基础隔震-外挂墙板减震钢筋混凝土框架振动台试验研究

该文提出一种新型的基础隔震-外挂墙板减震混合控制结构(简称“隔震-减震结构”)。该结构采用铅芯橡胶隔震支座作为基础隔震装置,上部结构则采用外挂墙板与U型金属消能器联合构成减震系统。通过减震与隔震混合控制,实现主体结构和围护墙体在罕遇地震下不发生损伤,可用于对韧性性能要求较高的生命线工程中。为对比研究隔震-减震结构与传统隔震结构的抗震性能,设计制作了一个在两方向上完全一致的1/2缩尺基础隔震钢筋混凝土框架结构,并在Y方向附加外挂墙板和U型金属消能器,形成隔震-减震结构,X方向不含外挂墙板,为隔震结构。分别在两个方向输入单向地震动进行振动台试验,试验结果表明:相比隔震结构,隔震-减震结构能进一步降低结构在设防和罕遇地震下的位移响应;隔震-减震结构在罕遇地震下最大层间位移角小于或接近钢筋混凝土框架结构弹性层间位移角限值,主体结构保持弹性,外挂墙板未出现损伤,可以实现预期的性能目标。

水平初位移下基础隔震结构现场动力特性测试

应用被动控制技术建成的隔震建筑,其隔震性能缺乏检测手段,因此进行隔震结构动力特性的现场测试具有重要意义。现场测试1栋4层基础隔震幼儿园,展示了试验装置、方法及所得结果,将结果与同条件下非隔震结构模型进行对比分析,探究实际隔震结构动力响应规律及减震效果。用液压千斤顶将建筑物推开使隔震层产生98 mm(对应LNR500剪应变102%)水平初位移,安装混凝土顶杆支撑建筑物;利用炸药将顶杆爆破卸载使建筑物做自由振动;最后测试和分析其动力响应等参数。分析结果表明:水平初位移条件下,隔震结构的一阶自振周期比非隔震结构显著延长,阻尼比增大;隔震层滞回曲线饱满;各楼层动力响应控制效果明显,但观察到屋顶层相比底层加速度略有放大;卸载后隔震层瞬间复位,表明隔震层具有瞬间复位特性。

混合基础隔震体系优化设计及性能

为解决基础隔震结构中隔震层位移需求过大的问题,提出了一种基础隔震结构(Base Isolated Structure,BIS)+串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Damper-Inerter, TTMDI)的混合隔震体系。采用Bouc-Wen滞回模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,基于随机等效线性化和模式搜索优化算法并考虑地震动模型,在频域内建立了BIS+TTMDI体系的优化设计框架。分别从鲁棒性、有效性、刚度和阻尼系数、冲程及对地震频率敏感性方面对BIS+TTMDI体系的性能进行评估,并与BIS+调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)、串并联调谐质量阻尼器(TunedTandemMassDamper,TTMD)和调谐质量阻尼器惯容器(TunedMass Damper-Inerter, TMDI)进行比较。通过对近场地震动下某七层混合基础隔震结构(包括BIS+TTMDI和BIS+TMDI体系)的动力弹塑性分析,评价了其减/隔震性能。结果表明:BIS+TTMDI体系具有最好的减/隔震性能和强鲁棒性;而且在BIS+TTMDI体系中TTMDI的总阻尼需求不到BIS+TMDI体系中TMDI的一半,因而更为经济实用。

基础隔震结构附加变化型调谐质量惯容阻尼器的优化设计研究

在强震作用下基础隔震结构的隔震层将发生非常大的水平变形。已有研究表明采用在基础隔震结构的隔震层附加变化型调谐质量阻尼器(VTMD)的混合控制策略能够有效降低隔震层的水平变形需求,然而该混合控制策略最大的缺陷在于需要很大的调谐质量。考虑到惯容装置具有明显的质量放大效应,本文提出将惯容装置(Inerter)与VTMD中的阻尼器并联,从而形成具有较小调谐质量的变化型调谐质量惯容阻尼器(VTMDI),并将其附加在基础隔震结构的隔震层,基于随机振动的分析框架开展了VTMDI参数的优化设计研究。研究表明直接将基础隔震结构的上部结构层间变形作为优化目标的传统优化策略并不经济有效。为此,本文提出了一种基于两步优化法的优化策略,该优化策略首先确保附加VTMDI的基础隔震结构相对于附加相同阻尼的基础隔震结构具有更优的控制效果;然后确保附加VTMDI的基础隔震结构的上部结构层间变形最小。通过动力时程分析结果表明:两种优化策略都能有效降低隔震层的水平变形和上部结构的层间变形,同时不会导致调谐质量出现过大的运动行程,基于两步优化法的优化策略更为经济有效。

双向恢复力模型对基础隔震建筑风振响应的影响

为明确MSS、Casciati和Harvey and Gavin这3种常用双向恢复力模型计算基础隔震建筑风振响应的差异,采用3种模型模拟铅芯橡胶支座在水平单向和双向位移下的恢复力,对比试验或有限元结果的差异,采用3种模型对一算例在双向风荷载下隔震层位移、顶点位移和顶点加速度3个指标的差异进行了分析。研究表明:3种模型模拟铅芯橡胶支座在单向循环位移、方形和偏置方形位移下恢复力的趋势基本一致;而模拟圆形和偏置圆形位移时,MSS模型双向恢复力形状与有限元结果不同,不能较为准确地模拟支座双向耦合行为,Casciati模型误差稍小于Harvey and Gavin模型。Casciati模型和Harvey and Gavin模型计算风振响应基本一致;对于横风向响应均方根,3种模型差距不大;对于顺风向隔震层位移、顶点位移和顶点加速度均方根,MSS模型稍小,而对于顺、横风向隔震层位移峰值因子,MSS模型稍大;对于顺、横风向顶点加速度峰值因子和双向与单向模型顶点加速度最值比值随风速变化规律,MSS模型与其他模型差异较大。基于双向耦合效应模拟及风振响应指标的差异,建议采用Casciati模型考虑双向恢复力模型对基础隔震建筑风振响应的影响。

高烈度区快速施工跨线桥基础隔震性能研究

为适应高烈度区跨线桥快速施工的需要,提出基础隔震跨线桥的设计理念。以某2×25m高速公路跨线桥为工程背景,将铅芯橡胶支座作为基础隔震装置进行研究。采用Midas/Civil建立桥梁动力分析模型,选取7条时程曲线作为地震动输入,对跨线桥进行顺桥向和横桥向时程分析,对比采用基础隔震体系前后跨线桥抗震性能的变化,并分析弹性挡块对跨线桥地震位移的控制效果。结果表明:基础隔震跨线桥将主梁与中墩作为整体预制安装,最大限度地减少了现场作业时间,理论上可作为跨线桥快速施工的一种方式;相比于常规结构体系,基础隔震体系既能降低中墩地震内力,又能减小梁端支座位移,可显著提升跨线桥在顺桥向和横桥向的抗震性能;弹性挡块可有效控制基础隔震跨线桥的地震位移,但使得桥墩的地震内力明显增大,设计时应注意二者的平衡,合理选择弹性挡块的力学参数。

高烈度地区高层基础隔震结构模型振动台试验研究

高层基础隔震结构在我国高烈度地区城市应用前景广阔,开展此类型结构地震反应研究十分必要。以一幢典型办公楼为原型,开展1/15缩尺地震模拟振动台试验,通过不同地震波输入,获得模型结构的动力特性、绝对加速度响应、层间位移响应及隔震层响应等参数,并对结构高层部分特殊的突变放大现象进行分析。结果表明:高层基础隔震结构总体具有良好的耗能能力及减震性能;结构可能存在由于高层部分自振频率与整体结构某高阶频率相同而产生的高阶效应,同时高阶效应可能由于结构高层部分自振频率与场地卓越频率相近而愈发强烈;高阶效应使得隔震层上部结构突变处在罕遇地震作用下超越弹塑性层间位移角,同时加剧提离摇摆效应,带动隔震支座受拉超限,需采取振动控制措施以抑制高阶效应。

非基岩场地基础隔震核岛厂房抗震性能分析

为了研究非基岩场地条件下基础隔震核电工程结构的抗震性能,本文依据外源波动理论提出了考虑土-结构相互作用效应的基础隔震核电工程结构抗震分析方法,该方法实现了地震动的高精度输入以及整体系统的直接求解,通过与传统封闭体系振动法计算结果的对比验证了其有效性。建立了基础隔震核岛厂房-地基整体有限元模型,开展了核岛厂房地震响应分析,讨论了不同剪切波速场地条件下核岛厂房的基础隔震性能。研究结果表明:非基岩场地条件下基础隔震核岛厂房表现出良好的隔震效果;随着场地剪切波速的降低,基础隔震的隔震能力逐渐下降,与剪切波速为1067 m/s的场地相比,当场地的剪切波速为305 m/s时,核岛厂房结构顶部的楼层反应谱、加速度放大系数和层间位移角的隔震率分别减小了14.30%、13.50%和23.41%。为了保证核电工程结构的安全性,在基础隔震设计中应充分考虑非基岩场地条件下的SSI效应。

超大地震作用下基于直接设计法的基础隔震结构抗震性能分析——以2023年土耳其地震为例

2023年2月6日土耳其发生了7.8级地震,其破坏力远超一般地震,造成了大量建筑物发生严重破坏甚至倒塌。通过对部分台站地震记录所进行的反应谱分析初步表明,该次土耳其地震的强度远远超出了目前中国抗震规范所规定的最高设防标准。因此,基于中国规范设计的基础隔震结构在该次土耳其地震作用下能否保持良好的抗震性能亟待研究。基于以上分析,该文选取采用了铅芯橡胶隔震支座的6层、8层和10层基础隔震结构为研究对象,将各结构简化为集中质量的多自由度串联模型,并使用《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408-2021)提出的直接设计法进行了结构设计。以土耳其地震的部分台站记录作为输入激励,同时作为对比选择了22条规范9度罕遇等级的普通远场地震开展了广泛的参数研究。研究结果表明:基于中国抗震规范最高设防等级的基础隔震结构在规范9度罕遇地震作用下,结构的安全性和正常使用功能能够得到有效保证;在该次土耳其地震作用下,有相当部分情况的基础隔震结构会发生严重破坏甚至倒塌,结构变形和楼层加速度响应远超一般的常规地震;增大隔震系统周期能够有效降低上部结构变形、楼层加速度和隔震层变形;增大隔震系统屈重比虽然可以在一定程度上控制上部结构变形和隔震层变形,但是对于楼层加速度的控制是不利的。

多塔大底盘层间隔震与基础隔震高层建筑抗震韧性对比

建设层间隔震地铁上盖建筑已成为高烈度地区实现以公共交通为导向建设集约紧凑型城市的重要手段,同时面对韧性城市的建设需求,提升该类建筑的抗震韧性已成为土木领域研究热点。该类建筑中大底盘对隔震结构地震响应和抗震韧性的影响,塔楼与大底盘抗震韧性的差异性、两者对建筑整体抗震韧性的影响等关键问题有待研究。屈重比作为隔震结构设计关键指标,其对多塔大底盘层间隔震建筑的抗震韧性的影响规律有待明确。该文以5个屈重比取值分别设计了多塔大底盘层间隔震案例和基础隔震案例,开展了弹塑性时程分析和抗震韧性评价。结果表明:大底盘对层间隔震建筑的地震响应存在放大效应,进而导致层间隔震建筑韧性等级低于基础隔震建筑。塔楼和大底盘的修复费用和时间构成存在差异,塔楼的修复费用和时间由加速度敏感型非结构构件引起,而大底盘的修复费用和时间由结构构件和加速度敏感型非结构构件共同引起。多塔大底盘层间隔震建筑的整体韧性等级随屈重比降低而提升,但屈重比对塔楼和大底盘的抗震韧性影响规律存在差异,塔楼的修复时间和费用随屈重比的降低逐渐减小,而大底盘的修复时间和费用随屈重比的降低无明显变化。

设置负刚度装置的基础隔震结构动力特性和地震响应研究

在基础隔震结构的隔震层设置负刚度装置可调节结构动力特性及抗震性能。针对隔震层设置预压弹簧导致的非线性问题,首先采用泰勒级数展开对力-位移关系进行线性拟合,并对比研究设置预压弹簧纯负刚度元件(PNS)和阻尼负刚度装置(NSD)的基础隔震结构频域响应特性。进一步,利用小波分析对实际近断层地震激励进行时频分析,并采用解析模式分解方法将地震动分解为高频和低频成分,并分别计算高频地震波和低频地震波作用下设置PNS和NSD对基础隔震结构地震响应的影响。结果表明,与未设置负刚度装置的基础隔震结构相比,设置PNS会使得高频激励下的位移和加速度响应减小,但是低频激励下的位移和加速度响应会增大;而设置NSD不仅可以大幅降低基础隔震结构的位移和加速度频响函数峰值,并且能在很宽的频段范围内减小基础隔震结构的位移响应。

地震重点监视防御区某框架结构基础隔震设计分析

以地震重点监视防御区某抗震设防7度(0.15g)的混凝土框架结构教学楼为研究对象,根据确定的隔震设计目标,从隔震支座布置、隔震模型验证、地震波选取、隔震计算分析等方面,对采用隔震技术的研究对象进行隔震结构分析与研究。研究表明,本工程采用基础隔震技术后,隔震结构的基本周期延长约3.0倍,隔震结构地震响应降低,隔震结构层间剪力明显降低,上部结构地震响应可以减低半度。

考虑SSI效应的层间隔震与基础隔震结构地震响应对比分析

为探究不同地基上的层间隔震和基础隔震结构在考虑SSI效应后的地震响应差异,选取一个适合采用隔震技术的规则结构,以5层缩尺的规则结构模型进行振动台试验,探究结构在刚性地基、硬土(vs=300m/s)与软土(vs=80m/s)地基上结构动力特性与地震响应。结果表明:对于模型,考虑SSI效应时基础隔震结构隔震效果优于层间隔震结构;土性地基上层间隔震结构和基础隔震结构自振周期较刚性地基上延长;地基土体对地震波存在明显的放大作用和滤波效应,软土地基能明显增强地震波中的低频成份、过滤高频成份;对比分析揭示了土性地基上隔震结构,层间隔震体系下部结构的位移响应在考虑SSI效应时显著放大,在工程应用中应予以着重考虑。

TLCD-基础隔震结构混合控制抗风性能研究

文章探讨了基础隔震技术结合调谐液体阻尼器(TLCD)对高层建筑抗风性能的提升研究。基础隔震技术虽然可以显著减少地震对上部结构的破坏,但可能增加建筑对风的敏感性。TLCD因其经济性和适用性,尤其适用于基础隔震结构。建立了20层Benchmark模型,并对比分析了仅采用基础隔震与采用基础隔震+TLCD混合控制的风致响应。结果表明,混合控制方案可以显著减小结构位移和加速度,顶层加速度降低约30%,有效增强了基础隔震建筑的抗风性能和居住舒适性。这项研究为高层隔震建筑的风振控制提供了创新的设计理念和实用方法,具有重要的参考价值。

某八度区近断层学校建筑基础隔震设计研究

研究某高烈度区(8度,0.2 g)近断层学校建筑隔震设计,以新疆某学校建筑基础隔震设计为例。基于水平减震系数法,建立学校建筑基础隔震的设计流程,详细分析设计流程各阶段的模型选择,荷载取值,工况组合,计算指标的限值及依据,尤其分析探讨了核心的隔震层设计。研究结果表明:基础隔震技术实现了对上部结构设计降一度设计的性能目标,不但可以保证结构安全,震后还可以充当应急避难场所提供有效保障。其可为同类建筑,基础隔震设计提供借鉴。

基础隔震多层钢框架结构地震反应分析

基础隔震多层钢框架结构是一种常见的抗震结构体系,能够在地震发生时提供高效的抗震性能。本文对基础隔震多层钢框架结构进行了反应分析,研究了结构在地震作用下的动态响应特征,通过分析结构在地震荷载下的动态行为,探讨了结构抗震性能的优劣。最后,对结构进行了性能提升的改进措施,为实现结构的高效抗震性能提供了理论支持。

超大型混凝土冷却塔基础隔震与层间隔震性能对比研究

为研究隔震技术对超大型冷却塔抗震性能的影响,以某混凝土冷却塔为研究对象,利用SAP2000分别建立基础隔震与层间隔震的冷却塔有限元模型,开展了结构动力特性分析和非线性时程分析,与非隔震冷却塔相比,对比分析了基础隔震与层间隔震的隔震效果。研究结果表明:基础隔震技术与层间隔震技术均能有效地延长冷却塔结构的自振周期,降低结构地震反应,第一阶自振周期延长至近3倍,整体平动模态提前至前两阶,扭转模态提前至第三阶。对比基底剪力,基础隔震的减震性能略优于层间隔震;对比相对位移,喉部以上,基础隔震与层间隔震的冷却塔减震效果基本相同,喉部以下,层间隔震的减震效果优于基础隔震;对比加速度放大系数,塔筒各位置处基础隔震的减震效果均优于层间隔震,支柱位置处,与非隔震冷却塔相比,基础隔震的加速度略有放大。研究结果可为冷却塔的减隔震分析提供参考。

基于IDA的基础隔震站房结构地震易损性分析

为研究铁路站房隔震结构的地震易损性,以某典型铁路站房为研究对象,对其进行基础隔震设计,分别建立铁路站房的隔震和非隔震数值模型,定义铁路站房结构中混凝土框架、钢结构屋架、非结构构件和基础隔震支座的损伤指标和极限状态,对铁路站房结构进行增量动力分析,并针对铁路站房的隔震和非隔震结构进行局部和整体地震易损性分析。研究结果表明,铁路站房各局部结构构件的损伤程度由大到小依次为:非结构构件、基础隔震支座、钢结构屋架、混凝土框架,这与铁路站房非隔震结构的损伤程度基本一致。在8度(0.3g)罕遇地震作用下,铁路站房隔震结构中各局部结构构件的损伤程度较非隔震结构均有所减小,其中非结构构件出现毁坏的超越概率降低幅度最大为86.38%,整体结构出现毁坏的概率上界和下界分别减小了97.02%和98.39%。这表明基础隔震技术能够显著降低铁路站房在地震时损坏的概率,提高铁路站房结构的抗震性能。因此,在铁路站房设计中,建议采用隔震技术降低站房的地震易损性,提高铁路站房的抗震性能。

基础隔震结构的楼面设计反应谱研究

依据基础隔震结构楼面反应谱的谱形特点,将谱曲线分段进行回归分析,确定各段谱曲线的形状,得到一种双峰值的基础隔震结构楼面设计反应谱。考虑影响基础隔震结构楼面反应谱的各主要因素,如结构动力参数、场地特性、地震动强度、结构与设备的相互作用和设备阻尼等,用正交试验法,分析基础隔震结构-设备组合体系的楼面反应谱,以拟合优度最大为目标,分段标定楼面设计反应谱的各特征参数并统计拟合出各特征参数的计算公式。通过三个实际的基础隔震工程-设备实例验证,结果表明:建立的标准化的楼面设计反应谱,能忠实地反映楼面反应谱的频谱特性,还原楼面反应谱的曲线变化,各段曲线的谱值可基本包络楼面反应谱;与时程分析法的结果相比,用该楼面设计反应谱求得各设备的地震作用,误差均在10%以内,说明该楼面设计反应谱具有较高的精度和较好的工程实用性。

刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究

为防止隔震层在极罕遇地震作用下出现过大变形而导致隔震设施损坏,部分隔震结构安装了钢墩或钢筋混凝土墩等刚性限位装置。为了研究刚性限位对基础隔震结构动力响应的影响,设计三层单跨钢框架基础隔震结构以及钢墩、钢筋混凝土墩、带橡胶垫层钢墩三种刚性限位器,并进行振动台试验。研究不同预留间隙时三种限位器对基础隔震结构的位移、加速度、接触力以及隔震支座竖向荷载等动力响应影响的规律。试验结果表明,刚性限位器能有效减小其隔震层位移,但也会对上部楼层产生较高大的不利响应,同时会增大隔震支座的竖向荷载,甚至使支座产生拉应力。在钢墩前设置橡胶垫层能明显减小上部结构的加速度响应,对上部结构位移响应、隔震支座竖向力及碰撞点处接触力影响不大。