橡膠隔震支座力學(xué)性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究

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1、北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文橡膠隔震支座力學(xué)性能及隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究姓名：劉文光申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程指導(dǎo)教師：霍達(dá);閆維明2003.4.1北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文度應(yīng)力應(yīng)變模型，用于評(píng)價(jià)橡膠隔震支座在非線性拉伸變形領(lǐng)域的力學(xué)特性。根據(jù)新提出的剛度和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算模型，建立了單純拉伸和剪切變形狀態(tài)下橡膠隔震支座拉伸的變形計(jì)算理論。在壓縮特性和拉伸特性相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，研究了橡膠隔震支座零剪切應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度特性，同時(shí)還提出了剪切應(yīng)變狀態(tài)下的非線性回轉(zhuǎn)剛度計(jì)算式。基于Haringx彈性體理論，將剪切應(yīng)變特性相關(guān)的非線性回轉(zhuǎn)剛度引入了橡膠隔震支座壓縮、回轉(zhuǎn)和剪切共同作

2、用的計(jì)算模型。橡膠隔震支座應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究最后探討了豎向壓縮界限、豎向拉伸界限和屈曲特性等理論和試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。針對(duì)上述新提出的橡膠隔震支座應(yīng)用基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)地進(jìn)行了壓縮特性、拉伸特性、剪切特性、回轉(zhuǎn)特性和屈曲特性等力學(xué)性能研究。壓縮剛度特性試驗(yàn)采用了12個(gè)大直徑的試驗(yàn)體完成了壓縮剛度因子、原點(diǎn)壓縮剛度、純壓縮變形等試驗(yàn)研究；偏壓豎向剛度試驗(yàn)采用4個(gè)試驗(yàn)體測(cè)定了隔震支座的偏壓豎向剛度、壓縮剪切狀態(tài)的豎向變形等特性；拉伸剛度和變形試驗(yàn)采用2個(gè)試驗(yàn)體系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了提出的原點(diǎn)拉伸剛度、偏拉豎向剛度、雙剛度應(yīng)力應(yīng)變模型和原點(diǎn)拉伸剛度應(yīng)力應(yīng)變模型等特性，并將試驗(yàn)得到的剛度和變形數(shù)值與計(jì)算結(jié)

3、果進(jìn)行了比較分析，結(jié)果顯示實(shí)測(cè)值和計(jì)算值一致性較理想?；剞D(zhuǎn)剛度特性試驗(yàn)研究分無(wú)剪切應(yīng)變的壓縮回轉(zhuǎn)剛度特性試驗(yàn)研究和剪切變形狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)剛度特性試驗(yàn)研究，無(wú)剪切應(yīng)變的壓縮回轉(zhuǎn)剛度特性試驗(yàn)結(jié)果顯示本論文提出的拉伸剛度和拉伸體積彈性模量等概念和取值是合適的。針對(duì)非基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)體系隔震支座可能存在回轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，完成了變動(dòng)豎向壓力和變動(dòng)回轉(zhuǎn)角狀態(tài)下橡膠隔震支座水平有效剛度和阻尼等特性隨剪切變形的變化規(guī)律，給出了隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析時(shí)隔震支座剛度和阻尼等力學(xué)特性的取值范圍。隔震技術(shù)在高層、超高層隔震結(jié)構(gòu)體系、以及塔型隔震結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用是近年的發(fā)展方向。本論文完成了高寬比5．0的大高寬比基礎(chǔ)

4、隔震結(jié)構(gòu)模型的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，隔震層采用純鉛芯橡膠隔震支座、中彈性天然橡膠隔震支座加油阻尼器、低彈性天然橡膠隔震支座加油阻尼器等三種類型。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明：大高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系仍具有良好的隔震效果，相對(duì)于輸入地震波最大加速度輸入，上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)放大現(xiàn)象不明顯；在水平向地震波作用下，在規(guī)范規(guī)定的最大輸入加速度作用下隔震層不會(huì)進(jìn)入拉伸應(yīng)力狀態(tài)：試驗(yàn)觀測(cè)到隔震層的變形、上部結(jié)構(gòu)的最大加速度反應(yīng)隨輸入加速度的增加近似呈線性規(guī)律變化：與小高寬比隔震結(jié)構(gòu)相比，大高寬比隔震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的層剪力系數(shù)呈非線性增加趨勢(shì)。在大高寬比隔震結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于提出的橡膠隔震支座偏

5、壓豎向剛度建立了大高寬比隔震結(jié)構(gòu)剪切加回轉(zhuǎn)的多質(zhì)點(diǎn)體系計(jì)算模型。這種計(jì)算模型的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度是根據(jù)橡膠隔震支座的豎向剛度建立的，并能夠考慮剪切變形的增加對(duì)豎向剛度的影響特性，即隔震層轉(zhuǎn)動(dòng)剛度是按偏壓豎向剛度建立的。利用新建立的計(jì)算模型，采用時(shí)程分析法對(duì)大高寬比隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，計(jì)算得摘要到的最大加速度反應(yīng)、隔震層最大位移反應(yīng)、上部結(jié)構(gòu)層間變形和層剪力系數(shù)等與振動(dòng)臺(tái)實(shí)測(cè)結(jié)果取得了良好的一致性。這種計(jì)算模型不僅適合單純采用鉛芯橡膠隔震支座作為隔震層的大高寬比隔震結(jié)構(gòu)，同時(shí)也適用于天然橡膠隔震支座和阻尼器組合隔震層的隔震結(jié)構(gòu)體系。本論文不僅提出了適用于時(shí)程分析法的多質(zhì)點(diǎn)體系計(jì)

6、算模型，同時(shí)還提出了分析大高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系的單質(zhì)點(diǎn)、2質(zhì)點(diǎn)和3質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，用于分析隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。提出的簡(jiǎn)化計(jì)算模型適合于各種高寬比隔震結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)分析。由于單質(zhì)點(diǎn)、2質(zhì)點(diǎn)和3質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算模型屬于剪切型計(jì)算模型，本論文定義了高寬比影響系數(shù)的概念，并通過(guò)高寬比影響系數(shù)來(lái)修正隔震結(jié)構(gòu)的層剪力系數(shù)，提高簡(jiǎn)化計(jì)算模型具有較理想的計(jì)算精度，使其具有了在實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用的可行性?；诟粽鸾Y(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，提出了最大加速度反應(yīng)、隔震層最大位移反應(yīng)、層剪力系數(shù)和層間變形等分析預(yù)測(cè)理論。本論文最后應(yīng)用提出的多質(zhì)點(diǎn)體系剪切加轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算模型完成了一棟上部結(jié)構(gòu)22層

7、、高寬比為5．01的大高寬比高層隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果顯示隔震效果良好。此外，針對(duì)同一工程，利用建立的單質(zhì)點(diǎn)、2質(zhì)點(diǎn)和3質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算模型采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，經(jīng)高寬比影響系數(shù)修正后的計(jì)算結(jié)果和時(shí)程分析法計(jì)算得到的結(jié)果吻合，說(shuō)明基于簡(jiǎn)化剪切計(jì)算模型得到的地震反應(yīng)分析結(jié)果具有足夠的解析精度。鑒于簡(jiǎn)化計(jì)算模型僅為單質(zhì)點(diǎn)、2質(zhì)點(diǎn)或3質(zhì)點(diǎn)體系，其計(jì)算量相當(dāng)小，并且計(jì)算方法屬于規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法，僅通過(guò)高寬比修正系數(shù)修正層剪力系數(shù)，因此簡(jiǎn)化計(jì)算方法是一種適合工程設(shè)計(jì)人員使用的方