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考虑支座相关性的基础隔震结构地震响应研究

胡紫东  
【摘要】:基础隔震技术因其良好的减震效果、经济性、耐久性和适用性,得到了国内外学术界和工程界的普遍认可。据统计,我国基础隔震结构的建筑面积已超过了200万平方米。基础隔震技术的应用和发展与隔震系统力学性能的研究及基础隔震结构地震响应分析理论的研究进程息息相关。然而在目前的设计中,通常没有考虑橡胶铅芯支座相关性的影响,从而忽略许多影响结构实际地震响应的客观因素。在橡胶铅芯支座的众多相关性中,温度相关性和竖向力相关性对支座力学性能的影响最为明显。为进一步完善基础隔震技术的理论研究,本文以支座拟静力实验及基础隔震结构非线性地震响应分析为基础,对橡胶铅芯支座的温度相关性和竖向力相关性及考虑支座的相关性影响的基础隔震结构地震响应展开了以下几个方面的研究工作: (1)系统的研究了橡胶铅芯支座的温度相关性和竖向力相关性,进行了橡胶铅芯支座的温度相关性和竖向力相关性的拟静力实验,得到了在不同温度环境中和不同竖向力作用下支座的滞回曲线。从橡胶铅芯支座的温度相关性实验结果可发现,环境温度对支座的力学性能有明显影响,支座的屈服剪力、屈后刚度和屈前刚度随温度的降低而增大,且在低温环境中,支座力学性能的变化尤为明显。通过竖向力相关性实验发现橡胶铅芯支座的屈服剪力和屈前刚度随竖向压力的增加而增大,屈后刚度随竖向力的增加而减小,当支座的竖向力达到6MPa时,支座的力学性能趋于稳定。 (2)推导了基于序贯非线性最小二乘的支座参数识别方法,并对橡胶铅芯支座的拟静力实验结果进行了参数识别。根据参数识别的结果,拟合出支座的力学特性(屈前刚度、屈后刚度和屈服剪力)随温度和竖向力的变化影响系数函数。 (3)研究了橡胶铅芯支座温度相关性对有偏心和无偏心基础隔震结构的地震响应的影响,编制了无偏心和有偏心基础隔震结构的非线性时程分析程序NBIS和NBIS Torsion,分析了橡胶铅芯支座温度相关性对无偏心和有偏心基础隔震结构地震响应的影响。对于无偏心基础隔震结构,考虑橡胶铅芯支座温度相关性后,支座的相对位移随温度的增高而增大,而支座的恢复力的变化趋势与地震激励的加速大小有关。在较低的环境温度中,基础隔震结构的隔震效果会降低,甚至可能达不到预期的减震目标。对于偏心基础隔震结构,考虑支座的温度相关性后,虽然隔震层和上部结构的位移的变化趋势相同,但不同温度环境的计算结果仍存在较大误差;温度相关性对上部结构转动加速度有较为明显的影响,但是其对隔震层转动加速影响较小,可以忽略不计。 (4)为研究橡胶铅芯支座竖向力相关性对基础隔震结构地震响应的影响,建立了基础隔震结构多维地震激励的分析模型,并将橡胶铅芯支座的竖向力相关性力学模型嵌入其中,编制了相应的计算程序NBIS_Dimension,分析了在水平向和竖向地震同时作用下基础隔震结构的地震响应。考虑了支座竖向力相关性后,支座的计算滞回曲线不再光滑,出现了上凸和下凹,支座的相对位移和水平剪力均增大,隔震层位移增加;受隔震层位移增大的影响,上部结构有较大的整体偏移。支座的初始压力对支座的滞回性能及上部结构的地震响应有明显影响,初始压力越小,支座的滞回越不饱满,支座的竖向力相关性对上部结构的地震响应越明显。 (5)研究了高层或高宽比较大的基础隔震结构的平摆耦联地震响应,建立了考虑橡胶铅芯支座竖向力相关性的基础隔震结构平摆耦联分析模型,编制了计算程序NBIS_Oscillation,分析了基础隔震结构的平摆耦联地震响应。受结构平摆耦联运动的影响,即使结构仅考虑水平向地震激励,支座的竖向力也会随结构的摆动不断变化。因此,支座的计算滞回曲线也会凸凹不平,上部结构的加速峰值增大,结构高阶振型的影响更为显著。


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