负刚度作业.ppt

1、负刚度基于负刚度原理的结构隔震效果分析,张小雪,一、负刚度问题的提出,刚度k 的一般定义是弹性元件所承受的载荷p对它引起的变 形 的变化率, 即 当载荷随变形增加而增加时, 刚度为正; 载荷不因变形增加而变化时, 刚度为零; 载荷随变形增加反而减少时, 则刚度为负。 大多数钢筋混凝土结构在达到 最大承载能力后存在下降阶段。 在静力弹塑性分析中, 当结构 出现塑性变形, 达到最大承载 力后结构力位移曲线进入下降 段。在曲线的顶点或下降段, 结构的刚度为零或负刚度。,二、研究负刚度问题的意义,结构峰值后的强度储备以及变形能力对于分析结构抗倒塌能力上至关重要，如结构在爆炸冲击作用是否倒塌，多数情况下

2、取决于结构的负刚度阶段结构的变形能力和残余承载能力。 简单的负刚度结构的刚度特性可以采用理论分析获得结构刚度的解析公式, 但对于形状复杂的工程结构来说要准确获得其刚度难度较大，有限元软件也只能分析上升段, 不能进行下降段负刚度问题的分析。 对研究确定结构真实的极限承载能力有意义，结构承载力达到峰值，结构并不一定会破坏，还有多大的残余承载力以及结构的破坏形式我们不知，所以研究真实的承载力具有重要意义。,三、基于负刚度原理的结构隔震效果,大地震造成了大量的人员伤亡和工程结构破坏，引起了巨大的经济损失,强烈的地表运动和变形是引起破坏的根本原因，如何在未来地震中保证工程结构的安全以有效避免人员伤亡和巨

3、大的经济损失,首先是对新建及恢复重建工程采取必要的抗震或减震措施、如比较成熟的建筑减隔震技术等，达到大震不倒、大震不破坏甚或大震条件下基本完好以确保生命财产安全的目标。 实际上，早在1960年代中后期，新西兰、日本、美国等国家就已经对建筑隔震技术开展了系统的理论和试验研究，并取得了较好的成果。我国于1960年代开始建筑基础隔震理论及应用技术的探索研究，80年代后期获得重视，90年代以后取得长足进步并在许多重要工程中获得应用。2001年隔震减震技术写入我国建筑抗震设计规范GB50011-2001，标志着隔震技术的成熟。,基础隔震技术对长周期结构效果较差, 其原因在于隔震主要是通过延长自振周期和增

4、加阻尼来实现,为使隔震效果明显(比如降低1 度) ,结构自振周期需延长2 倍以上,这对长周期结构隔震层实现起来比较困难, 在罕遇地震情况下隔震层位移可能很大。因此,如何有效延长隔震结构周期、显著增加阻尼,同时又能控制隔震层位移是长周期结构隔震的关键问题。基于负刚度阻尼装置(NSD) 的橡胶支座隔震系统,是解决这些问题的有效途径之一。 四、负刚度基本原理 刚度k 为结构所承受的荷载增量d F 和变形增量d x 之比, 即k = d F/ d x. 当荷载增量和变形增量方向相同时, k 为正值, 即通常说的正刚度;反之, k 为负值, 即本文所提的负刚度, 若同时还具有较高阻尼,则称之为负刚度阻尼

5、装置.在正刚度弹簧平衡位置处并联负刚度弹簧,使隔震系统的荷载2位移曲线在平衡位置附近出现非线性特性. 如图1所示,并联负刚度的A B 段刚度k AB = kp + kn ,其中kp 为隔震支座刚度, kn 为NSD 装置负刚度. 若kp kn , kAB 0 , 则结构自振频率趋向于零,但系统承载力并没有降低. 这样就可以使隔震系统具有较高承载力的同时, 获得尽可能低的动刚度,实现长周期结构隔震.,五、目前的研究结果,负刚度阻尼装置的加入可降低隔震系统刚度,显著增加隔震层阻尼比,降低结构动力系数，对单自由度负刚度阻尼隔震体系的地震反应的分析说明,基于负刚度阻尼装置的加入可更有效降低结构反应,对层间位移和柱底剪力的降低更明显