（水工结构工程专业论文）隔震技术的理论研究及其在渡槽结构中的应用.pdf

摘要 结构减隔震技术不仅能有效控制结构的动力响应，提高结构的抗震性能， 而且施工方便，节约投资，广泛应用于工业与民用建筑物、交通桥梁、海洋平 台以及震损或已有建筑物的抗震加固等。但国内隔震技术在渡槽上应用还很少， 相关的隔震理论的研究也不多，不系统。在很多水利工程中，渡槽是应用较多 的一种交叉建筑物。因此，对渡槽进行地震响应分析与隔震耗能措施研究是非 常重要的，同时也为隔震耗能技术在水利工程的应用开辟了新的领域。本文主 要进行了隔震支座分析模型的讨论；隔震支座的优化选取；渡槽结构的振动台 实验；有限元程序a d i n a 的开发、校核。具体内容如下： 1 、研究隔震体系的基本特性和隔震机理，着重讨论隔震结构动力分析模型 及其隔震效果。 2 、通过振动台模拟地震试验，对渡槽结构的抗震性能进行了全面、系统的 研究。测量了不同工况下渡槽结构的动力特性和不同类型地震波作用下结构的 动力反应，得到一些有用的结论。同时给出根据实验结果确定隔震支座分析模 型中各力学特性参数的方法。 3 、通过对隔震支座等效线性化分析模型的计算结果与振动台试验结果的比 较表明，如果等效线性化模型的参数选择恰当，采用该分析方法可以使计算结 果和试验结果比较吻合。 4 、对有限元程序a d i n a 进行了编译和调试，并对渡槽隔震进行有限元分析 计算，其计算结果与振动台试验结果的比较表明，有限元程序计算的结果具有 较好的精度。 5 、为了将结构的荷载响应控制在更加合理的范围内，达到比较理想的隔震 效果，进行了隔震支座设计参数的优化选取。通过调整隔震支座的水平刚度， 比较结构动力荷载响应，将结构的动力荷载响应控制在一个比较合理的范围内。 6 、深入探讨隔震支座的非线性分析模型，通过等效线性模型、非线性模型 和实验模型对比，完善隔震支座的力学分析模型和确定设计参数，为隔震支座 的进一步深入研究提供有价值的参考。 关键词隔震：渡槽；振动台试验；有限元程序 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e i s m i ci s o l a t i o n t e c h n o l o g yc a n n o to n l ye f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es t r u c t u r e d y n a m i cr e s p o n s e ，i m p r o v et h es t r u c t u r es e i s m i cp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oc u td o w n e x p e n s e si nc o n s t r u c t i o n i tc a nb eu s e di nc i v i le n g i n e e r i n g ，t r a f f i cb r i d g e s ，o c e a n p l a t f o r m sa n di m p r o v et h ea n t i s e i s m i cc a p a b i l i t yo f t h ee x i s t i n gs t r u c t u r e s i no u r c o u n t r yf e wa q u e d u c t su s es e i s m i ci s o l a t i o nt e c h n o l o g ya n dr e s e a r c ho nt h e o r yo f t h es e i s m i ci s o l a t i o nd e s i g nf o ra q u e d u c t si sa l s ol a c k t h ea q u e d u c t sa r et h e c r i s s c r o s ss t r u c t u r e su s e dw i d e l yi nw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t s s oi t s v e r y i m p o r t a n t t o a n a l y s i s t h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h ea q u e d u c t sa n dr e s e a r c ht h e m e a s u r eo fs e i s m i ci s o l a t i o na n d e x p e n d i n ge n e r g y a tt h es a m e t i m ei to p e n e du p t h en e wf i e l df o rt h et e c h n o l o g yo fs e i s m i ci s o l a t i o na n de x p e n d i n ge n e r g yt h a tb e u s e di nw a t e rc o n s e r v a n c y p r o j e c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea n a l y s i sm o d e l s o ft h e s e i s m i ci s o l a t i o nb e a r i n g sa r ed i s c u s s e d ，t h es e i s m i ci s o l a t i o nb e a r i n g sa r es e l e c t e d o p t i m a l l y , s h a k i n gt a b l et e s t sf o rt h ea q u e d u c ts t r u c t u r eh a v eb e e nc o n d u c t e d ，a n d t h ep r o g r a ma d i n ah a sb e e nd e v e l o p e da n dc o r r e c t e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i s d i s s e r t a t i o na r ed e s c r i b e da sf e l l o w s ： 1 、b a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e i s m i ci s o l a t i o np r i n c i p l e sa r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a l l y d y n a m i ca n a l y s i sm o d e l s a n ds e i s m i ci s o l a t i o ne f f e c t s 2 、t h ea n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c eo fa q u e d u c ts t r u c t u r ei st e s t e ds y s t e mt h r o u g h as e r i e so ft e s t sc a r r i e do u to ns h a k i n gt a b l e t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h er e s u l t so f t h es t r u c t n r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dt h es t r u c t u r ed y n a m i c r e s p o n s e i nd i f f e r e n te a r t h q u a k e i n p u t s t h em e t h o dh o w t o g e t t h em e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h el e a d r u b b e rb e a r i n ga n a l y s i sm o d e l si sd e s c r i b e d t h r o u g h t e s tr e s u l t s 3 、c o m p a r i s o n sc o m p u t e dr e s u l t so f t h eb e a r i n ge q u i v a l e n tl i n e a rm o d e la n d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tm o d i f i e de q u i v a l e n tl i n e a rm o d e lc a np r o v i d eb e t t e rr e s p o n s e r e s u l t s ，i f t h ep a r a m e t e r so f m o d e la r ec h o s ec o r r e c t l y 4 、t h ep r o g r a ma d i n ai sc o m p i l e da n dd e b u g g e d ，w h i c hi su s e dt oc o m p u t e i i a b s 【r a c i t h ea q u e d u c ts t r u c t u r e s c o m p a r i s o n sp r o g r a mr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t s s h o wt h a t p r o g r a m r e s u l t sh a v eh i g h p r e c i s i o n 5 、w ea d o p tt h e o p t i m i z es e l e c t i o na m o n gt h ep a r a m e t e r so fm o d e lo ft h e s e i s m i ci s o l a t i o nb e a t i n g si no r d e rt oc o n t r o lt h er e s p o n s eo f s t r u c t u r e sl o a di nt h e m o r er a t i o n a l r a n g ea n da c h i e v et h ei d e a ls e i s m i ci s o l a t i o nr e s u l t b ym e a n so f a d j u s t i n gh o r i z o n t a l s t i f fo ft h es e i s m i ci s o l a t i o n b e a r i n g s a n d c o m p a r i n gt h e r e s p o n s eo f s t r u c t u r e sl o a d ，w ec o n t r o lt h er e s p o n s eo fs t r u c t u r e sl o a di nt h em o r e r a t i o n a lr a n g e 6 、t h en o n l i n e a ra n a l y s i sm o d e l so ft h es e i s m i ci s o l a t i o nb e a r i n ga r es t u d i e d t h em e c h a n i c sa n a l y s i sm o d e l so ft h es e i s m i ci s o l a t i o nb e a r i n ga r ei m p r o v e da n d d e s i g np a r a m e t e r sa r ed e f i n e dt h r o u g hc o m p a r e de q u i v a l e n tl i n e a rm o d e l s ，n o n l i n e a r a n a l y s i sm o d e l sa n dt e s tm o d e l s b a s e do ns t u d y ，r e c o m m e n d a t i o n sf o rd e e pr e s e a r c h o f t h es e i s m i ci s o l a t i o n b e a r i n ga r ep r o v i d e d k e y w o r d ss e i s m i ci s o l a f i o m a q u e d u c t ；s h a k i n g t a b l et e s t ；t h ef e a p r o g r a m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名：下笨色日期 关于论文使用授权的说明 ) 口d 六s 智 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦文。 躲醢鱼一导师繇身晔一魄 一9 i 1 前言 第1 章绪论 地震灾害是全人类的共同大敌，从以往的地震灾害史看，我国是世界上遭 受地震灾害最为严重的国家之一。二十世纪以来，大规模地震灾害不断发生， 造成大量人员伤亡以及建筑物、桥梁等结构的破坏或倒塌。1 9 7 6 年我国唐山大 地震，1 9 8 9 年美国l o m ap r i e t a 地震，1 9 9 4 年的北岭地震，1 9 9 5 年日本的坂 神大地震，以及1 9 9 9 年的土耳其地震和1 9 9 9 年台湾的集集大地震等，均造成 人员较大伤亡和大量建筑物、桥梁、基础设施等的破坏、倒塌，导致了巨大经 济损失。因此，如何进行安全经济可靠的抗震设计，从而有效抵御，是结构工 程抗震面临的课题。 在汲取震害经验、教训的基础上，伴随着对地震产生机理、地震动特性以 及地震作用下各类结构动力响应特性、破坏机理、构件能力的研究及认识的加 深，针对结构的抗震设计提出一系列新的观点和新的抗震技术。主要涉及以下 几个方面：一、设计原则，设防水准的改进；二、分析方法、设计方法的改进； 三、新的抗震技术的应用。 1 2 结构减隔震控制的发展 1 2 1 结构减隔震控制的分类和减震机理 传统的结构设计方法是依靠增加结构构件自身的强度，变形能力来抗震的， 存在着自身难以克服的缺点。近几十年来，为了提高结构的抗震性能，研究人 员提出一种新的抗震新体系，称之为“工程结构减震控制”新体系【l 】，主要包括 隔震技术、消能减震技术、被动控制技术、主动控制技术及混合控制技术等。 ( i ) 隔震即隔离地震，在建筑物基础和上部结构之间设置一层隔震层，把 房屋结构与基础隔离开来。隔离地面运动能量向建筑物传递，以减小建筑物的 地震反应，实现地震时建筑物只发生较轻微运动和变形，保证建筑物的安全。 ( 2 ) 消能减震是通过在建筑物中设置消能部件( 消能部件可由消能器及斜 北京工业大学工学硕士学位论文 撑、填充墙、梁或节点等组成) ，使地震输入到建筑物的能量一部分被消能部件 消耗，一部分由结构的动能和变形能承担，以达到减少地震反应的目的。 ( 3 ) 被动调谐减震控制是由结构和附加在主结构上的子结构组成，通过调 整子结构的自振频率，使其接近主结构的基本频率，产生一个与结构振动方向相 反的惯性力作用在主结构上，使主结构的反应衰减并受到控制。主要包括“调 谐质量阻尼器”t m d 和“调谐液体阻尼器”t l d 。 ( 4 ) 主动减震控制是利用外部能源( 计算机控制系统或智能材料) ，在结 构受激励作用过程中，瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减 和控制结构振动反应的一种减震技术。主要包括：结构全主动控制( a c t i v e c o n t r o l ) ，结构半主动控制( s e m ia c t i v ec o n t r o l ) 和结构混合控制( h y b r i d c o n t r o l ) 。 结构减震控制技术不仅能有效控制结构的动力响应，提高结构的抗震性能， 而且施工方便，节约投资，适用范围也非常广泛，包括工业与民用建筑物、交 通桥梁、水工建筑物、海洋平台以及震损或已有建筑物的抗震加固等。在已发 生的几次大规模地震当中，采用减隔震技术的建筑物均达到了预期的目标，体 现了良好的抗震性能，正因为减隔震技术具有极高的应用价值，使其具有广阔 的发展前途，是今后抵御地震的发展方向。 1 2 2 结构减隔震控制的历史和现状 为了降低结构所受地震的影响，将结构与地面隔离开来的想法由来已久， 有记载的可以追溯到十九世纪末、二十世纪初。1 9 0 9 年在美国的英国医生 j a c a l a n t a r i e n t s 提出利用滑石以滑动建筑物进行结构隔震的构想在美国获 得了许可。1 9 2 4 年日本的山下兴家氏和鬼头健三郎氏两人分别以弹簧及球体隔 震方法取得了专利。1 9 3 3 年美国人首先提出了柔弱底层的思想。1 9 6 5 年日本的 松下清夫和泉正哲教授在新西兰举行的第三次世界地震会议上提出了以摇动球 座装置进行隔震，这篇论文是世界上首次以解析方法论证隔震构造的文章。1 9 6 9 年南斯拉夫的斯克比市建造了采用橡胶支撑的隔震结构小学。这种橡胶支撑， 水平方向和竖直方向都很柔，因此在承担建筑物的重量和施工方面都存在难点。 数年后法国提出了保证支承竖向承载力和刚度方法。7 0 年代后期，马来西亚的 第1 章绪论 拉穆已斯克小学、南非的开拜卢克核点站、法国的克拉瓦斯核点站等采用了多 层橡胶的隔震结构建造。8 0 年代新西兰吾灵敦的吾里亚姆克林顿大厦、美国 加里福尼亚的福特赫卢司法中心大厦等也根据同样的方法建造的。同时关于结 构控制的论文不断发表，结构控制理论得到不断完善和发展。y u n f e n gz h a n ga n d w i i f r e dd 1 w a n 2 2 1 研究了使用调谐互动阻尼器防护浅层地运动对基础隔震建筑 的作用，以及比较了低阻尼、高阻尼与其三者的效果。h s i a n g - c h u a nt s a ia n d j a m e sm k e l l y 【2 l 】设计了加劲纤维代替钢板的方法并对其刚度进行了严格推导， 证明了可行性，使得隔震支座可以广泛应用于普通结构工程上。 我国的隔震研究开始于7 0 年代，1 9 8 1 年王光远教授首次对高耸结构振动 控制的研究现状作了综合评述，指明了在工程中应用结构控制方法来设计工程 结构的广阔前景。周福添教授在结构隔震研究方面作了大量的工作，已研制生 产出隔震器产品，并应用到实际工程中，起到了显著的减振效果。刘军、欧海 龙【9 】等建立了用于结构弹塑性时程分析的耗能机构参数优化方法。张微敬、欧 进平 1 0 1 教授详细介绍了近年来智能控制算法( 模糊逻辑、神经网络、遗传算法) 在结构控制上的进展和应用。江宜城、唐家祥 1 l 】教授讨论了基础隔震结构对随 机激励的随机反应分析及对主要参数的影响和多维地震动作用下结构平动扭转 藕联振动反应。周云1 1 3 墩授等对能力谱法在隔减震的性能评估中的应用作了深 入的研究。万信华、唐家祥 1 4 教授等对减隔震技术在桥梁方面应用做了广泛探 讨，特别是在连续刚构桥上隔震技术的应用更做了细致研究。魏德敏 1 习教授对 某高层框架简体结构进行了三维有限元时程分析，考虑了基础夹层橡胶隔 震垫的弹塑性特性和黏滞阻尼，分析了结构在地震波作用下的动力响应，为高 层建筑中推广应用基础隔震技术提供了理论依据。刘文光、庄学真【”墩授等详 细研究了各种相关因素对中国铅心橡胶隔震支座力学性能的影响，同时还研究 了中国铅心夹层橡胶隔震支座的长期性能。刘文光、周福添1 1 1 7 教授等对低硬度 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。李忠献( 1 8 】教授等提出了一种基于形状记忆合金( s m a ) 的复合橡胶支座的 智能桥梁隔震系统。张俊平、周福滚 1 9 墩授等通过桥梁隔震体系振动台试验研 究探讨了隔震桥梁的设计方法。梅力彪、周云【2 0 墩授进行了夹层橡胶支座轴压 承载力的非线性有限元分析，研究了夹层钢板的应力重分布规律和轴压破坏机 北京一 业大学工学硕士学位论文 、 理a 而且同时还有大量从事结构控制研究的专家进行着广泛而深入的研究，不 断推出新的研究理论和研究成果，从而加速了减振隔震技术在实际工程的应用， 推动我国抗震事业的不断发展。目前，国内外有关大型渡槽震害分析和理论研 究的资料较少，将隔震器和阻尼器混合减振系统应用于渡槽结构的地震响应控 制还处于起步阶段，因此很有必要加强该方向的研究。 1 2 3 结构减隔震控制技术的评价 对于结构抗震设计，目前大多数国家都遵从“小震不坏，中震可修，大震不 倒”的设计思想。我国建筑抗震设计规范就是采用三水准设防两阶段设计 方法，对于低于或相当于本地区设防烈度的中小地震，为了不影响使用功能， 要求结构处于弹性范围工作，以强度作为破坏准则，对于高于本地区设防烈度 的大地震，允许结构发生塑性变形和有限度损伤，不至于倒塌或发生危及生命 的严重破坏。由此可见，根据传统的抗震设计准则，在遭遇大地震时，结构虽 然可能不发生倒塌，但已不能保证建筑物和内部物品的安全，很难满足实际使 用的要求。而采用减震控制的结构由于可以减少上部结构的地震作用力、反应 加速度和上部结构的相对变形，因此能使人员和建筑物的安全得到充分保障。 由于具有上述特点，与传统抗震结构对比，减隔震结构具有很多优点： ( 1 ) 安全可靠，有效减震，提高地震时结构的安全性 ( 2 ) 经济，节省工程造价 ( 3 ) 使建筑设计不受太多限制，增大设计自由度 ( 4 ) 防止内部物品的振动、移动、翻倒，有效防止次生伤害 ( 5 ) 检测修复方便 不足之处：对于软弱地基，即长周期特性，或者结构的基频比较小的情况， 采用减隔震控制的效果不会很明显。同时减隔震结构对竖向地震的减震效果不 明显，但能保证结构基本的抗震要求。 1 2 4 常用隔震装置简介 到目前为止，国内外己经研制并开发出许多类型的隔震装置，并进行了大 量的实验研究，有些已经广泛的应用于实际工程结构。下面就国内外目前常用 - - 4 - - 第1 章绪论 的一些隔震装置 1 】给予简要介绍。 ( 1 ) 天然夹层橡胶隔震支座：是采用拉伸较强、徐变较小、温度变化对性 能影响不大的天然橡胶制作而成。其滞回环的面积较小，因此必须采用阻尼器 作为吸收能量的构件。但是，这种多层橡胶的的滞回特性与轴力变化和位移历 程几乎无关，从小变形到大变形都具有稳定弹性性能。因此，在分析时计算模 型非常简单，而且具有较高的精度。 ( 2 ) 铅芯夹层橡胶隔震支座：是在夹层橡胶支座的中部圆形孑l 中压入铅。 当隔震装置产生剪切变形时，利用铅芯的塑性变形吸收能量，因此是一种阻尼 器内黄型隔震装置。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，由于阻尼器与隔震装置形成一体，可以节省空间在施工上 也较为有利。 ( 3 ) 高阻尼夹层橡胶隔震支座：是采用特殊配制的橡胶材料制作，其形状 与天然橡胶隔震支座相同。该橡胶粘性较大，其自身可以吸收能量。而且滞回 环的面积较大，表明有较大能量吸收能力。在变形较小时即表现为非线性，而 且与反复次数、变形大小和位移历程相关。 ( 4 ) 滑移阻尼隔震装置：是使上部结构和基础产生滑动来减小水平地震力 的隔震装置，采用在夹层橡胶上设置弹性滑动支承( 粘接p t f e 材料) ，以及限 制水平变形的水平弹簧( 橡胶材料) 构成。承受弹性滑动支承的滑动板由不锈 钢制成。 ( 5 ) 其他隔震装置：除了以上介绍的隔震装置外，还开发了多种隔震装置。 有在夹层橡胶中心部位插入具有高衰减能力的粘性体( 母体) 的约束型隔震装 置。此外，冷粘接型隔震装置作为最新的形式已进入使用阶段。这种装置省略 了加硫粘接工程，更为经济且便于质量管理。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 选题的背景和意义 南水北调工程属国家重要工程，输水总干渠中的渡槽按一级建筑物设计口”。 渡槽是南水北调中线工程总干渠上应用较多的种交叉建筑物，中线工程中的 北京_ t 业大学工学硕士学位论文 渡槽具有流量大、水深的特点，其设计关系到整个南水北调中线工程的可靠性 和经济性。对渡槽进行地震响应分析与隔震耗能减震措施研究是非常重要的， 同时也为隔震耗能减震技术在水利工程的应用开辟了新的领域，对整个南水北 调中线工程设计满足安全性、适用性和经济性具有十分重要的理论和现实意义。 1 3 2 夹层橡胶支座隔震技术简介 国内外已经研究、开发的各种隔震技术都存在各自的优点和缺点，其技术 成熟程度不尽相同。国内外隔震结构曾经采用的隔震装置有沙垫层、石墨沙浆 ( 加钢棒消能) 隔震层、摩擦滑块或滑板隔震层、沙浆( 加钢筋拉结) 隔震层、 p v c 隔震层、滚球( 或滚轴) 隔震层、夹层橡胶支座等。到目前为止，技术比 较成熟并在国内外广泛推广应用的隔震装置是橡胶和夹层钢板分层叠合经高温 硫化粘结而成的标准型夹层橡胶隔震支座。这样在施加竖向荷载时，由于橡胶 受到钢板的约束，不会产生很大的横向变形，同时对于水平方向的作用力，橡 胶的剪切刚度很小，具有很大的变形能力。国内外应用于建筑结构、桥梁、设 备等的隔震工程中，绝大部分采用“夹层橡胶支座”隔震技术。应用这一技术 的建筑物或桥梁在我国、日本、美国等已成功经受了地震考验。因此，它是一 项比较成熟、可以广泛推广应用的隔震技术。夹层橡胶支座隔震技术的成熟， 主要体现在下述几个方面： ( 1 ) 竖向承载能力大，作为建筑结构物的支承支座，非常安全。每个支座 的设计承载力达到成千吨，极限承载力达到成万吨。 ( 2 ) 隔震效果明显、稳定。 ( 3 ) 具有稳定的弹性复位功能，能在多次地震中自动瞬时复位。 ( 4 ) 耐久性好，其抗低周疲劳性能，抗热空气老化，抗臭氧老化，耐酸性， 耐水性，耐火性均较好，及其长时效的物理和化学稳定性较好，使用寿命可达 到6 0 7 0 年以上，这是其他各种隔震装置难以保证的。 ( 5 ) 夹层橡胶支座可安装在不同标高位置上，并且受建筑物地基不均匀沉 降的影响不十分明显。 由此可见，夹层橡胶支座是一项比较成熟的、可以广泛推广应用的隔震技 术。本文即采用铅芯夹层橡胶支座来进行渡槽结构的隔震研究。 1 3 3 本文的研究内容 本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 深入研究隔震体系的基本特性和减震机理，着重讨论隔震结构动力分 析模型及其隔震效果，同时还详细介绍隔震装置的基本构造和设计，以及隔震 装置的等效线性分析模型。 ( 2 ) 渡槽结构隔减振控制机理的探索，包括渡槽结构试验模型的选取，动 力试验的基本原理，随机地震激励的选取，隔震支座力学特性参数的确定，动 力响应的深入分析，以及模型试验数据的分析和处理。 ( 3 ) 对有限元程序进行了编译和调试，本次采用的是a d i n a 的早期版本， 主要考虑其早期版本为开放版本，在编译和调试的基础上，可以方便的进行二 次开发。同时将有限元计算结果和实验结果进行了对比，主要目的是校核有限 元程序的正确性和隔减震理论。 ( 4 ) 隔震支座的优化设计，通过控制隔震支座的刚度，选择不同的方案进 行比较隔震支座的隔震效果，从而选出最佳方案。 ( 5 ) 深入探讨隔震支座的非线性分析模型，通过线性模型、非线性模型和 实验原型对比，完善隔震支座的力学分析模型和确定设计参数，为隔震支座的 进一步深入研究提供有价值的参考。 7 一 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章隔震结构的动力反应分析和理论研究 在隔震结构中由于设置了隔震装最，取决于隔震层水平刚度的建筑自振周 期增大，使作用于上部结构的地震力减小。地震能量几乎由隔震层的减震机构 吸收。但是，上部结构也还是应具有足够的强度以抵抗已减弱的地震力的作用。 另一方面，在柔弱的隔震层上的结构应确保具有相对较高的水平刚度，地震时 表现为刚体，从上至下各层加速度的减小程度基本上相同，以充分发挥隔震结 构的优越性。 2 1 隔震结构的动力反应分析 2 1 1 隔震结构的动力分析模型 对于基础隔震结构，其上部结构的层间刚度远远大于隔震装置的水平刚度， 则地震中上部结构的层间水平位移很小，结构体系的水平位移集中于基底隔震 装置。上部结构在地震中只做水平整体平动( 图2 1 ) ，如果忽略上部结构的摆 动式扭转作用，则结构可以简化为一个单质点隔震结构动力分析模型( 图2 2 ) ， 并且隔震装置的刚度和阻尼也近似代表隔震结构的刚度和阻尼“1 。 x g l 一旦。一 图2 - 1 基础隔震结构动力分析模型图2 2 单质点基础隔震结构动力分析模型 2 1 2 隔震结构的动力反应分析 现设定孟。，孟。，为地面水平地震加速度、速度和位移。x s ，x s ，x 。为 上部结构水平加速度反应、速度反应和位移反应；d 。为上部结构与基础面之间 ( 即隔震层) 的相对位移。m 为上部结构的总质量；k ，c 分别为隔震装置( 例 如橡胶隔震垫) 的水平刚度和等效阻尼值，该阻尼近似代表隔震结构的总阻尼。 首先，可以列出在地震动下的结构体系动力微分方程式： 西i + ；+ k x = g g + k x g ( 2 - 1 ) 公式两边均除以m ，并定义隔震结构体系的固有频率o 。，阻尼比i ： 则微分方程式可表达为 ( 2 2 ) f ：j l( 2 3 ) 2 m o o 。 戈。+ 2 毒。童；+ 。2 工，= 2 辱。主g + 。2 互g ( 2 4 ) 为求得结构体系的加速度反应，可采用转变函数的办法，设结构体系的动力 反应转换函数为- 白) ；地震地面的场地特征频率为；地面地震加速度 王。= e 一，则隔震结构地震加速度反应墨= h 扫k “。 把置。及王，代入上式，经过整理归纳，可得到隔震结构体系的动力反应转 换函数为： h ( ) _ x g ( 2 - 5 ) 转化函数的物理含义即为地震时隔震结构的地震加速度反应与地面地震加速度 之比值。它表明隔震结构对地面加速度的衰减效果。 现定义尺。为隔震结构的加速度反应衰减比，即地震时隔震结构加速度反应 与地面加速度之比： 厝 l | 峨 r ：善 工。 1 + ( 2 扣加。) 2 1i 一。) 2 2 + ( 2 如峨) 2 ( 2 6 ) 式中的r 。为设计计算和控制隔震结构的隔震效果的重要基本公式。若建筑 结构物所在的场地特征频率为己知，则可以合理选取隔震装置( 其固有频率 国。，阻尼比e ) ，进而求得隔震结构加速度衰减率r 。，以确保地震中渡槽结构 的安全。 2 1 3 隔震结构对竖向震动的反应分析 图( 2 - 3 ) 表示基础隔震体系对地面竖向震动作用效应的分析模型。m 为上 部结构的总质量：k 。，e 分别为隔震装置( 例如橡胶隔震垫) 的竖向刚度和 阻尼：王。，主。，x 。为地面竖向地震加速度、速度和位移。i 。，i 。，工。为上 部结构竖向加速度反应、速度反应和位移反应；d 。为隔震装置的竖向变形，即 上部结构与基础面之间的相对位移“1 。 图2 - 3 基础隔震体系对地面竖向震动作用的分析模型 首先可以列出在地震动下的结构体系动力微分方程式： 碱惯+ q 士坩+ k ，x w = c ，圣曙+ k ，x 喈 ( 2 7 ) 公式两边均除以m ，并定义隔震结构体系的竖向固有频率国。，阻尼比告， 第2 章隔震结构的动力反应分析和理论研究 则微分方程式可表达为： 珊例 ( 2 8 ) f = 王( 2 9 ) s ”一2 m o o r , , 。 叠岵+ 2 善，0 9 量坩+ 2 x 坩= 2 f 。”j 增+ 。删2 工曙 ( 2 一i 0 ) 为求得结构体系的加速度反应t ，可采用转变函数的办法，设结构体系的动力 反应转换函数为 白) ；地震地面的场地特征频率为；地面地震加速度 王。= e “，则隔震结构地震加速度反应戈。= h ( c o ) e “。 把曼。及童。代入上式，经过整理归纳，可得到隔震结构体系的动力反应转 换函数为： ( ) ：善： x v g 厂讯西丽了一 忻一。) 2 】2 + ( 2 害，o , o o 。) 2 ( 2 一1 1 ) 现定义r 。为隔震结构的竖向加速度反应衰减比，即地震时隔震结构竖向加 速度反应与地面竖向加速度之比： 厂甬瓦面习_ 一 10 一) 2 】2 + ( 2 叫国。) 2 ( 2 - 1 2 ) 式中的r 。的表达式和r 。的表达式完全一样，可按隔震结构的不同竖向阻 尼比掌，及频率比( 叫国。) ，求的不同的r 。作为隔震装置的夹层橡胶支座， 其竖向刚度较大，经过几种常用的夹层橡胶支座的力学性能进行计算，其竖向 固有周期为瓦= 0 0 5 0 0 8 s ，而一般场地的特征周期为t = 0 5 0 8 s ，即 叫国。= 0 0 6 - 0 1 6 ，代入上式可得： r 。= 挚_ 1 0 ( 2 1 3 ) x g 这意味着，对于基础隔震结构， 但也不会加剧结构的竖向震动效应。 虽未达到衰减结构地震竖向震动的作用， 由于上部结构的竖向承载能力已有足够安 互 ， 一一 蔓 j | 旧 r 北京工业大学工学硕士学位论文 全度，所以，地震时隔震结构在地面竖向震动作用下，仍能确保安全。 2 2 隔震装置的构造、设计和分类 2 2 1 夹层橡胶隔震支座的基本构造 夹层橡胶隔震支座是由橡胶和夹层钢板分层叠合经高温硫化粘结而成，如 图( 2 - 4 ) 。由于在橡胶层加设夹层钢板，并且橡胶层与夹层钢板紧密粘结，当 橡胶隔震支座受垂直荷载时，橡胶层的横向变形受到约束，使夹层橡胶隔震支 座具有很大的垂向承载力和竖向刚度。当隔震支座承受水平荷载时，其橡胶层 的相对位移大大减少，使隔震支座可达到很大的整体侧移而不致失稳，并且保 持较小的水平刚度。由于夹层钢板与橡胶层紧密粘结，橡胶层在竖向地震作用 下还能承受一定的拉力，使夹层橡胶隔震支座成为一种竖向承载力极大、水平 刚度较小、水平侧移容许值很大、又能承受竖向地震作用的理想的隔震装置“。 图2 4 夹层橡胶支座构造详幽 夹层橡胶隔震支座的形状系数是确保隔震支座承载能力和变形能力的重要 几何参数。确定形状的主要参数有： d 一一橡胶层有效承压面的直径； d 。一一橡胶层中间开孔的直径； t ，一一每层橡胶层的厚度。 屯 日 “ 第2 章隔震结构的动力反应分析和理论研究 由这些参数可以求出第一形状系数s 和第二形状系数s ：。 第一形状系数s 。：橡胶隔震支座中每层橡胶的有效承压面积与其自由表面 积之比： 驴等等= 等 丑表征橡胶隔震支座中的钢板对橡胶层变形的约束程度，所以，s 越大，隔震 支座的受压承载力越大，竖向刚度越大。 第二形状系数晶：橡胶隔震支座有效承压面体的直径与橡胶总厚度之比： j ；旦 ( 2 1 5 ) 咒f s ，表征橡胶隔震支座受压体的高宽比，即反映隔震支座受压时的稳定性。所以， s ，越大，隔震支座越短粗，其受压稳定性越好，受压失稳临界荷载就越大。但 是，s ，越大，隔震支座的水平刚度也越大，水平极限变形能力将越小，所以，s ： 既不能太大，也不能太小。 根据国内外的研究成果和应用经验，一般取： s ，2 1 5s ：= 3 6 。 2 2 2 夹层橡胶隔震支座的设计 ( 1 ) 结构的隔震周期： 在隔震结构中，隔震层的水平刚度比上部结构柔的多，因此可以将上部结 构作为刚体，按单自由度模型进行分析是足够精确的。隔震结构按单自由度计 算时，如忽略阻尼器的刚度，根据隔震支座的水平刚度可按下式求的建筑物的 周期。 t ，= 2 ；r v 。w - - ，- i z 一e ) l ：仅由隔震支座水平刚度确定的周期； w ：建筑物总重； 北京工业大学t 学硕士学位论文 巧：夹层橡胶隔震支座的水平刚度 g ：重力加速度。 ( 2 ) 水平刚度计算 按纯剪切计算： 按压弯计算： g k ：i g at ：n f ， ， ( 2 一1 7 ) 甄= 面面丽p 2 鬲历( 2 - 1 8 ) k b = e h z h z ,k s = g a h t = 鼍毛= 可z + 弘 铂t 足。：夹层橡胶隔震支座水平刚度日：隔震支座总高度 p ：作用在隔震支座上的轴压荷载r ：橡胶总厚度 k ，：隔震支座断面剪切刚度参数t ：钢板总厚度 吒：隔震支座断面弯曲刚度系数n ：橡胶层的层数 一：隔震支座有效水平剪切面积t ，：橡胶层厚度 j ：隔震支座有效断面惯性距t 。：钢板厚度 g ：橡胶材料标准剪切模量 q ：隔震支座刚度转换系数 e ：橡胶材料标准弹性模量 毛：橡胶材料弯曲弹性模量 e 。：橡胶材料体积约束弹性模量k ：橡胶材料硬度修正系数 e 。：橡胶材料修正弯曲弹性模量s 。；隔震支座第一形状系数 作为实际工程应用的夹层橡胶隔震支座的水平刚度，必须对隔震结构实际 采用的隔震支座进行足尺实验，以实测的水平刚度值作为设计依据。 第2 章隔震结构的动力反应分析和理论研究 ( 3 ) 竖向刚度计算 k ：瓦拿 ， k = 鼍耻e ( 1 协2 - ) k ，：夹层橡胶隔震支座竖向刚度r ：橡胶总厚度 一。：隔震支座有效受压面积 j j ：橡胶材料硬度修正系数 e ，：橡胶材料体积约束弹性模量e ：橡胶材料压缩弹性模量 ( 2 1 9 ) e ：橡胶材料标准弹性模量点0 ：橡胶材料修正压缩弹性模量 j 。：隔震支座第一形状系数 对于夹层橡胶隔震支座的竖向刚度，同样必须对隔震结构实际采用的隔震 支座进行足尺实验，以实测的水平刚度值作为设计依据。 2 2 3 铅芯橡胶隔震支座分析模型 夹层橡胶隔震支座的主要缺点是阻尼很小，有时在较低水平力作用下，由 于隔震支座较柔，变形就可能很大。如果在夹层橡胶隔震支座中插入铅芯，则 可能得到一个紧凑的隔震装置，铅芯提供了地震下的耗能和静力荷载下所必须 的屈服强度与刚度，在较低水平力作用下，因具有较高的初始刚度，其变形很 小，在地震作用下，由于铅芯的屈服，一方面消耗地震能量，另一方面，刚度 降低，达到延长结构周期的目的。因而满足一个良好隔震系统所应具备的要求。 铅芯具有良好的力学特性，能与夹层橡胶隔震支座较好的结构，使其成为 一种比较合适的减隔震材料。其具有较低的屈服剪力，具有足够高的初始剪切 刚度，性能为理想弹塑性且对于塑性循环具有很好的耐疲劳性能。此外，易于 得到纯度较高的铅，使其力学性能比较可靠。 根据设计中采用的分析方法的不同，铅芯橡胶隔震支座的分析模型可分为 两大类，等效线性化模型和非线性分析模型，等效线性化模型就是将实际非线 性模型用一个近似的线性模型来描述，进而可以利用线性模型的特性以用于结 北京工业大学工学硕士学位论文 关于铅芯橡胶隔震支座等效线性化模型的建立，日本桥梁免震设计条例、 美国桥梁隔震设计准则、台湾学者j s h w a n g 、新西兰学者w h r o b i n s o n 等通 等效刚度，等效阻尼比的计算公式分别为。1 ： k ：兰+ 一a e q ( 2 2 0 ) 。：2 q a u 。b + + q a 。 。一。， 2 蕊再函丁 2 。2 1 其中，初始刚度为七，：6 5 七：，屈服后刚度为尼：! 二堕，如为橡胶承压面积 ( 钢板面积减去铅芯面积) ，a ，为铅芯面积，g 为橡胶剪切模量，以为橡胶中 的有效剪应变：儿= 毒争，“m 为有效设计位移，q 。为支座特征强度，q 为铅 一 f 一2 8 3 6 7 2 + 1 8 3 8 + 8 5 0 7 ( 0 y 0 5 ) q = 2 8 3 y 2 + 1 2 8 1 7 + 1 6 3 0( 0 5 i o m q增益调节：1 0 、2 0 、4 0 、1 0 0 、2 0 0 u d 4 0 1 0 输入电压0 l o m v 自动清零 主放大器输入阻抗 i o m q增益调节：1 、5 、2 0 、1 0 0 输入电压1 0 2 4 m y频响o i o k h z 自动清零线性0 0 1 自动清零 p c b 适配仪放大倍数：1 0 倍频率响应0 5 1 0 0 ，0 0 0 h z 4 8 1 a 输出电压：o , - - l o v 输出阻抗5 0 q精度：1 线性：- 4 - 1 精度：1 3 3 动力实验的相似定律 在进行缩尺模型动力试验时，需要满足模型相似律的各项要求，原型和模 型各相应物理量问的比值称为相似常数通常根据试验设备和模型材料的选择， 取几何尺寸、材料密度及弹性模量作为基本物理量，其相应相似常数为c - 、c 。、 c 。相似律要求试验有关的各主要物理量的相似常数间应满足以下关系： 时间：c f ：q 巳g 彤 ( 3 一1 ) 频率；c r ：c _ 1 f c ，巴嘎c 必 ( 3 2 ) 弹性变形：g = c ：i c c - e e ( 3