平扭耦联隔震体系模型试验与分析研究.doc

天津大学硕士学位论文平扭耦联隔震体系模型试验与分析研究姓名：全明申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：王铁成20090501中文摘要不同于传统结构抗震思想，基础隔震从改变结构动力特性进而限制地震动能量传到上部结构出发，大大降低了上部结构地震响应，从而使建筑物能更好地经受地震的考验。由于其显著的减震效果，目前隔震技术已广泛应用于工程实际，隔震相关理论也日趋成熟，但多仅限于规则结构。随着建筑物体型、使用功能的多样化，结构存在偏心很难避免，偏心结构由于其扭转效应，往往比较复杂，基础隔震用于偏心结构的研究还并不充分，相关试验也很少。因此，进行偏心隔震结构试验研究及理论分析具有重要的理论意义和实际意义。对一个三层两跨钢框架模型进行地震模拟振动台试验，通过调整上部结构负重块位置实现上部结构不同偏心工况，通过改变隔震垫位置实现不同的刚度偏心，进而实现结构的平扭耦联，同时对模型结构输入不同地震波以模拟不同场地类别。试验研究的主要内容为：偏心隔震结构动力特性，隔震结构与传统结构平动反应及扭转反应对比，改变隔震垫位置，使隔震层刚心与上部结构质心位置接近时结构扭转反应研究。在串联刚片系模型的基础上引入层单元的分析思路，并进一步考虑实际框架结构各抗侧力构件刚度以及上部结构和隔震层阻尼特性，建立了平扭耦联隔震结构动力响应方程，并对试验模型结构进行动力计算及分析。本文还利用结构分析软件对模型结构进行有限元分析，将计算值与试验值进行对比，并进一步完善相关研究。分析及研究结果表明：隔震后结构基本周期显著增长，能有效避开地震动特征周期；加隔震垫可显著降低上部结构地震响应，包括平动反应及扭转反应；将隔震垫刚心与上部结构质心位置接近可进一步降低偏心隔震结构扭转反应；本文所建动力方程能，很好地计算偏心隔震结构的扭转反应；计算值与试验值基本吻合，可以较好地对隔震结构地震响应进行模拟。关键词：基础隔震；平扭耦联；动力方程；振动台；，：；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，也不包含为获得苤鲞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：仓明签字吼砌年乡月乙日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁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：仓嘎签字日期：枷夕年月日导师签名：嘞：。签字日期：切叩年月乙日第一章绪论引言第一章绪论地震是一种突发性的自然灾害，对人类社会有着严重的威胁。一次大的地震可使一座城市数秒内变为废墟，造成严重的经济损失和大量的人员伤亡。全世界平均每年发生破坏性地震近千次，其中震级级和级以上的地震约有十几次。近年来几次大的地震都给人类带来了惨痛的灾难。年唐山大地震，一座拥有百万人口的工业城市被夷为平地，人员死伤达余万。年日本阪神地震给神户市及其附近的芦屋市、西宫市、淡路岛等地区造成了极其严重的破坏，近万幢房屋被摧毁，另有万幢房屋遭受了不同程度的破坏，高速公路及桥梁整线倒塌，交通通信、供水供电中断，死亡多人，万人无家可归，经济损失达亿美元【。汶川级大地震，造成灾区人民生命财产和社会经济的极大损失，是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。据不完全统计，汶川大地震造成死亡及失踪人数达万多人，受伤万多人，倒塌损毁房屋多万间。由于地震预测难度很大，人们将更多的精力集中于抗震，并取得了显著成效。随着人们对地震认识的不断发展，抗震设计思想也在不断变化，大体经历了静力理论分析阶段、反应谱理论阶段和动力理论阶段，三个阶段的发展并没有严格的分界点，而是相互联系、相互渗透。静力理论阶段应用的是基于承载力的抗震设计方法，假定在地震作用下的结构是刚性的，建筑物上任一点的加速度均等于地震加速度。这种理论未考虑结构的动力特性，设计方法比较粗略；反应谱理论考虑了结构自振周期、振型和阻尼等动力特性以及共振效应，考虑到了结构在地震作用下的变形，至今仍然是各国规范设计地震作用取值的基础；动力法把地震作为一个时间过程，将建筑物简化为多自由度体系，选择能反映地震和场地环境以及结构特点要求的地震加速度时程作为地震动输入，计算出每一时刻建筑物的地震反趔。经过多年发展，抗震理论已渐趋成熟，经抗震设防的建筑物能很好地经受地震的考验，减轻人员伤亡和经济损失。在与地震斗争的过程中，人们逐渐找到了一种全新的方法，不同于以往硬抗的设计思路，而是采取隔离或消耗地震能量的方法，即结构减震控振。基础隔震就是一种能有效降低上部结构地震作用从而达到抗震目的的方法。实践证实，采用基础隔震可以起到很好的效果，大大减轻地震灾害。年月日，日本第一章绪论东京湾地震，两毗邻建筑分别为隔震和不隔震，记录到建筑层方向加速度最大值，隔震为，不隔震为，隔震后结构加速度约为不隔震时的，隔震效果很明显【】。年月日的洛杉矶地震中，采取隔震措施的医院不仅加速度反应大为降低，而且建筑物内机器等均未损坏，医院功能得以维护。而不隔震结构则相反，不仅加速度被大大放大，设备机器、医疗机械及家具翻到，水管破裂造成各层浸水，医院丧失了使用功能【】。结构扭转震害近年来，随着城市建设的深入和人们生活水平的提高，人们对房屋结构的体型、立面等提出了新的更高的要求，简单规则的形式已经无法满足这种要求，更多的是存在扭转反应的不规则结构。不规则结构在地震作用下很不利，很多大震震害表明，破坏往往由于扭转而率先发生。当结构质量中心与刚度中心不重合时，地震时作用在质量中心的惯性力将对刚度中心产生扭转力矩，迫使结构产生扭转耦联的空间振动。通常造成建筑结构质心与刚心不重合的原因有结构物的柱与墙等抗侧力构件布置不对称；结构物的平面布置不对称；结构物的立面不对称或平面与立面不对称：虽然结构刚度对称，但荷载不对称，如厂房的机器、设备等【】。年日本阪神地震震害表明，钢筋混凝土结构的破坏中，尤其是底层铺面房，后面为墙，前面仅有柱，由于墙体布置不对称形成结构偏心，造成地震作用下独立柱由于扭矩而发生破坏，进而引起整个结构倒埘。基础隔震结构的隔震原理、特点及发展基础隔震结构的隔震原理传统的抗震理论和方法都是建立在提高结构和构件的抗震强度和变形能力的基础之上，基础隔震则是一种限制地震能量进入上部结构的方法。近百年来已提出许许多多的隔震方案，常用的隔震机构和体系，如叠层钢板橡胶支座、复位弹簧和平面滑板并联机构、摩擦摆体系和其他隔震减震复合体系已用于许多实际工程【】。隔震结构体系是指在结构物底部和基础面之间设置某种隔震装置而形成的结构体系，包括上部结构、隔震装置和下部结构三个部分【】。基础隔震结构的基本原理是通过在上部结构和地基之间设置刚性很小的隔震装置，延长整个结构的第一章绪论周期，并使地震时的变形集中到隔震装置上，即相对于以往中低层建筑物根据上部结构的较高强度和较低变形来吸收地震能量而言，隔震结构则是避开了地震动的卓越短周期，完全依靠隔震装置吸收地震能量【刀。基础隔震结构的特点隔震装置及隔震结构体系需满足以下四个基本特性：）承载特性：隔震装置具有较大的竖向承载能力，在建筑物正常使用状况下，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，使隔震体系的竖向白振周期远离上部结构的自振周期及场地的特征周期，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，上部结构恢复至初始状态，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，较大的阻尼可使上部结构的位移明显减，。具备上述四项特性，隔震结构体系具有明显的减震能力。与传统抗震结构相比，隔震体系具有以下优越性：）明显有效地减轻结构的地震反应：从地震模拟振动台试验结果及已建造的隔震结构在地震中的强震记录得知，隔震体系的上部结构加速度反应只相当于传统结构加速度反应的肛；）确保安全：在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态，从而确保结构本身以及内部重要的仪器设备在强震中能正常使用；）降低房屋造价：由于隔震体系的上部结构承受的地震作用大幅度降低，使上部结构构件和节点的断面、配筋减少，构造及施工简单，大大节省造价；）抗震措施简单明了：抗震设计的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的抗震措施转变为只考虑隔震装置，简单明了，大大简化了设计施工；）震后无须修复：地震后，只对隔震装置进行必要的检查，而无须考虑建筑结构本身的修复：）上部结构的建筑设计限制较小：由于上部结构的地震作用已经很小，建筑及结构的设计更加自由；）不仅适用于新建房屋，同样也为旧房加固及珍贵历史文物建筑的保护开辟了新的途径【。基础隔震的发展年，日本学者河合浩藏最早提出基础隔震的概念，认为先在地基上纵横交错放置几层圆木，圆木上做混凝土基础，再在混凝土基础上盖房，以削弱地震第一章绪论传递到结构的能量【丌。年，英国的卡兰特伦茨提出了另外一种隔震方案，即在基础与上部建筑物之间铺一层滑石或云母，这样地震时建筑物会发生滑动，以达到隔离地震的目的【。年，美国工程师莱特在设计日本东京帝国饭店时有意用密集的短桩穿过表层硬土，直接插到软泥土层底部，利用软泥土层作为隔震层。年，日本的鬼头健三郎提出了在建筑物的柱脚与基础之间插入轴承的隔震方案【】。年代，新西兰学者等率先开发了可靠、经济、实用的铅芯橡胶隔震垫，大大推动了隔震技术的实用化进程。年新西兰建造了世界上第一幢以铅芯叠层橡胶垫作为隔震元件的层建筑物，年美国建成第一座层的叠层橡胶垫隔震大楼加州圣丁司法事务中心，年日本又建成一幢层的高技术中心楼，采用铅芯橡胶垫。年代以来，基础隔震研究开始在我国受到重视，国内不少学者对国际上流行的基础隔震体系进行了研究，取得了很大的成果。理论研究方面，基础隔震技术的应用和发展与隔震装置力学性能的研究、基础隔震结构地震反应分析理论和计算方法的研究进程息息相关。隔震理论的发展经历了由简单的质点模型到三维空间模型的发展过程。国外基础隔震方面的研究开展较早。年等对基础隔震结构进行了三维非线性动力分析，得出采用基础隔震技术可以使整个上部结构的反应大为降低伽到。年等人采用了三维空间模型，对隔震结构双向地震动、偏心结构扭转等问题进行了研究。结果表明，存在平扭耦联特征的基础隔震结构与对称结构相比其隔震效果将有明显降低。国内杨迪雄采用空间杆系层模型对空间非对称基础隔震框架结构进行了多维地震反应分析，并探讨了隔震层隔震支座的优化配置问题钔。吕西林、朱玉华对隔震结构进行了系统全面的研究，分别对采用铅芯叠层橡胶支座隔震系统、摩擦滑动支座隔震系统及由叠层橡胶支座和滑板摩擦隔震支座构成的组合隔震系统的基础隔震房屋模型和基础固定房屋模型进行了振动台试验研究，分析多向地面运动（水平单向、水平双向、水平和竖向及三向地震动）输入时上部结构反应和隔震系统的性能，表明水平单向和双向地震动输入时，结构各层加速度反应放大倍数接近，但竖向地震动对结构反应有显著影响，在分析中应予以考虑引。我国的隔震技术已经进入到标准化、规范化阶段，建筑抗震设计规范（）中增加了一章“隔震和消能减震设计”的内容引。此外，还有一系列产品标准，如建设部颁布了建筑隔震橡胶支座产品标准，同时符合规范要求的隔震建筑分析软件也己投入使用。第一章绪论平扭耦联隔震结构的研究现状及问题我国现行规范建筑抗震设计规范（）提出的隔震结构设计方法，一般仅适用于结构体型较为规则的情况，其简化设计方法的应用范围则更为有限引。隔震结构用于非规则结构的研究还不够充分。非规则建筑结构根据其不同的布置形式可有不同的非规则形式，本课题主要研究扭转非规则的隔震结构。出于使用功能及造型的考虑，传统的规则布置方式已不能满足要求，越来越多的是存在质心和刚心偏心的不规则结构。而这种结构存在平扭耦联的扭转效应。已有研究结果表明，平面扭转非规则布置结构在合理地设置了隔震装置后，不但其平动的地震荷载能大大减小，扭转效应也大为降低，从而满足了非规则建筑结构的安全性和适用性要求幢。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结构的扭转反应相比较时可以忽略，而后来的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，并与试验结果进行比较后指出，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妇羽。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口昭利。华中科技大学的江宣城、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乜】瞻射乜钔。广州大学李向真在模态分析的基础上，建立了平动扭转耦联房屋结构隔震体系的简化计算方法，该方法考虑了上部结构和隔震层的性能参数对体系动力性能的影响，动力自由度、输入参数相对比较少，能够适用于扭转非规则房屋结构隔震体系的实用设计计算，同时，利用作者提出的层单元性能参数，构造了考虑楼板变形的有限元层单元计算模型，并在此基础上建立了多层非规则布置房屋结构的静力及动力计算方法瞳训。经计算研究发现，隔震体系能够大幅降低扭转非规则房屋结构的各层间惯性扭矩，上部结构的性能参数对隔震体系的扭转效应有一定影响，隔震层的性能参数对隔震体系的扭转效应有很大影响，将隔震层刚度偏心距相对上部结构刚度偏心距反向设置可以进一步降低底部层间惯性扭矩乜们。李宏男、霍林生采用层间串联刚片模型，并假定每层质量中心位于同一条竖直线上，偏心结构在整个变形过程中刚度中心始终不变，最后给出偏心隔震结构简化计算第一章绪论公式嘶。综上，各国学者对偏心隔震结构的平扭耦联地震响应进行了一些研究，也考虑了隔震层刚度分布对上部结构的影响，并给出了偏心隔震结构的各种简化计算方法。但这些研究多停留在理论层面，也不完善。为进一步验证加设隔震装置对偏心隔震结构地震响应影响的相关规律，完善有关隔震层刚度分布对上部结构响应影响的研究，进行本文的地震模拟振动台试验研究及理论分析。本文的研究内容目前基础隔震用于规则结构的研究已进行了很多，也较为成熟，但对于非规则隔震结构，考虑平动扭转耦联的研究并不是很多。本文研究旨在揭示更多关于平扭耦联隔震结构的地震响应规律，同时对已有结论从试验角度进行验证。本文的主要研究内容包括：振动台试验设计，包括模型结构负重块设计、地震波设计（地震波压缩、峰值加速度调整）；各种偏心工况隔震结构的地震响应分析研究，主要有隔震结构与无隔震结构的对比研究、采取隔震措施后偏心结构地震响应的降低、改变隔震垫布置方案对上部结构扭转反应的影响；建立平扭耦联隔震结构的标准动力响应方程，详细给出偏心隔震结构刚度矩阵的形成过程，并对模型结构进行动力响应分析；利用有限元分析软件对模型结构进行分析，将计算结果与试验结果进行对比，并迸一步完善对偏心隔震结构地震响应规律的研究。第二章隔震支座及隔震结构分析模型第二章隔震支座及隔震结构分析模型隔震支座分析模型建筑结构所采用的隔震支座对隔震结构减震效果的实现以及结构的安全性至关重要，因此，对隔震支座性能、分析模型的认识和研究很关键。目前使用的橡胶支座是由橡胶薄片与钢板叠合在一起加硫粘合而成，其最突出的优点是具有很大的竖向刚度足以承担上部结构重力，同时水平方向又有着较小的刚度，地震发生时能起到很好的隔震效果。橡胶支座一般有三种：标准叠层橡胶支座、高阻尼叠层橡胶支座以及插入铅棒后的铅芯橡胶支座。以下分别介绍其性能及分析模型。叠层橡胶垫构造参数叠层橡胶垫薄橡胶片与钢板相互交错叠置数层，上下有连接钢板，以便与柱连在一起。橡胶垫平面形状多为圆形，也有矩形形状。确定叠层橡胶垫形状的主要参数有直径、每层橡胶厚度和橡胶层数，中间孔洞直径。同时引入能反应橡胶垫性能的两个形状系数，第一形状系数、第二形状系数。计算公式为伫】耻糕：等一：昙协，墨蕊一：薏心乏其中式为圆形截面橡胶垫第一、第二形状系数，式为矩形截面橡胶垫形状系数。主要是与竖向刚度和转动刚度有关的参数，越大，相对直径来说橡胶片厚度越薄，竖向刚度和弯曲刚度越大。是与承载能力和水平刚度有关的参数，越大，多层橡胶垫越扁平，越不容易压屈。普通叠层橡胶支座分析模型普通叠层橡胶支座水平方向的恢复力特性在弹性范围内是直线型的，在大变形范围内，荷载加大，刚性也会慢慢增加，出现刚度硬化。水平恢复力计算公式第二章隔震支座及隔震结构分析模型如式。工（）式中：屯普通叠层橡胶弹性刚度；支座水平位移。由于普通叠层橡胶的阻尼很小，实际中很少单独使用，经常使用加铅的隔震支座。铅芯橡胶支座分析模型在研究隔震装置的基本反应特性时，采用将完全弹塑性滞回阻尼加到叠层橡胶的弹性弹簧上的双线性恢复力模型作为隔震装置考察阻尼单元与叠层橡胶弹簧单元的有效组合。毖龟。占石礁一占弓，沪一斌（）隔震系统；（）叠层橡胶支座；（）阻尼器图橡胶隔震层恢复力模型铅芯橡胶支座的刚度计算公式七：七卸【后式中：隔震装置的初始刚度；，叠层橡胶的弹性刚度；阻尼器弹性刚度。高阻尼橡胶支座分析模型霍鬈譬协，高阻尼橡胶是在橡胶材料中加入石墨，使叠层橡胶自身具有阻尼性能。根据石墨加入量的多少，可以调整阻尼的大小。高阻尼叠层橡胶在静力作用下水平方向的恢复力特性与插入铅棒的叠层橡胶一样，具有仿锤形的滞后回环，等效刚度随水平变形的增加逐渐降低，等效粘性阻尼比在位移较大时为一常值，特别是在较小变形范围内有较大阻尼是其优，点。第二章隔震支座及隔震结构分析模型隔震结构分析模型建筑结构动力分析常用模型包括层模型和杆模型【酗。层模型是将质量集中于各楼层，并将整个结构的竖向承重构件合并成一根总的竖向杆，从而形成一个悬臂梁似的串联质点系模型。层模型假设楼板在自身平面内刚度无穷大，房屋刚度中心与质量中心重合，在水平荷载作用下结构不会产生绕竖轴的扭转。这种模型计算只能求出层间剪力与层间位移，而不能求出各杆件的内力和变形。杆模型是以结构中的柱、梁等杆件作为分析的基本单元。各杆件的质量分别就近集中于各结点，各结点具有独立的水平、竖向线位移以及转动、扭转角位移，可得到各杆件的局部内力和变形状态，较真实地反映结构的动力反应结果。采用这种模型，计算工作最很大，并且有时导致动力分析算法不稳定的现象出现。同时大多数这种模型的研究为了简化计算，而未考虑楼板的约束作用，将致使结果在一定程度上失真。对于隔震结构，对称结构与非对称结构采取不同的分析模型。这两种模型均综合了上述两种基本模型。对于对称结构，考虑两个正交的水平地震动分量沿房屋的纵、横轴方向同时作用时，结构虽作双向平移振动，但纵向振动和横向振动相互独立，不存在振动祸联的情况，连房屋的纵向自振振型与房屋的横向自振振型也是互不相关，各自独立。所以，进行对称结构地震反应分析时，不论是单向地震动输入还是双向地震动输入，结构振动模型均可采用“串联质点系”模型。一！一一，？。，。一，：一，广，图串联质点模型和串联刚片模型若刚性楼盖高层建筑是非对称结构，由于刚心偏离质心，即使在单向水平地震作用下，结构发生平移振动的同时，还会发生扭转振动。这是因为，地震使建第二章隔震支座及隔震结构分析模型筑各部位质量所产生的惯性力的合力，是通过质量中心的，而结构各竖向构件因侧移而产生的恢复力的合力，是通过刚度中心的。这一对力，因离开一段距离而形成水平力矩，使结构产生扭转振动。所以，每层楼盖除了一个平移未知量以外，还有一个水平转角未知量。所以，“串联质点系”不适合作为非对称结构抗震分析的振动模型。只有具备一定平面尺寸和转动惯量的刚片，才能充分描述非对称结构中刚性楼盖的振动状态和特征。所以，进行非对称结构地震反应分析时，应该采用“串联刚片系”作为结构的振动模型。即每层楼盖用一块水平刚片来代表，串联刚片系的刚片数，等于建筑的总层数【】。第三章平扭耦联隔震结构振动台试验第三章平扭耦联隔震结构振动台试验试验目的和内容试验目的目前隔震建筑已有很多的实际工程应用，我国规范也有相关内容，但仅适用于规则结构，对存在质量偏心的结构研究尚不成熟，进行这方面的研究很有必要。本试验主要目的是研究上部结构偏心及改变隔震层刚度偏心对偏心隔震结构扭转反应的影响，研究进一步降低偏心隔震结构扭转反应的途径。试验内容对一个三层两跨钢框架，通过调整上部结构负重块位置实现不同偏心工况，研究各工况下上部结构扭转反应，通过改变下部隔震垫位置，实现不同隔震层刚度偏心，研究下部刚度偏心对上部结构扭转反应的影响。具体研究内容有：）输入白噪声，测定结构的动力性能参数；）上部结构不偏心时隔震、不隔震结构地震响应对比试验；）上部结构小偏心时隔震、不隔震结构地震响应对比试验；）上部结构大偏心时隔震、不隔震结构地震响应对比试验；）上部结构不偏心，隔震垫不同偏心时结构地震响应对比试验；）上部结构小偏心，隔震垫不同偏心时结构地震响应对比试验；）上部结构大偏心，隔震垫不同偏心时结构地震响应对比试验。对上述各种工况，分别输入波、波、波进行地震模拟振动台试验，用加速度传感器和激光位移传感器对结构地震加速度和位移反应进行记录，同时对试验整个过程录像，观察试验现象。试验模型及隔震装置振动台试验在广州大学抗震中心进行，振动台台面尺寸，振动方向三向六自由度，工作频率一，最大加速度、方向空载，标准负荷，方向对应为士和士，最大速度、方向空载，第三章平扭耦联隔震结构振动台试验标准负荷士，方向对应为和士，最大位移、方向，方向，标准负荷（偏心弯矩），最大负荷，标准试验模型重。隔震支座采用直径的铅芯橡胶支座（），所用橡胶垫性能参数包括水平等效刚度镧，等效阻尼比，二次刚度，屈服荷载。上部结构模型如图所示，框架平面尺寸，层高，共三层，总高。框架为各种型钢，钢材均为钢，角柱，中柱，中间层梁【，底层和顶层梁【。每层均放置混凝土负重块，包括基本负重和附加负重，厚度均为。击南由一一一瞳矗啭惑舂：删传黯三自力情感辱试验地震波设计嗣鼢，毒刘啜够侍黯三囱力铸岛嚣图上部结构模型本试验选用（，）波、（）波和天津（）波。地震波有两个参数须选取：地震波的压缩：。由于波、波的特征周期为，压缩后为，而隔震结构约为，这样就远离了地震波特征周期。各工况地震波峰值加速度：取。模型总质量为，模型自振周期放大倍后为。初步估算隔震时的模型整体加速度，才能使各隔震垫进入第习度，否则模型不隔震。第三章平扭耦联隔震结构振动台试验因为单自由度波在阻尼比为、自振周期为时的加速度比约为，故台面最大加速度应满足口窖一。按上述调整后的三种波时程曲线如图图所示。（）图波时程曲线“）图波时程曲线（）图波时程曲线为反映上述三种波调整后的频率特性，对上述三种波时程进行快速变换（），所得频谱如图一图所示。第三章平扭耦联隔震结构振动台试验趔霉图波频谱图波频谱由频谱可知，波与波基频比较接近，而天津波相对较小，即天津波基本周期较长。由基本频率计算可得压缩后三种波基本周期分别为、和。掣擘第三章平扭耦联隔震结构振动台试验试验方案试验传感器布置本试验共有三种类型的传感器：加速度传感器、激光位移传感器和三向力传感器。加速度传感器为丹麦产型，激光位移传感器为日本产型高精度激光位移传感器，力传感器为日本藤田技术研究所研制开发。传感器布置位置情况为：加速度传感器：每层个，位置为每层两个对角点处，每点、方向布置。振动台面相应位置个，共计个。三向力传感器：布置于每根柱下端，共个。激光位移传感器：布置于每层的两个对角点处，其中二层的一个角点不布置，共计个，测试方向为方向。暖、图结构平面尺寸各测点及传感器布置情况见表表。表加速度传感器布置第三章平扭耦联隔震结构振动台试验试验各传感器布置情况如图一图所示。驴加速度传蒜辱：一一一激光位移降喀墨三向力传摩墨图隔震层传感器平面布置：加逢魔侍意嚣激光位移传癌垂图其余层传感器平面布置速度点与点加速度传癣墨均为双向布第三章平扭耦联隔震结构振动台试验试验工况工工。，工匕一匕工图传感器立面布置按照附加负重块不同的布置方案，试验负重工况共分三种，分别为不偏心，小偏心和大偏心，偏心距依次为：，。具体布置方案如图。负重工况负重工况负重工况图负重工况示意按照中间两个隔震垫位置的不同，隔震层的布置方案分为三种，包括工况隔震垫在中间柱下，工况隔震垫小偏，工况隔震垫大偏，偏移位置要通过计算确定，分别为，。隔震垫布置工况如图。第三章平扭耦联隔震结构振动台试验隔震垫工况隔震垫工况隔震垫工况图隔震垫布置示意按照上部结构负重块不同的布置方案以及隔震层不同的布置方式，共设计了种工况的试验，其中包括了作为对比试验的不隔震工况，试验工况见表。表试验工况编号隔震垫工况上部负重工况负重工况不隔震负重工况负重工况负重工况隔震工况负重工况负重工况负重工况隔震工况负重工况负重工况负重工况隔震工况负重工况负重工况第四章试验结果分析动力特性第四章试验结果分析为研究隔震前后结构动力特性的差异，试验前首先对结构进行无隔震及隔震工况下的白噪声扫描，将扫描结果通过变换得到无隔震及隔震时结构频谱，一一一一一一一一一一一一一一一一一一。丌，一频率（）（）不隔震向频谱（）隔震向频谱图白噪声下隔震及无隔震结构频谱从以上两图可得出，无隔震时结构基本频率为，隔震时基本频率为，无隔震与隔震时结构基本频率比值为，即隔震结构基本周期为无隔震结构的倍以上，可以起到很好的隔震效果。隔震结构与无隔震结构地震反应对比分析基础隔震在规则结构中的应用已很普遍，已有研究和实践证明采取隔震措施后结构地震反应明显降低，上部结构在强震作用下基本保持弹性，损伤较小。由于实际结构大多存在不同程度的偏心，偏心结构加设隔震装置后的地震反应以及相对传统结构地震反应降低程度的研究很有必要。以下将对偏心结构有无隔震时的地震反应进行对比，包括平动反应和扭转反应。第四章试验结果分析无隔震结构扭转反应研究传统偏心结构在水平地震作用下的扭转效应是很值得关注的问题，为明确偏心结构在地震作用下扭转效应的大小，以下给出波输入时不同偏心距单向偏心结构的扭转角加速度和角位移最大值对比。表无隔震各工况下结构各层角加速度对比（单位）由以上两表可知，对于存在偏心的无隔震结构，结构的扭转反应不容忽略，并且随着结构偏心距的增大，扭转反应不断增大。不加设隔震装置时偏心结构的扭转效应较为严重。隔震结构与无隔震结构平动反应对比对于规则结构，隔震后上部结构地震反应的降低很明显，对于存在偏心的结构，由于平动扭转存在耦联效应，加设隔震装置相对不加隔震装置的结构其平动反应的降低情况以及偏心隔震结构相对不存在偏心隔震结构平动反应的相对大小都有必要进行研究。以下给出波输入下隔震与无隔震结构各层向加速度、位移最大值对比。第四章试验结果分析加速度（￥）加速度（）图波下不偏心结构向加速度图波下小偏心结构向加速度加速度（）位移）图波下大偏心结构向加速度图波下不偏心结构向位移第四章试验结果分析位移（）图禾廿。波下小偏心结构向位移位移（）图仃。波下大偏心结构向位移由图、图、图的对比可以看出，隔震后上部结构各层加速度最大值显著降低，隔震层以上各层加速度变化并不明显，比较均匀，而无隔震结构随楼层增高平动加速度被不断放大。上部结构不偏心、小偏心和大偏心时平动加速度变化规律基本相同，并且加速度最大值数值也很接近，即隔震后偏心大小对上部结构平动加速度的影响并不显著。隔震后上部结构一至三层平动加速度依次约为无隔震结构的、和。从图、图、图的对比可以看出，无隔震时上部结构绝对侧移随楼层增高不断增大，隔震后结构变形主要集中在隔震层，隔震层有较大位移，上部各层绝对位移差别不大，运动形式类似刚体运动。同样，偏心大小对平动位移的影响较小。隔震结构与无隔震结构扭转反应对比偏心结构加设隔震装置的目的不只是降低上部结构的平动地震反应，更主要的是降低其扭转反应。以下将从结构最大扭转角加速度和扭转角位移两方面对有无隔震装置的偏心结构扭转地震反应进行对比研究。以臼。波作用下结构响应为例，以下分别给出不同偏心工况时结构各层最大扭转角加速度及扭转角位移的对比研究。第四章试验结果分析角加速度（旧）图波下小偏心结构扭转加速度角加速度（）图波下大偏心结构扭转加速度图波下小偏心结构扭转角图波下大偏心结构扭转角可以看出，对于偏心结构，无隔震时上部结构扭转加速度随着楼层的增高几乎直线上升，扭转加速度增幅也较大，并且各层加速度数值也很大，小偏心结构顶层扭转加速度达，大偏心结构顶层达，而隔震后小偏心结构最大扭转角加速度为，大偏心为，隔震效果非常明显。小偏心结构隔震后一至三层扭转加速度分别约为无隔震时的、，大偏心第四章试验结果分析结构约为、。同时，隔震后上部加速度变化不是很大，比较平缓。偏心结构扭转角位移的变化情况为，加隔震装置后各层扭转角位移绝对值较无隔震有所增大，但变形主要集中于隔震层，上部各层层间相对位移很小。与平动加速度、位移的情况类似，隔震后偏心结构的扭转角加速度及扭转角位移都显著降低，并且变形集中在隔震层，上部各层加速度、位移变化较小，分布均匀。为直观反映有无隔震时偏心结构上部各层整个加速度时程内扭转反应的对比情况，图和图分别为小偏心结构中间层隔震与无隔震时加速度时程曲线。遑可墨越）图无隔震波下小偏心结构中间层扭转角加速度时程刁严一一一一一暑）图隔震波下小偏心结构中间层扭转角加速度时程从以上两图可直观看出，隔震后偏心结构上部扭转角加速度明显降低，加隔震装置对减轻偏心结构扭转响应作用非常明显。隔震层刚度偏心的影响对偏心结构加设隔震装置后相对于传统结构的地震反应规律的研究表明，采趋口）第四章试验结果分析取隔震措施可显著降低偏心结构的平动及扭转地震反应。以上研究都是针对隔震层无偏心的情况，本节将对改变隔震垫布置方案，即改变隔震层刚度中心的位置时，上部不同偏心工况下结构的地震反应规律进行研究。隔震层刚度偏心对小偏，结构的影响各种地震波下隔震垫不同偏心工况时结构扭转加速度时程对比为直观反映隔震垫小偏置对小偏心隔震结构隔震层扭转加速度反应的影响，图图分别给出不同地震波下各工况结构加速度时程曲线。唁邑遥型葛艘啦罨图波下小偏心结构隔震层扭转角加速度时程图波下隔震垫小偏置上部小偏心结构隔震层扭转角加速度时程第四章试验结果分析名榭角。蓐摆馨誊量簧藿誊铒）图波下小偏心结构隔震层扭转角加速度时程叶“一一一一）图波下隔震垫小偏置上部小偏心结构隔震层扭转角加速度时程图禾波下小偏心结构隔震层扭转角加速度时程与：毒邑趟制蠢援孛羁第四章试验结果分析嚣点腰浆国曩旬）图波下隔震垫小偏置上部小偏心结构隔震层扭转角加速度时程由以上各图可以看出，波、波和波输入下结构响应的规律基本一致，即移动下部隔震垫位置，使隔震层刚度中心与上部结构质量中心接近可显著降低上部结构扭转反应，说明这一规律不受地震波不同的影响。各种地震波下隔震垫不同工况时结构扭转角时程对比图一图给出上部结构小偏心时隔震层不偏心及小偏心时上部结构中间层的层间相对转角时程曲线。）图波下小偏心结构中间层扭转角时程量誉援篓墨量蕊罂鲞蜃菖嚣趟艘馨罡基隧第四章试验结果分析。页一八、训艄嫩似批钟渺一图波下隔震垫小偏置上部小偏心结构中间层扭转角时程）图波下小偏心结构中间层扭转角时程图波下隔震垫小偏置上部小偏心结构中间层扭转角时程第四章试验结果分析图波下小偏心结构中间层扭转角时程图波下隔震垫小偏置上部小偏心结构中间层扭转角时程可以看出，与扭转角加速度情况类似，移动隔震垫使其刚心与上部结构质心位置接近可显著降低偏心隔震结构上部各层层间转角。各种地震波下隔震垫不同工况时结构扭转反应峰值对比为直观反映移动隔震垫与否对上部结构各层扭转反应的影响，图一图给出结构各层扭转角加速度、扭转角位移峰值。第四章试验结果分析扭转加速度（）扭转加速度（，）图仃。波下小偏心结构加速度峰值图波下小偏心结构加速度峰值扭转加速度暗）扭转角（矿图波下小偏心结构加速度峰值图仃。波下小偏心结构扭转角峰值第四章试验结果分析扭转角（憎），。图波下小偏心结构扭转角峰值扭转角（刚）图波下小偏心结构扭转角峰值可以看出，各种地震波下移动隔震垫与否对偏心隔震结构扭转反应的影响有着类似的规律，移动隔震垫后结构各层加速度峰值大幅降低。相比较而言，前两种波下加速度峰值降低量低于第三种波的情况。各层扭转角位移峰值的变化规律与扭转角加速度变化规律相同。隔震层刚度偏心对大偏心结构的影响各种地震波下隔震层不同偏心工况时结构扭转加速度时程对比与小偏心结构分析方式相同，图一图首先给出隔震垫移动前后大偏心结构扭转加速度时程变化曲线，对比整个时程内两种隔震层工况结构扭转反应的大小。依次输入一波、波和天津波，对比不同地震波的影响。船）图波下大偏心结构隔震层扭转角加速度时程第四