文所提出的计算方法与隔震结构在水平地震荷载作用下的内力计算方法思路一致,因此,该方法也进一步完善了隔震结构的设计理论.     

竖向荷载对铅芯橡胶支座力学性能的影响

对铅芯橡胶支座进行了有限元分析,研究了竖向荷载对支座力学性能的影响。分析表明:随着竖向荷载的增大,支座的极限位移逐渐减小,支座易发生整体失稳;支座的屈服后刚度和水平等效刚度随竖向荷载的增大而降低,支座的等效阻尼比随竖向荷载的增大而增大;并且在双向压剪作用下,竖向荷载对支座力学性能的影响幅度更大。因而,在实际工程中,应重视竖向荷载对支座力学性能的影响,以保证支座的稳定性。     

减隔震技术在连续梁桥中的应用

介绍了桥梁减隔震技术的基本原理,系统地归纳了目前常用的减隔震装置的隔震机理和力学模型。以外砂河大桥为实际工程背景,进行了采用减隔震技术的桥梁的有限元分析,介绍了下部结构的强度验算方法,研究了高阻尼橡胶支座和粘滞阻尼器对该桥引桥减隔震的效果。隔震装置采用非线性弹簧单元模拟,利用非线性动力时程分析,在该桥采用了高阻尼橡胶支座后研究其地震响应,然后与引入阻尼器后结构的地震响应进行了比较。分析表明:把桥梁结构和隔震装置作为整体结构考虑时,可达到很好的减隔震效果,使内力分配合理,并且减小结构的相对位移。     

隔震曲线梁桥不同等级地震的振动特性模拟分析

曲线桥梁抗震特性模拟分析对于曲线桥梁隔震、减震有着重要意义。基于隔震曲线桥梁设计过程中的特点,通过非线性水平弹簧单元对铅芯橡胶支座双向非线性的能力进行模拟,根据SAP2000科学选择强震观测地震波,并考量曲线桥梁本身存在的特性对桥梁振动特性产生的影响,针对隔震曲线桥梁在不同等级地震下振动特征进行模拟分析,其中,通过隔震曲线桥梁铅芯橡胶支座模型的构建和梁桥不同等级地震计算模型、输入地震波与传感器量测等步骤得到的模拟结果为:不同地震波与加速度峰值输入过程中,地震动较小下的支座水平刚度比较大,且结构相对稳定;地震幅值增大时,桥梁支座水平刚度减小,且支座的恢复力位移滞回变化曲线面积比较大,能够更多地将地震输入能量消散掉,减小能量不断向曲线桥梁上方传递的速度,可有效减轻地震反应,起到隔震的效果。     

既有框架结构隔震改造后体系稳定性与动力响应分析

针对隔震改造后叠层橡胶隔震支座与地下室下支柱组成的串联隔震体系的地震稳定性问题,采用理论推导与数值模拟方法开展系统研究。将叠层橡胶支座简化为一种具有水平刚度和抗弯刚度的特殊铰支座,RC柱简化为弯曲型竖杆,建立橡胶支座和RC柱串联隔震体系的理论模型,推导地下室下支柱的临界承载力方程;通过实际案例求解出该串联隔震体系的临界承载力具体表达式,并对典型参数的影响进行分析;采用数值模拟方法建立下支柱截面尺寸不同的6种柱顶隔震模型,对下支柱柱顶、隔震支座、下支柱与隔震支座串联后整体位移响应以及上部结构层间位移角响应进行对比分析。结果表明：所推导的临界承载力表达式变化规律与柱顶隔震设计模型数值模拟相一致;下支柱截面增大对上部结构和隔震支座的动力响应影响并不明显,但是可以明显减小下支柱的位移;在既有建筑隔震改造实际工程中,增加下支柱的截面尺寸是保证下部结构的抗震能力高于上部结构既简单且行之有效的方法,但实际工程中截面增量普遍较大且偏于保守,造成了一定的浪费。     

SMA-橡胶支座的力学性能试验研究

SMA-橡胶支座是一种由叠层橡胶垫和形状记忆合金（SMA）复合而成的新型隔震支座。阐明了SMA-橡胶支座的设计思路和工作机理,通过SMA-橡胶支座实物模型的伪动力试验,考察了支座的水平和竖向刚度、耗能能力和等效阻尼比,研究了位移幅值、加载频率、竖向荷载等参数对支座力学性能的影响。研究结果表明,SMA-橡胶支座工作性能稳定,耗能能力较强,是一种性能优良的新型隔震装置。     

隔震支座的稳定性分析

隔震技术是近年来发展起来的减震新技术，对地震的适应性广，且效果显著。本文将隔震支座简化成一各向异性的均质柱体，在此基础上对支座进行了稳定性分析，并研究支座稳定性与其形状系数之间的关系，给出了可供设计参考的公式。本文的分析结果与实验结果很吻合。     

摩擦-碟簧三维复合隔震支座的性能试验研究

对适用于大跨结构的摩擦-碟簧三维复合隔震支座进行了振动台试验研究,该支座在水平向和竖向分别采用摩擦滑移装置和碟型弹簧隔震。在水平向,试验重点测试了简谐激励和地震动激励下支座的滞回性能,考察了竖向荷载变化及地震动强度对隔震性能的影响,以期为建立水平隔震理论模型提供依据;在竖向,对碟型弹簧的等效阻尼比和等效刚度进行了测试,研究了竖向预压荷载和动力荷载对竖向滞回性能的影响。结果表明,复合隔震支座在水平向和竖向均具有较好的滞回性能,竖向等效阻尼比在0.10～0.15间,且随着预压荷载的增加而增大。     

低硬度橡胶隔震支座各种相关性及老化徐变特性

作者系统地对低硬度橡胶隔震支座的材料和力学性能进行了试验研究。研究使用的低硬度橡胶隔震支座分18种规格，总计近30个大直径隔震支座。研究内容涉及低硬度橡胶隔震支座的基本力学性能；温度、压力、剪切变形、老化和徐变等相关性；压缩界限，屈曲及极限剪切变形等界限性能以及橡胶材料性能和隔震工程应用等方面。本文主要介绍低硬度橡胶隔震支座的压力、剪切变形、温度对支座刚度、阻尼等力学性能的影响，同时还对隔震支座的老化及徐变特性进行了试验研究，确定低硬度橡胶使用60年后的力学性能变化率。文中同时提出了低硬度橡胶支座的温度修正方程，并提出了隔震结构地震反应分析时支座刚度和屈服荷载变化的取值范围。     

考虑尺寸效应的近海桥梁天然橡胶隔震支座力学性能老化时变规律研究

目前天然橡胶支座（NRB）的性能研究大多未考虑尺寸效应,在前期开展的近海桥梁隔震支座和材料老化时变规律研究的基础上,同时考虑支座直径尺寸变化和老化作用时间的影响对NRB的性能进行研究。首先采用ABAQUS有限元软件对不同直径尺寸NRB的性能进行分析,得到了NRB性能随直径尺寸的变化规律;然后结合前期老化作用对NRB及其橡胶材料性能时变规律的影响研究成果,分析了直径尺寸及老化作用时间共同作用下,NRB性能的变化规律,并通过ABAQUS有限元分析,验证了该变化规律的准确性。结果表明:NRB的水平刚度和竖向刚度均随其直径尺寸的增大呈正比例增大趋势;NRB水平刚度比和竖向刚度比均随老化作用时间的增长呈线性增大趋势;且直径为150mm的NRB在实际环境老化60a后,其水平刚度和竖向刚度的增长幅度分别为:30.8%和16.41%,由此可见老化作用时间对NRB水平刚度的影响较显著,对其竖向刚度的影响较小。研究内容可为隔震桥梁结构中支座缩尺模型试验的相关设计提供参考,并为将实验室缩尺橡胶隔震支座的相关成果较好地应用于实际工程计算及设计中提供依据。     

新型多级隔震装置试验及最优参数分析

基于橡胶支座和滑板支座的水平力学性能,开发了一种新型多级隔震装置并介绍了该装置的组成、运动状态及力学模型。为了验证多级隔震装置在多水准地震作用下具有多级刚度的特性,设计了一幢相似比为1/10的四层混凝土框架结构,并根据结构模型设计了四套多级隔震装置进行了新型多级隔震结构振动台试验。试验与模拟结果表明:新型多级隔震装置隔震性能良好且在不同水准地震作用下能表现出多级抗震性能,相较于普通隔震装置,在大震下能较好的控制隔震层位移。针对不同多级隔震结构给出了多级隔震装置的最优参数的筛选流程,并基于某实际工程通过筛选流程选取了装置的最优参数。