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层间隔震减震结构的理论分析和振动台试验研究

黄襄云  
【摘要】: 房屋基础隔震是一种有效、经济和现实可行的结构抗震新技术和新体系。国内外多次地震经验表明,采用隔震技术,在基础与上部结构之间设置隔震层,可使房屋结构及其内部设施免受地震灾害。我国自1993年建成首栋采用叠层橡胶支座的隔震房屋以来,在全国各地已经建成了数百栋隔震建筑。 隔震技术在我国的《建筑抗震设计规范》已作为正式内容列入,国外也有类似规范,如美国、日本、欧共同体等。目前在各国现行的隔震技术规范中,隔震结构只限于体形规则的结构,规定隔震层设在基础顶面或地下室底部。但在实际工程中,由于建筑和使用上的需要,要求突破规范的这些限制,在结构的中间层设置隔震装置,形成新的层间隔震减震体系。 层间隔震减震体系是根据结构本身的特点,一般在结构竖向刚度有突变的部位设置隔震层,隔震层的位置可根据需要设置在结构的一层顶、中间层、结构的转换层等,隔震装置可采用叠层橡胶隔震支座。由于隔震层设置在结构的中间层,将整体结构分为上部结构和下部结构,引起结构动力特性的变化,隔震结构的工作机理出现了新的特征。层间隔震结构设计的目的,不仅要减小上部结构的地震反应,同时要求在不增加或减小下部结构地震反应的情况下,减小整体结构的地震反应。因而需要进行专门的研究。 本文以6层框架结构为模型,系统地完成了层间隔震减震体系的振动台试验研究。通过试验对层间隔震减震结构的隔震层刚度、变形、阻尼及滞回曲线等物理特性指标进行了探讨,并对影响层间隔震减震结构的主要因素进行了深入的研究。采用Bouc-Wen模型模拟层间隔震结构的隔震层恢复力,建立了层间隔震结构的简化计算模型。导出了层间隔震减震结构的运动方程,编制了时程分析计算程序,对层间隔震减震结构进行了地震反应分析,与振动台试验结果对比,具有较好的精度,验证了计算模型和分析程序的可靠性,可用于后续的研究分析工作。 对主要影响参数进行分析,探讨在建筑物层间设置隔震层时,隔震层上、下结构体系协同作用等问题,包括上部结构和下部结构的刚度比、频率比、质量比、隔震层参数等对隔震效果的影响,将层间隔震与基础固接和基础隔震结构进行对比,对隔震层位于建筑物底部和建筑物中间任意层的不同情况分别进行了分析研究。 提出了在进行层间隔震减震结构设计时,不仅仅控制结构的第一周期,第二周期也需要控制。对于隔震层上部结构,通过合理设计隔震层刚度和阻尼,延长结构的第一周期,并适当控制隔震层的位移,可达到对上部结构“隔震”的设计目的。对于隔震层下部结构,根据结构本身的特点,合理选择隔震层位置,通过调整隔震层上部结构和下部结构的刚度、质量,增设结构阻尼等,避开结构的第二个主控周期,可达到在不增加或减小下部结构地震作用的同时,减小整体结构地震作用的“减震"目的。 对基础隔震结构、动力调谐减震结构和层间隔震减震结构的参数优化进行了对比分析。在此基础上,提出根据隔震层位置的不同,将层间隔震减震结构分成三类:调频减震、部分隔震和完全隔震。根据层间隔震减震结构设计控制目标的不同,对影响层间隔震系统的主要参数进行了优化。提出了最优的参数组合,最优频率比α_opt和最佳阻尼值ζ_opt。 将研究成果结合实际工程,对一栋大平台多塔楼结构进行了层间隔震减震设计,提出了层间隔震减震结构的设计方法、施工方法和构造措施,对上部塔楼隔震和下部大平台的减震效果均很好,达到了结构设计的隔震减震目标。


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