平扭耦联隔震体系隔震垫阻尼分布影响研究.doc

天津大学硕士学位论文平扭耦联隔震体系隔震垫阻尼分布影响研究姓名：严昕申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：王铁成20090501中文摘要隔震体系区别于传统结构体系，通过设计隔震层，来减小结构的地震反应，确保结构体系的安全。隔震技术在我国建筑抗震设计规范已经作为正式内容列入，国外也有类似规范。隔震体系通过隔震层的耗能装置来吸收并消耗地震能量，相对于传统的抗震体系有着更好的耗能特性。经过长时期的研究，隔震技术已经取得了较大的研究成果。本文对隔震支座的阻尼特性进行了研究，研究不同阻尼分布对隔震效果的影响。为了研究不同阻尼分布对隔震效果的影响，采用不同隔震垫的阻尼不同分布进行振动台试验。试验框架为一三层钢框架在振动台试验中，运用四个加铅隔震支座和两个无铅隔震支座，进行不同支座布置工况和不同偏心情况的平扭耦联振动台试验。测试采用加速度传感器、激光位移传感器以及力传感器进行测量，分析时程曲线，比较结构的隔震效果。研究结果表明：隔震层的水平刚度越小，结构的位移反应和绝对加速度反应越小，隔震层的位移也相对增大；结构的阻尼比应当控制在适当范围内，在一定范围内增大阻尼可以减小隔震层的相对位移；加铅隔震垫相对于普通隔震垫可以达到更好的隔震效果：阻尼布置在偏心结构体系中单位面积质量较大的部分比布置在单位面积质量较小的部分隔震效果好，其中加速度和位移响应的最大值要小；有限元分析结果计算表明有限元计算值与试验结果数值吻合较好。关键词：隔震支座阻尼平扭耦联有限元独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞空盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：歹呗签字日期：叩年箩月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤宣盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：歹斥导师签名：签字日期：己年多月日签字日期：。年月；日第一章绪论引言第一章绪论隔震结构体系通过在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震层，将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构三部分。地震能量经由下部结构传到隔震层，大部分被隔震层的隔震装置吸收，仅有少部分传到上部结构，从而大大地减轻地震作用，提高隔震建筑的安全性。传统的抗震结构是通过结构和结构构件来抵抗并消耗地震能量的，设计时将地震作为一种外加荷载，与作用在结构上的其他荷载进行组合来设计和验算结构是否满足使用要求。隔震结构则增加了专门的变形和耗能装置：橡胶隔震支座和阻尼器，橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、弹性复位能力、良好的变形能力等特性，此外铅芯橡胶隔震支库还具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，传统的抗震结构体系中，低层建筑基本自振周期与地震动的卓越周期接近，而隔震结构体系通过隔震层的设计，使结构的周期延长到秒，能够有效地降低了结构的地震加速度反应。非规则布置隔震结构，特别是平面扭转非规则布置隔震结构，近年来受到越来越多的专业学者的关注和重视，并进行了不少有关方面的研究。年等人在对滑移隔震结构的研究中指出，隔震结构的扭转反应与非规则的扭转反应相比较时可以忽略。等人通过研究多层基础隔震结构在波作用下的非线性反应，并与试验进行比较后指出，等人的研究结论只适用于扭转刚度大的隔震结构，对一般的隔震结构不适用。日本学者武田寿一采用反映隔震建筑特征的最下层刚度较低的模型，研究了偏心结构的抗震振动特性，结果表明合理的布置隔震装置可以很好的抑制结构的扭转变形。国内西安建筑科技大学的王建强、姚谦峰等人对基础隔震偏心结构的扭转振动反应进行了分析研究，研究结果表明：随着隔震层偏心距的增大，隔震系统的减震效果降低，上部结构的扭转反应随着隔震层偏心距和结构偏心距的增大而增大。华中科技大学的江宜城、唐家祥等人在对单轴偏心的基础隔震结构的研究中指出，通过减小隔震层的刚度偏心可以抑制整个结构的扭转变形比。第一章绪论隔震结构体系的特点基础隔震结构体系通过在建筑物的基础和上部结构之间设置隔震层，将建筑物分为上部结构、隔震层和下部结构三部分。地震能量经由下部结构传到隔震层，大部分被隔震层的隔震装置吸收，仅有少部分传到上部结构，从而大大减轻地震作用，提高隔震建筑的安全性【。传统的抗震结构是通过结构和结构构件来抵抗并消耗地震能量的设计时将地震作用作为一种外加荷载，与作用在结构上的其他荷载进行组合来设计和验算结构是否满足设计和使用要求。隔震结构则增加了专门的变形和耗能装置：橡胶隔震支座和阻尼器，橡胶隔震支座具有提供竖向承载能力、弹性复位能力、良好的变形能力等特性，此外铅芯橡胶隔震支座同时还具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，传统的抗震结构体系中，低层建筑物的基本自振周期与地震动的卓越周期接近，而隔震结构体系通过隔震层的设计，使隔震结构的周期延长到秒，能够有效地降低了结构的地震加速度反应。隔震体系根据隔震装置和隔震原理的区别可分为以下三类：）采用橡胶隔震支座的隔震体系；）滑动、移动、滚动及摩擦隔震体系；）悬挂、悬浮、项支撑隔震体系。为了达到明显的减震效果，隔震装置或隔震体系必须具备以下四项基本特性：）承载特性：隔震装置具有较大的竖向承载能力，在建筑物使用状况下，安全地支承着上部结构的所有重量和使用荷载，具备很大的竖向承载力安全系数，确保建筑物在使用状况下的绝对安全和满足使用要求；）隔震特性：隔震装置具有可变的水平刚度特性，使上部结构在地震中的水平变形，从传统抗震结构的“放大晃动型”变为隔震结构的“整体平动型”，确保上部结构在强震中仍处于弹性状态。同时，为了隔离竖向震动，要求隔震装置具有合适的竖向刚度，使隔震体系得竖向自振周期远离上部结构的自振周期及场地（或震源）的特征周期，从而明显有效地隔开竖向震动，降低上部结构的震动反应；）复位特性：由于隔震装置具有水平弹性恢复力，使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后，上部结构回复至初始状态，满足正常使用要求；）阻尼消能特性：隔震装置具有足够的阻尼，较大的阻尼可使可使上部结构的位移明显减少。国内应用前期侧重于一般的以砖混为主的民用多层住宅工程，约占总量的近。年以后，应用转为公共建筑如办公楼、体育场馆、会议中心等。国外则始终主要应用于大型公共工程，比如办公楼、图书馆、医院、指挥控制中心等，第一章绪论日本相对应用在住宅工程多一些，近几年正开始研究民用低层住宅中的应用。而且在高层、超高层的应用也有一些，其相关的研究比较活跃。国内应用以新建工程为主，在加固和加层方面，仅有少量工程应用，基本是用作加层。国外不仅应用在新建工程中，而且应用在旧有的具有历史意义的建筑物的加固，如美国有高的盐湖城市政大楼、层的洛杉矶市政大楼、意大利的圣彼得教堂、新西兰的旧议会大厦等。年日本阪神地震后，为提高房屋安全性和改造需要，年日本完成了对一栋年建成的层的办公楼的中间层隔震加固，这也是当时世界上第一栋采用层间隔震技术的高层建筑。隔震基础体系的发展概况早期发展概况基础隔震在工程中应用的历史可追溯到一千多年前，我国许多完好保存至今的古建筑就是很好的实例。北京故宫是世界上现存最大最完整的古建筑群，设有糯米加石灰的柔性减震支座层，容许上部结构与基础之间在地震时产生滑动或摩擦，这与现代的基础隔震有异曲同工的效果。始建于唐朝的西安小雁塔（公元年），为密檐式方形砖构建筑，平面呈方形，底边各长，塔身宽度自下而上逐渐递减，愈上愈窄，全部轮廓呈现出娇媚舒畅的锥形形状，现存级，高约。塔基用夯土筑成一个半圆球体，土层深而广，塔身结构重心偏下，类似“不倒翁”结构，在地震作用下，压力均匀分散，能通过整体结构产生晃动摩擦消耗地震能量。史载该塔历经余次地震，大地震曾使该塔次开裂，又次复合，迄今仍巍然屹立。在国外也有不少古建筑由于采用了消能、隔震的结构控制措施而在多次大地震后得以幸存。但是，古建筑的结构控制措施是古代能工巧匠凭经验和直觉实现的，并没有形成理论体系。为追求更高的抗震安全性，在世纪末，专家学者们就设想在建筑物上部结构和基础之间设置滑移层或缓冲层，作为隔离装置，阻止强大的地震能量向上传递，这是基础隔震技术的思想萌芽。年，冠以最早的隔震建筑名称的帝国饭店在东京建成，设计人怀特用密集的短桩穿过表层硬土，插到软泥土层底部，利用软泥土层作为“防止灾难性冲击的隔震垫”，当时引起了极大的争论和关注。在年的关东大地震中该建筑保持完好，经受了地震的考验，而其它建筑物普遍严重破坏。年中村太郎提出了吸收地震能量的必要性和增加阻尼器的做法。这正是以前各种隔震方案所忽略的。虽然限于当时的理论和技术水平，这些隔震方案大都没有实施，但隔震思想已经逐渐有了清晰的轮廓，所提出的概第一章绪论念已具备了现代隔震机构和系统的基本要素。国外的发展概况世纪初，法国、日本、新西兰、美国、英国等学者分别以不同的形式提出了隔震减震的设想。包括在基础与建筑物之间铺设滑石或云母作隔震层的隔震方法，以弹簧及球体进行隔震的方法，柔弱底层的减震构想（方法）等。日本学者还提出了隔震体系应兼备长周期和吸收地震能量两种特性。这些概念己经具备现代隔震技术和系统的基本要素。但由于受当时理论和技术发展水平的限制，设计理论、设计方法和技术及试验方法等多方面的不成熟，还不能进行定量的分析计算，这些思想较难在工程中应用。世纪年代以来，新西兰、日本、美国等多地震的国家对隔震系统投入相当多的人力物力，开展了深入系统的理论、试验研究，取得了卓有成效的成果。年，新西兰学者等率先开发出了实用的隔震元件一铅芯橡胶支座，大大推动了隔震技术的实用化进程。年在新西兰完成的政府办公大楼，是世界上首座采用铅芯橡胶垫的隔震建筑，该大楼设计人员从年开始对各类阻尼耗能器进行比较分析，以选择最优化的设计。年日本建成第一栋现代隔震建筑，是一座二层民宅。年，美国建成的加州圣丁司法事务中心是美国的第一栋隔震建筑，也是世界上第一座采用高阻尼橡胶隔震支座的建筑同时，美国、法国等也作了一些摩擦隔震的建筑。年代初期，应用隔震技术，对有近百年历史的盐湖城市政大楼进行了加固，同时也越来越多地应用在桥梁上。在发展中国家，如印尼、智利、亚美尼亚等也在联合国工业发展署）的支持下，对低造价隔震元件的应用进行探索，建造了一些试点工程。马来西亚橡胶研究所研制开发了自己的橡胶隔震支座。到九十年代中期，美、日、新、法、意等国建造了栋左右的采用橡胶支座的隔震建筑和桥梁。隔震技术由研究阶段逐渐进入了一个推广应用阶段。进入到上世纪年代，隔震结构的理论分析日渐成熟，分析模型已经由简单的单质点分析模型、多质点模型发展到三维空间模型。等开发了隔震结构专用的三维非线性动力分析程序，这是一款专门用于隔震结构计算的软件，能用于计算隔震结构的各种数值【】【。新西兰学者、美国学者等都相继写出了关于橡胶隔震系统理论研究和应用的专著，系统地总结了隔震元件和体系的构成、各种分析模型、设计标准和工程应用方面的成果】【】【。同时，各国（美国、日本、新西兰等）相继推出自己的更加详尽和严格的隔震建筑设计规范和隔震支座的质量和验收标准，以保证其在大规模应用时的可靠性。隔震元件特别是橡胶支座的生产开始向工业化方向发展。隔震橡胶支座的尺第一章绪论寸和应用的范围越来越大。大型试验和检测设备也不断发展，使得大型隔震支座的足尺试验成为可能，相应的高性能、大直径的橡胶支座开发和应用发展很快。从国外隔震研究和应用的历程来看，以橡胶隔震支座为主流的现代隔震技术从系统研究到广泛应用大致经历了三十年左右的时间。这期间共过大量的理论研究、试件和模型结构试验、试点工程建设。经过不断发展、完善，隔震技术进入一个比较成熟的阶段，美国、日本、新西兰、意大利等都颁布了相应的标准、指南或规范。国外的隔震技术开始主要应用在办公楼、政府机构、生命线工程等比较重要的建筑，并且呈现快速增长的趋势。进入到上个世纪年代后期，隔震建筑在日本开始向民用住宅发展，而且应用量比较稳定地逐渐增加。而在美国、新西兰等国家，由于规范和设计标准过于严格等原因，深入研究多，工程应用基本上处于一个少量阶段。另外一个特点是国外将隔震技术应用在具有历史价值的建筑的抗展加固，如美国的盐湖城市政大楼、新西兰的惠灵顿旧议会大厦和议会图书馆等。国内的发展概况年，李立进行了试验研究和理论分析，提出了砂垫层隔震思想在八十年代在北京中关村建成了我国第一栋四层砖混砂垫层隔震建筑。年，刘德馨、李立发展了多层房屋滑移隔震机构的分析模型及其非线性地震反应分析方法。年，高云学、杨玉成等进行了多层砖房模型的隔震试验，证实了隔震效果和结构反应加速度沿结构高度的分布规律。同年张晓临和宋秉泽教授研究了多层隔震结构的滑移和摇摆问题，并进行了输入正弦波的振动台模型实验。郭春雨、龚思礼对基底滑动摩擦隔震建筑在同时受到水平和竖直双向地震作用时的结构反应进行了分析，张作运对该结构的水平摇摆及水平扭转耦联的振动情况进行了分析。年前后，刘德馨等对摩擦和限位消能元件相结合的基础隔震体系进行了理论分析，并提出了实用设计方法吼进入年代后，橡胶支座隔震技术的研究逐渐趋于成熟，随着隔震橡胶支座的国产化生产，此项技术己成为工程应用的主流。以周福霖、周锡元、唐家祥等为代表的一批学者在隔震结构分析和设计方法、结构模型振动台试验、橡胶支座产品性能检验检测技术、施工技术，特别是在橡胶隔震支座国产化等方面开展了全方位的研究工作，逐步在我国开发出了橡胶支座隔震建筑的成套技术。我国第一栋采用橡胶隔震支座的基础隔震房屋是汕头市陵海路八层框架结构商住楼。该示范楼由联合国工业发展组织资助，周福霖主持研究设计与建造，年月建第一章绪论成。与非隔震楼相比，地震反应降为，大幅提高房屋安全性，造价节省，既安全又经济，为隔震技术的推广应用做出了重要贡献。近年来国内外的隔震研究，总的来说，向高层和超高层隔震（包括层间隔震）、三维隔震（包括竖向）和智能化控制应用发展，这必然带来大型支座复杂应力下的可靠性研究、竖向和三维隔震元件开发、高层和超高层隔震结构的动力反应分析和设计方法等的发展。年太原建成一栋九层摩擦滑移隔震房屋，并于年进行了成功试推。到上个世纪末，摩擦滑移隔震的应用发展基本进入了少量应用阶段。上个世纪年代后期，我国学者开始关注橡胶支座隔震技术。上个世纪年代末至年代初期，华中理工大学唐家祥等在国家自然基金会的支持下，对橡胶支座隔震元件和体系进行了系统的理论、试验和应用研究，并率先自主开发了橡胶支座产品。年，编著出版了国内第一部建筑隔展专著建筑结构基础隔震。年，首次对橡胶支座的耐久性机理进行了试验对比研究，提出了科学解释【】。接着，又对竖向隔震进行了系统研究，提出了一些有价值的成果。年以来，配合当时设计规范（程）、产品标准的编制和工程应用，对橡胶支座进行了大量的性能试验。同期，周福霖等对橡胶支座隔震技术在国内的应用进行了探索，特别是在工程应用和标准编制方面，对于推动我国隔震技术应用起了较大的积极作用，并指导建成国内第一家专业的橡胶隔震支座生产厂家。年，作了橡胶支座隔震框架的振动台试验和大量的常用的橡胶隔震支座的性能试验研究。年，周福霖编著出版了工程结构减震控制一书。年，刘文光等对大直径橡胶支座的力学性能进行了足尺试验，也对橡胶支座的耐久和耐火性能进行了试验研列】。年，益为坚、黄为明等对橡胶支座的性能进行了试验研究。年，张敏政等对铅芯橡胶支座的性能作了试验研究。上个世纪年代初期，周锡元、刘季、周福霖等联合承担了国家“八五”重大攻关课题砌体结构隔震减震方法及其工程应用，开展了从理论到应用的系统研究，并进行了橡胶支座动力响应试验和实际工程的动力测试。该课题年底通过鉴定和验收，并被列为建设部重点推广项目。这是国内各研究机构、研究人员联合攻关的成果，也是橡胶支座隔震技术的研究已经初步系统化、实用化的一个标志。年，周锡元等针对工程应用，对橡胶支座的稳定性和临界荷载、橡胶支座及其与柱串联系统的水平刚度计算方法、橡胶支座的限位与保护、简化计算设计方法等进行了深入的理论和试验研究。第一章绪论年，施卫星等进行了橡胶支座的试验和研制工作。同期，中高烈度区如山西、云南、陕西、江苏、甘肃等都相继开展了橡胶支座的开发和应用研究。到上个世纪末，国内研究已经取得了大量成果，包括橡胶支座性能测试和检测技术、施工要求、隔震结构体系的实用设计方法和要点、隔震支座节点作法及隔震层构造措施等，基本形成了橡胶支座隔震建筑的成套技术。本世纪初，我国相继颁布了隔震技术相关的规范、规程和标准图集，标志着国内的隔震技术也进入了成熟应用的阶段。这些标准主要包矧】【】：建筑隔震橡胶支座产品标准，国家建筑工业行业标准，该标准规定了隔震支座的定义、分类、性能要求及检验方法等。该标准年月发布，年月实施。建筑抗震设计规范（），国家标准，其中专门新增第章隔震与消能减震设计，规定了隔震建筑的适用范围、设计要点、验算要求、构造措施和要求等。该规范年月发布，年月实施。建筑结构隔震构造详图（），国家建筑标准设计图集，该图集适用于橡胶隔震支座等部件组成的隔震层的结构布置、节点设计、构造连接等方面的标准做法，指导广大设计人员准确理解隔震层相关做法。该标准图集年月发布，年月执行。进入到世纪，对隔震技术的研究有了进一步发展。大直径橡胶支座性能、隔震加固、三维隔震和混合隔震系统、高层和超高层隔震、层间隔震、隔震系统保护装置等成为隔震研究的新热点。年，徐忠根等对北京某砖混结构的大型医院采用基础隔震技术的加固方案，进行了详细的设计分析和施工工法研刭引。朱玉华、吕西林等对铅芯橡胶隔震结构进行了多向地震输入的振动台试验研究，得出了水平双向地震动输入时结构地震反应比单向输入时小，而三向地震动作用下同比有明显增加，竖向与水平地面运动的相关性对结构反应的影响不能忽视；采用双线性与粘滞的组合分析模型模拟铅芯的滞回特性，计算结果与振动台试验结果符合较好【】。接着，又对滑移板橡胶支座组合隔震系统进行了多向地震输入的振动台试验研究和建立了组合支座的分析模型，得出了滑移系数大小对隔震效果的影响和竖向地震输入对水平隔震效果有显著影响，同时橡胶支座会有拉应力出现【】【。年，李黎等对土耳其的一栋框剪结构的十层住宅的基础隔震加固方案进行了计算分析，并提出了详细的构造措施和混凝土柱和剪力墙下的支座安装工法【。年，徐忠根等对某实际工程二层大平台与平台上多塔楼之间设置隔震层的隔震效果进行了计算分析【】【。年，李宏男、吴香香等对场地条件、第一章绪论隔震支座布置、上部结构刚度、竖向地震动等因素对橡胶支座隔震结构的高宽比限值的影响【】【】【删。年，施卫星等对盆式支座和橡胶支座组成的组合支座在跨度达的巨型析架的应用进行了介绍，分析了高位隔震的特点，验证了该大型组合支座具有同时释放温度应力和减轻地震作用的效果【。年，麦敬波、周福霖对橡胶支座和弹性滑板支座并联复合隔震体系的力学特性、参数分析模型、设计参数优化、时程分析算法等进行了比较详细的研究年，刘文光等对橡胶支座的压缩、拉伸、回转、屈曲等各种性能进行了深入研究，同时对大高宽比隔震建筑进行了振动台试验研究，提出了应用剪切型两质点计算模型和高宽比影响系数的大高宽比建筑地震反应预测方法和实用设计方法【】【。年，徐龙河等对基础隔震磁流变阻尼器的混合控制系统进行了研究，并进行了算例验证。年，孟庆利、张敏政等对基础隔震上部结构变刚度阻尼半主动控制的混合隔震体系和三维隔震体系进行了理论和振动台试验研究，验证了其有效性。年，苏经宇、赵亚敏、曾德民等研发了碟形弹簧和橡胶支座组成的三维隔震支座，并进行了橡胶支座隔震体系、三维隔震支座体系、磁流变阻尼器橡胶支座混合隔震体系的一系列振动台试验研究，验证了三维隔震支座和混合隔震体系的有效性，并提出了存在问题和今后可能的研究方向。年，薛素铎、庄鹏等设计、制造了形状记忆合金和橡胶支座组成的复合隔震支座及其改进型【】。年，祁皑等对层间隔震技术的工作机理、地震反应特点、影响隔震效果的主要参数等进行了深入的理论和数值分析，提出了层间隔震结构的设计思路。橡胶支座隔震系统发展概述近二三十年来，由于大量强震记录的积累，结构非弹性动力分析方法的趋于成熟，振动台实验设备的研制成功，特别是实用的隔震元件（叠层钢板橡胶垫）的开发取得了重大进展，基础隔震技术已经从理论探索、实验研究阶段，发展到示范应用和推广使用阶段。叠层钢板橡胶支座主要适合于一定高度的刚性结构、砖石或钢混结构。七十年代初，新西兰的科研技术人员率先开发了可靠、经济、实用的隔震元件（铅芯叠层橡胶垫），大大推动了隔震技术的实用化进程。加铅芯后的橡胶支座的临界阻尼比从增加到一，这样，即使不用其它的阻尼器也可以满第一章绪论足隔震设计的阻尼要求，而且具有价廉的优势。世界上首座使用铅芯橡胶支座的建筑是年在新西兰建造的惠灵顿威廉克雷顿大楼，这是一座四层高的钢筋混凝土结构办公楼，紧靠惠灵顿断层。叠层橡胶支座隔震体系是将整个上部结构放置在叠层橡胶支座上，由橡胶支座构成隔震层，以减少地震能量向上部传递。现在，常用的叠层橡胶支座有标准橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等多种。我国学者在年代后期开始关注橡胶支座隔震技术，年代后橡胶支座隔震技术的研究逐渐趋于成熟。年代以来国内进行了橡胶隔震支座研制、隔震结构分析和设计方法、结构模型振动台试验、橡胶支座产品性能检验、检测技术、施工技术等全方位的系统研究工作，提出了橡胶支座隔震建筑的成套技术。目前，我国建筑行业标准“叠层橡胶隔震支座隔震技术规程”已经出台，新的建筑抗震设计规范（）中，已经增加了隔震和消能减震设计的专门章节。采用橡胶垫隔震的优点己得到了广泛的认同。本文的主要研究工作经过长时间的发展研究，如今基础隔震技术已经系统化、实用化，它包括摩擦滑移系统、叠层橡胶支座系统、摩擦摆系统等等，其中目前工程界最常用的是叠层橡胶支座隔震系统。这种隔震系统，性能稳定可靠，采用专门的叠层橡胶支座作为隔震元件，该支座是由一层层的薄钢板和橡胶相互盛置，经过专门的硫化工艺粘合而成，其结构、配方、工艺需要特殊的设计，属于一种橡胶厚制品。目前常用的橡胶隔震支座有：天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座等。以前研究的某些结论局限于一定的计算模型和基本假定，缺乏普遍性；还有待进一步的深入研究。其中，隔震垫阻尼分布的对隔震效果的影响还有待进一步的研究。针对以上情况，本论文的主要研究内容如下所示：拟根据隔震支座的结构特点和力学特性讨论分析多个模型的分析特点和适用性。拟研究隔震层的水平刚度与结构的位移和绝对加速度以及隔震层的位移之间的关系。拟研究结构的阻尼比与隔震层的相对位移的关系，求出最佳阻尼比。完成钢框架振动台试验，寻求阻尼分布在偏心结构中的最佳布置以及不同阻尼分布隔震效果的对比分析。拟运用软件对试验进行模拟，来验证试验结果的合理性，以及寻求阻尼分布在偏心结构中的最佳布置以及不同阻尼分布隔震效果的对比分析。第二章带阻尼的隔震结构理论第二章带阻尼的隔震结构理论隔震结构的计算模型隔震结构的计算模型由文献】表述如下：随着人们对地震和结构动力特性认识程度的加深，在过去几十年中结构抗震理论的发展，大致上可以分为静力、反应谱和动力三个阶段。（）静力理论阶段年日本学者大森房吉提出震度法的概念。该理论认为：结构物所受到的地震作用，可以简化为作用于结构的等效水平静力，其大小等于结构重力荷载乘以地震系数，即（）式中口：地震动最大水平加速度：重力加速度：地震系数，其数值与结构动力特性无关此一理论提出时，一般认为结构是刚性的，故结构上任何一点的振动加速度均等于地震动加速度，结构上各部位单位质量所受到的地震力是相等的。（）反应谱理论阶段上世纪年代美国受日本地震工程研究工作的启发，开展了强地震动加速度过程的观测和记录，并于年月日取得了具有典型强地震动特性的。记录。至年代，美国己经取得了不少有工程意义的地震记录，丰富了人们对地震动工程特性的认识，从而促进了抗震设计理论的重大发展，使抗震理论进入了反应谱阶段。年代初，美国明确提出了利用地震记录计算反应谱的概念，年代初，。将此设想加以实现。由子反应谱理论比较准确而又简单的反映了地震动的特性，并根据强震观测资料提出了实用的数据，在国际上得到了广泛的承认。年代，这一抗震理论已基本取代了震度法，从而在抗震设计领域确立了反应谱理论的主导地位。反应谱理论考虑了结构动力特性与地震动特性之间的动力关系，通过反应谱来计算由结构动力特性（自振周期、振型和阻尼比）所产生的共振效应，但其计算第二章带阻尼的隔震结构理论公式仍保留了早期静力理论的形式。地震时结构所受到的最大水平基底剪力，即总水平地震作用为，（）（）式中，为地震系数，（）是加速度反应谱。（）与地震动最大加速度口比值，它表示地震时结构振动加速度的放大倍数，即（型（）口（）动力分析理论阶段年代中期以来，各国又相继发生了一些强震，除取得了大量的地震动数据外，还取得了很多结构的地震反应一记录，更重要的是取得了一些受到地震严重破坏的结构的地震反应记录，从而促进了地震工程研究的迅速发展。从表征地震动的振幅、频谱和持时三要素来看，静力理论考虑了结构振动的振幅最大值，反应谱理论虽然同时考虑了结构各频段振幅的最大值和频谱两个要素，但是这个因素却始终未能在结构设计理论中得到明确的反映。年美国圣费尔南多地震的震害，使人们清楚的认识到地震持时对结构的破坏作用，从而推动了采用地震动加速度过程来计算结构反应的动力方法的研究。时程分析法将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的振动微分方程，采用逐步积分法，如线性加速度法、一法、一目法或法，进行结构的弹性或弹塑性动力反应分析，计算出结构在整个地震过程中的振动状态，给出各个时刻各结构构件的内力和变形，以及构件出现塑性铰的顺序。此一新理论不但考虑了地震动的持时，更进一步地考虑了地震动过程中反应谱理论所不能概括的其他特性，如可以说明结构的屈服机理和确定结构的薄弱环节等。从结构的强度和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度。建筑隔震橡胶支座分析模型根据文献，建筑橡胶隔震支座是隔震建筑的关键部件，主要用于隔离水平震动。因此正确选用计算水平刚度的力学模型，是决定隔震建筑结构分析结果是否合理的关键。常用的隔震支座一般有：普通橡胶支座（，简称），铅芯橡胶支座（，简称），滑动支座、支座等；和隔震支座配套使用的阻尼器一般有：铅阻尼器、软钢阻尼器、油阻尼器等各种粘滞阻尼器和滞变阻尼器。第二章带阻尼的隔震结构理论隔震支座力学模型隔震支座的力学模型的选用应该与结构分析的要求相适应，并能满足一定的精度要求。一般说来，由于支座均具有较大的阻尼或者说滞回耗能性能，力学模型的采用应该合理考虑这些特性。下面介绍最常用的隔震支座力学模型哺。等效线性（线弹性）模型用一个线性刚度和一个阻尼来等效支座的力学性能是最简单的模型，也是隔震建筑结构分析时最常用的模型，如图所示。采用等效线性模型进行结构分析计算时，支座力学模型参数的确定往往需要进行多次迭代计算才能得到足够精度的计算结果，因此该分析方法称作等效线性化方法，相应力学模型的参数也被称为等效刚度和等效粘滞阻尼比。在确定等效线性模型的力学参数时，线性刚度一般采用切线刚度或割线刚度，单方向的线性恢复力和位移关系为（），移，位移，图恢复力和位移当把隔震支座的阻尼力单独分析时，单方向的抗力可表示为以（）枯滞型阻尼一般和振动频率有关，其模型参数通常用等效粘滞阻尼比来表示孝嘉寺（）。砌：拖、式中，亭是等效粘滞阻尼比；是等效阻尼耗能面积；形是弹性恢复力做功面第二章带阻尼的隔震结构理论积；是等效线性刚度；是等效粘滞阻尼系数，一般由试验测定，对于承受竖向荷载的粘滞阻尼，有孝（）式中，尸是支座竖向荷载；是隔震结构第一自振周期；是重力加速度；，、分别是支座的恢复力和位移。铅芯橡胶支座、具有非线性特性的高阻尼橡胶支座、各种非线性粘滞型阻尼器、滞变型阻尼器可以适用等效线性模型，特别是采用等效线性化方法进行结构分析时，也采用该模型来模拟其它各种类型支座的力位移关系。双向线弹性支座可看作在两个方向是相互独立的。为了加速动力方程的求解过程，在实际求解过程中，所有的线弹性单元可以合成为，。，设其刚度中心为（。，），相对于隔震层质心（，）的刚度偏心为，。且，。一圪恢复力位移关系为：，？一，“，）（），（“；一“，）（），“，“，“，（）式中，打，（讶；），如，工，为第个支座的、方向剪切刚度及坐标。所有的线性阻尼器支座可以合成为合成阻尼：，合成阻尼中心（。，），相对于隔震层质心（占，匕）的阻尼偏心为巳。矗，一。阻尼恢复力一位移关系为：？一，“，）（）；一“，）（），“夕；“；（）其中，勺，（；工；），气、勺、和少，为第个支座的、方向阻尼及坐标。对于具有方向性的单向线弹性支座来说，设其与主坐标轴轴所成的角度为第二章带阻尼的隔震结构理论，则弹性恢复力和位移关系乏）后。；目七。；：护：）阻尼恢复力和位移关系置）。曰；秒。；：秒目髻：）隔震支座性能概述天然橡胶隔震支座性能概述（）（）由文献】和文献】，天然橡胶隔震支座由薄橡胶层和薄钢板层交互叠置，经高温、加压并硫化制作而成。支座内部橡胶除天然橡胶外，还添加有填充剂、补强剂和防老化剂等。橡胶隔震支座的几何特性由第一形状系数，和第二形状系数来反映，第一形状系数和第二形状系数分别被定义为：。橡胶胶约束表面积。支座直径橡胶自由表面积橡胶层总厚度，通常认为与橡胶隔震支座的竖向性能和支座界限性能相关，通常认为与橡胶隔震支座的水平性能相关，并与橡胶支座的稳定性有关。橡胶隔震支座的水平刚度主要与橡胶材料和橡胶层的总厚度相关，因此在橡胶层总厚度相同的条件下，减少橡胶层单层厚度来增加支座竖向刚度的同时，水平刚度未改变，并且支座仍具有相同的变形能力。隔震结构中使用的橡胶隔震支座根据橡胶材料（邵氏硬度、或剪切弹性模量等）的不同，可以划分成三类。早期的隔震技术研究试验和工程应用多采用这一区域的橡胶支座进行。由于值偏大，隔震支座水平刚度偏大，现逐渐被第二类剪切弹性模量（低弹性）的天然橡胶隔震支座所取代，以期获得更理想的隔震效果。低弹性橡胶隔震支座与中弹性橡胶隔震支座相比，水平刚度性能和极限变形能力更适合降低隔震结构的最大加速度和层间剪力反应。第三类是剪切弹性模量的天然橡胶隔震支座，这类隔震支座主要和滑板支撑配合使用，能够扩大隔震结构在高层和超高层隔震领域的应用。橡胶材料的特征是弹性低、变形能力大。应力应变关系为反形非线性。橡胶材料的物理性能优弹性模量、剪切模量、破坏延伸率等。弹性模量就是当延第二章带阻尼的隔震结构理论伸率为时的模量。橡胶为非压缩性材料（体积变化很小），泊松比约为。橡胶材料的常数的计算和试验方法，根据防振橡胶的橡胶材料和加硫橡胶的物理试验方法的规定采用。评价天然橡胶隔震支座力学性能的指标有竖向刚度特性、界限压缩刚度、水平有效刚度和极限剪切变形能力等。天然橡胶隔震支座的设计竖向压力早期在以下，近年隔震支座设计竖向压力有逐渐增加的趋势，高压缩应力试验结果显示隔震结构在压力以下时，其力学性能稳定。日本常用的设计竖向压力为时，地震时短期内的设计竖向压力不超过：我国的相关规程中规定设计竖向压力为到。天然橡胶隔震支座的压缩界限压力可以达到，接近设计压力的倍。铅芯橡胶隔震支座性能概述由文献【】，铅芯多层橡胶是在多层橡胶的中部圆形孔中压入铅。多层橡胶产生剪切变形时，利用铅芯的塑性变形吸收能量，因此是一种阻尼器内置型多层橡胶。铅芯在接近纯剪切变形下，反复变形时可以发挥稳定的能量吸收能力。此外，由于阻尼器与多层橡胶形成一体，可以节省空间，在施工上也较为有利。图铅芯橡胶隔震器的基本构造铅芯橡胶隔震支座由于同时具有弹性变形、弹性恢复、承担竖向荷载和耗能的特性，并具有施工简便的特点，因此目前在多层隔震结构体系中应用广泛。通过控制支座铅芯的直径，可以调整支座的耗能能力。在日本年全年度审查的隔震结构中，部分或全部采用铅芯橡胶隔震支座的隔震结构数量占总数的以上，我国占至以上。评价铅芯橡胶隔震支座力学性能的指标有竖向刚度特性、界限压缩应力、水由第二章带阻尼的隔震结构理论平有效刚度、屈服荷载、屈服后刚度、极限剪切变形能力和阻尼特性等。其竖向压缩恢复力模型可按线性弹性模型采用，水平剪切恢复力模型按弹塑形恢复力模型采用。到目前为止，国内外应用于建筑结构、桥梁、设备等的隔震工程中，绝大多数采用“叠层橡胶支座”隔震技术。应用这一技术的建筑物或桥梁在我国、日本、美国等均己成功经受了地震考验。因此，它是一项较成熟的、可以广泛推广应用的隔震技术。叠层橡胶支座隔震技术的成熟，主要体现在下述几个方面：具有足够的竖向刚度和竖向承载力，能够稳定地支承建筑物。具有足够柔的水平刚度，保证建筑物的基本周期延长到左右。具有足够大的水平变形能力储备，以确保在强震作用下不会出现失稳现象。水平刚度受垂直压缩荷载的影响较小。具有稳定的弹性复位功能，能在多次地震中自动瞬时复位。具有足够的耐久性，至少大于建筑物的设计基准期。我国学者在年代后期开始关注橡胶支座隔震技术，年代后橡胶支座隔震技术的研究逐渐趋于成熟。年代以来国内进行了橡胶隔震支座研制、隔震结构分析和设计方法、结构模型振动台试验、橡胶支座产品性能检验、检测技术、施工技术等全方位的系统研究工作，提出了橡胶支座隔震建筑的成套技术。目前，我国建筑行业标准“叠层橡胶隔震支座隔震技术规程”已经出台，新的建筑抗震设计规范（），已经增加了隔震和消能减震设计的专门章节。采用橡胶垫隔震的优点己得到了广泛的认同。铅芯橡胶隔震支座本身具有弹塑性特性，对于这两类隔震支座的恢复力模型也有不少研究人员建立了相关的弹塑性恢复力分析模型，其中冯德民、三山刚史等针对铅芯橡胶隔震支座的卸载特性提出的了修正双线性模型和模型组合恢复力模型。铅芯橡胶隔震支座的恢复力分析模型主要有以下几种【：（）线性模型（）铅芯橡胶隔震支座滞回曲线有显著的非线性性能，具有初始刚度。、屈服后刚度。和屈服力一通常采用有理想滞回阻尼特性的双线性模型来模拟隔震层恢复力。弹性阶段：（）（一）（一工，）一（一）。（）且戈，保持为，（。）（，），为隔震支座的屈服力，由铅芯的屈服应力确定，。为隔震支座屈服后的位移。屈服阶段：第二章带阻尼的隔震结构理论（）（量）（）直至丈，并且此时。（）模型（）修正双线性模型（）等对双线性模型进行修正，提出修正双线性模型。修正双线性模型考虑了橡胶隔震支座刚度及屈服力对应变的依赖性，对屈服后刚度、卸载刚度及屈服力进行了修正：髟（）埘（）删；功（）口（）棚；。（）（）（）瓯日，棚肛鲋，；岛，盯，（）式中（，）、。（，）分别为修正后屈服刚度和卸载刚度；伤（，）为修正后屈服力；幺如为支座剪应变寸时的屈服力；埘（）、耐（，）、口为由支座的实际试验测定的常数；为铅芯引起的强化系数；为支座剪应变；以为支座顶面和底面的相对位移；，为橡胶隔震支座总高度；为橡胶剪切模量；，为橡胶隔震支座面积；，为铅芯面积；仃，为铅屈服强度。“）修正双线性模型模型影响铅芯橡胶支座水平特性的主要因素铅芯橡胶支座是在天然橡胶支座的中孔嵌入铅芯构成的。铅芯嵌入后与橡胶支座融为一体一起产生剪切变形，这种支座是利用橡胶支座良好的复原性能和铅的良好的能量吸收能力所构成的隔震装置。影响铅芯橡胶支座水平特性的主要因素【】：剪切变形屈服后刚度。在剪应变小于时，随剪应变的增大而减小；在剪应变达到之前，都表现出稳定的双线性恢复力特性；当剪应变过大时，屈服后刚度。出现硬化现象。竖向压力、，屈服后刚度。随压应力的增大而减小，屈服力。随压应力的增大而增大。，竖向拉力隔震支座在竖向拉力的作用下，铅的效果会降低，能量吸收能力减小，屈服力随之降低。温度影响外界环境温度的升高和经历反复荷载作用后铅芯的温度增加，均会导致支座屈服力功的降低和屈服后刚度，的降低。第二章